为改变Al-Si合金的第二相尺寸、数量、分布,改善合金的电学和力学性能,本文选用稀土元素Er作为合金元素,制备了Al-4Si、Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er合金。通过光学金相显微镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)、四电极法测电阻、万能拉伸试验机、显微硬度计等方法和设备,探究了稀土Er及T6热处理对挤压态Al-4Si、Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er合金的微观组织、相组成、电学和力学性能的影响。结果表明:稀土元素Er有利于Si由固溶态转变成析出态,增加了第二相种类和数量,减小了第二相尺寸,提高了合金的力学性能,且导电率保持稳定,合金的相组成为:α-Al、共晶硅、ErSi<sub>2</sub>、Al<sub>3</sub>Er;T6热处理后,合金组织中第二相析出更加充分,Al-4Si-1Er合金的综合性能达到最高,导电率由52.92% IACS上升至 54.96% IACS,提高了4%,抗拉强度为103.5 MPa,伸长率为34.5%,硬度为40.5 HV。<br/>In order to change the size, quantity and distribution of the second phase of Al-Si alloy and improve the electrical and mechanical properties of the alloy, Al-4Si, Al-4Si-0.5Er and Al-4Si-1Er alloy were prepared by using rare earth element Er as alloying element. The influence of rare earth Er and T6 heat treatment on the microstructure, phase composition, electrical and mechanical properties of extruded Al-4Si, Al-4Si-0.5Er and Al-4Si-1Er alloys was studied by means of optical metallographic microscope (OM), field emission scanning electron microscope (SEM), four-electrode method for measuring resistance, universal tensile testing machine, micro-hardness tester and other methods and equipment. The results show that the rare earth element Er is beneficial to the conversion of Si from the solid solution state to the precipitation state, increasing the type and quantity of the second phase, reducing the size of the second phase, improving the mechanical properties of the alloy, and maintaining the conductivity. The phase composition of the alloy is: α-Al, eutectic silicon, ErSi<sub>2</sub>, Al<sub>3</sub>Er. After T6 heat treatment, the second phase of the alloy structure precipitates more fully. The overall performance of the Al-4Si-1Er alloy is the highest, the conductivity increases from 52.92% IACS to 54.96% IACS, increased by 4%, tensile strength is 103.5 MPa, elongation is 34.5%, and hardness is 40.5 HV.
赵娟,崔晓丽,崔红卫,叶辉
山东理工大学材料科学与工程学院,山东 淄博
收稿日期:2019年11月21日;录用日期:2019年12月4日;发布日期:2019年12月11日
为改变Al-Si合金的第二相尺寸、数量、分布,改善合金的电学和力学性能,本文选用稀土元素Er作为合金元素,制备了Al-4Si、Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er合金。通过光学金相显微镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)、四电极法测电阻、万能拉伸试验机、显微硬度计等方法和设备,探究了稀土Er及T6热处理对挤压态Al-4Si、Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er合金的微观组织、相组成、电学和力学性能的影响。结果表明:稀土元素Er有利于Si由固溶态转变成析出态,增加了第二相种类和数量,减小了第二相尺寸,提高了合金的力学性能,且导电率保持稳定,合金的相组成为:α-Al、共晶硅、ErSi2、Al3Er;T6热处理后,合金组织中第二相析出更加充分,Al-4Si-1Er合金的综合性能达到最高,导电率由52.92% IACS上升至 54.96% IACS,提高了4%,抗拉强度为103.5 MPa,伸长率为34.5%,硬度为40.5 HV。
关键词 :稀土Er,T6热处理,Al3Er,导电率
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铝及铝合金具有熔点低、密度小、导电、导热性能好以及易加工等特点,被广泛应用于汽车、航空航天、船舶以及日常生活中 [
T6热处理是指固溶热处理后进行人工时效的状态。合金中的第二相在保温的过程中充分溶解形成固溶体,人工时效后第二相充分析出,这将有利于合金电学力学性能的提高。稀土具有独特的电子结构,能与大多数元素形成稳定的化合物,达到净化基体、强化合金的作用 [
实验合金的成分如表1所示。原材料采用纯铝99.99% (质量分数,下同),Al-20% Si、Al-11% Er中间合金,在坩埚电阻炉中用石墨坩埚熔炼。熔炼前先将模具和原料在200℃下预热,熔炼时先加入纯铝和Al-20% Si中间合金,等完全融化后在720℃~730℃保温10 min,进行扒渣,再加入Al-11% Er中间合金,融化后进行二次扒渣,最后浇模具中,冷却成型后取出,铸锭尺寸为Φ 100 mm × 200 mm。将浇铸完成的圆锭,进行热挤压,挤压前将圆锭在400℃下保温1.5 h,挤压比为139,挤压速率1 m/min,挤压成直径为8.46 mm圆杆。
Alloy | Si | Er | Al |
---|---|---|---|
Al-4Si | 4 | 0 | 96 |
Al-4Si-0.5Er | 4 | 0.5 | 95.5 |
Al-4Si-1Er | 4 | 1.0 | 95 |
表1. 合金的名义成分/%
将试样镶嵌后,分别在240#、600#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸上打磨,然后用MgO抛光剂进行抛光,抛光后采用Axio Scope. A1蔡司金相显微镜、FEI Quanta250型扫描电镜(SEM)及其附件能谱仪(EDS)分析合金显微组织及成分,用四电极法测电阻率,通过计算得出导电率,用Instron5969万能拉伸试验机测拉伸强度、伸长率,标距为25 mm,速率为2 mm/min,测3次取均值。最后用HVS-50显微硬度计测合金硬度,载荷300 g,保持时间15 s,测3次取均值。根据文献调研 [
图1是T6热处理前后合金金相组织。图1(a)为挤压态Al-4Si合金的金相组织,挤压处理后,共晶硅不再呈板片状、针状,而是呈短棒状、颗粒状分散在基体中,不再偏聚在晶界处。图1(b)、图1(c)分别是挤压态Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er合金的金相组织,从中可以看出,随着Er含量的增加,合金组织中的第二相数量逐渐增加,尺寸逐渐减小,且分布更加密集。主要原因是稀土Er与合金中的Si、Al形成新相,从而增加了第二相的数量,其中稀土Er与基体结合析出第二相是面心立方结构,便与基体形成共格界面,可促进非匀质形核,进而细化晶粒。
图1(d)为Al-4Si合金经过固溶500℃保温1 h后水淬,人工时效220℃保温24 h后的金相组织。第二相数量增多,弥散的分布在基体中。此时经过长时间的时效后,固溶在基体中的Si充分析出,将对合金导电率产生有利的影响。图1(e)、图1(f)分别是T6态Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er合金的金相组织,随着Er含量的增加,合金组织中的第二相数量仍逐渐增加,且呈弥散分布,尺寸逐渐均匀。
图1. T6热处理前后合金金相组织。(a) 挤压态Al-4Si;(b) 挤压态Al-4Si-0.5Er;(c) 挤压态Al-4Si-1Er;(d) T6态Al-4Si;(e) T6态Al-4Si-0.5Er;(f) T6态Al-4Si-1Er
图2为T6态Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er合金的背散射电子图,原子序数越大,背散射电子越亮,可以初步判断图2中亮白色部分是含Er第二相,灰色块状物为共晶硅相,其余部分为α-Al相。表2是图2中合金A、B、C、D各点对应的EDS分析结果及各原子百分比,首先对A处进行点分析,通过EDS能谱发现(表2),该位置Er、Si原子比接近1:2,可以认为形成了ErSi2二元相,由于硅铒二元金属间化合物的生成焓较低 [
图2. T6态Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er合金的背散射电子图
Area | Atomic Composition/at% | |||
---|---|---|---|---|
Al | Si | Er | Fe | |
A | 86.80 | 8.27 | 4.93 | 0 |
B | 64.03 | 35.97 | 0 | 0 |
C | 79.94 | 10.90 | 7.33 | 1.83 |
D | 99.54 | 0.46 | 0 | 0 |
表2. 图2中合金A、B、C、D各点对应的EDS分析结果及各原子百分比
图3为T6热处理前后合金导电率。挤压态Al-4Si-1Er合金导电率最高为52.92%,与Al-4Si合金导电率几乎相同,而Al-4Si-0.5Er合金的导电率略有降低为51.39%,原因是加入Er元素后的合金,形成了新相ErSi2、Al3Er,这个过程需要消耗Si,降低了基体中Si的固溶量,并且Al3Er是面心立方晶格,可与基体形成共格界面,降低晶格畸变,但是稀土Er的加入,引入了异质原子,部分Er固溶到基体中,导致晶格畸变增加,所以总体表现为导电率保持稳定。
本文合金热处理工艺采用T6热处理(500℃固溶1 h后水淬 + 220℃时效)。合金500℃固溶1 h后水淬,保温过程可使过剩的相充分溶解到固溶体中,形成均匀固溶体,快速水冷可抑制第二相的析出,形成过饱和固溶体。人工时效,使合金中固溶的第二相析出,均匀弥散的分布在基体中,均匀组织进而提高合金的力学、电学性能 [
图3. T6热处理前后合金导电率
图4是T6热处理前后合金的力学性能图,挤压态Al-4Si合金的抗拉强度是116 MPa,Al-4Si-0.5Er合金的抗拉强度为122 MPa,提高了5%,但是伸长率略有降低。Er元素在合金中的存在形式分为两种,一种是以固溶态的形式固溶在基体中,起到固溶强化的效果;另一种是以含Er第二相的形式析出,起到第二相强化的效果。从组织上看,含Er的第二相以颗粒状为主呈弥散分布,这对合金强化十分有利,减弱了对基体的割裂作用,钉扎位错,增加变形抗力,表现为抗拉强度升高。时效处理后合金的力学性能有所下降,时效后第二相充分析出,大部分第二相由固溶态转为析出态,晶格畸变减小,强化效果减弱。T6热处理后,Al-4Si的抗拉强度为96.8 MPa,Al-4Si-1Er的抗拉强度为103.5 MPa,提高了7%。
图4. T6热处理前后合金的力学性能图
图5是T6热处理前后合金的硬度图,挤压态合金添加Er元素后,硬度略有降低。挤压态Al-4Si合金的硬度最高为42.6 HV,Al-4Si-0.5Er合金的硬度为39.3 HV,Al-4Si-1Er合金的硬度为38.8 HV,降低了7%左右。T6热处理后,Al-4Si合金的硬度最低是32.87 HV,Al-4Si-0.5Er合金的硬度最高为40.5 HV,上升了23%,Al-4Si-1Er合金的硬度为35.3 HV。T6热处理后Al-4Si-0.5Er合金内部组织更加均匀,第二相颗粒弥散分布,弥散强化效果显著,表现为硬度较该合金挤压态时有所上升。相同热处理状态下,Al-4Si-0.5Er的硬度是40.5 HV,比Al-4Si-1Er高出15%,这是因为Al-4Si-0.5Er的合金显微组织中,第二相数量较多,弥散强化和第二相强化共同作用,造成的硬度增加。
图5. T6热处理前后合金的硬度图
1) 稀土元素Er有利于Si由固溶态转变成析出态,合金中主要相组成为:a-Al、共晶硅、ErSi2、Al3Er。增加了第二相种类和数量,第二相尺寸减小,Al-4Si-0.5Er合金的力学性能达到最佳,抗拉强度为122 MPa,伸长率为41.74%,硬度为39.3 HV。
2) T6热处理后,合金组织中第二相析出更加充分,Al-4Si-1Er合金的综合性能达到最高,导电率由52.92% IACS上升至54.96% IACS,提高了4%,抗拉强度为103.5 MPa,伸长率为34.5%,硬度为40.5 HV。
国家自然科学基金项目(51804189),山东省自然科学基金博士基金项目(ZR2017BEM004)。
赵 娟,崔晓丽,崔红卫,叶 辉. T6热处理对挤压态Al-Si-xEr合金组织及性能的影响Effect of T6 Heat Treatment on Microstructure and Properties of Extruded Al-Si-xEr Alloy[J]. 材料科学, 2019, 09(12): 1063-1070. https://doi.org/10.12677/MS.2019.912131