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发布时间: 2019-06-10
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DOI: 10.3969/j.issn.1006-4729.2019.03.014
2019 | Volume 35 | Number 3




        




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添加微量金属元素影响AlSi7Mg合金性能的研究综述
expand article info 赵娜, 朱随群, 曹懿
天合汽车(科技)有限公司, 上海 201814
收稿日期: 2019-04-10
中图法分类号: TG1
文献标识码: A
文章编号: 1006-4729(2019)03-0272-05

摘要

AlSi7Mg合金具有比强度高、耐蚀性好、铸造性能优良等优点, 广泛应用于汽车制造领域。但该合金在凝固成型过程中, 易形成粗大的共晶硅, 力学性能较差。添加金属元素或稀土元素可优化α-Al基体和细化共晶硅, 提高力学性能。综述了主族金属元素(Sr, Sb, Cu, Zr), 稀土元素(La, Re, Y, Eu), 多种稀土元素或主族金属和稀土元素复合添加对AlSi7Mg合金组织形貌及力学性能的影响。

关键词

AlSi7Mg合金; 稀土元素; 金属元素

Research Review on AlSi7Mg Alloy with Addition ofMetal Elements
expand article info ZHAO Na, ZHU Suiqun, CAO Yi
SkyTeam Motor(Technology) Co. Ltd., Shanghai 201814, China

Abstract

AlSi7Mg alloys, due to its advantages of high specific strength, good corrosion resistance and excellent castability, are widely used in automobile manufacturing and other fields.But the coarse eutectic silicon is easy to form in the process of solidification molding, which seriously damages the mechanical properties of AlSi7Mg.Adding metal elements and rare earth elements can optimize α-Al matrix, refine eutectic silicon and improve its mechanical properties.Effect of Sr, Sb, Cu, Zr metals, rare earth elements as well as a variety of rare earth elements or metal and rare earth elements compound on microstructure and mechanical properties is reviewed.

Key words

AlSi7Mg alloy; rare earth element; metal

AlSi7Mg合金是美国于20世纪70年代研制的铝合金, 具有密度小、比强度高、延展性好, 以及铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热力倾向小等优点, 可通过热处理和变质处理提高其力学性能和耐腐蚀性。另外, AlSi7Mg合金具有价格合适和质量轻等优点, 常用于发动机引擎铸件, 但会出现开裂问题。为了更好地满足产品需求, 可通过添加合金元素, 细化共晶硅组织, 形成Mg2Si第二相强化[1-2], 增加其力学性能。因此, 通过变质处理以提高铸造AlSi7Mg合金的力学性能和耐腐蚀性能对铝合金的发展具有重要意义。本文综述了微量金属元素加入铸造AlSi7Mg合金的研究进展。

1 添加金属元素对AlSi7Mg合金性能影响的研究进展

研究者发现, 可以通过加入变质剂, 改变铸造铝合金的组织结构, 从而提高其力学性能。本节对AlSi7Mg合金分别添加碱土金属Sr、主族金属Sb、过渡金属Cu和Zr后的变质效果进行了综述。研究结果如表 1所示。

表 1 添加金属元素对AlSi7Mg合金力学性能的影响

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元素 最佳
含量/
%		 铸态条件下 T6条件下
抗拉强度/
MPa		 伸长率/
%		 抗拉强度/
MPa		 伸长率/
%
Sr 0.03 204.00 10.40
0.04 215.00 4.04
Sb 0.40 189.00 11.30 266.00 13.30
Cu 2.50 322.00 4.60
Zr 0.20 175.11 4.80

1.1 加入碱土金属Sr元素

Sr元素加入A356后, Sr元素本身并没有明显的晶粒细化作用, 但是可以激活更多的形核核心, 提高晶核形成温度, 降低共晶点, 通过影响凝固过程改善基体和第二相组织, 提高力学性能。赵后亮等人[3]研究发现, 当Sr元素含量为0.03%时, 其抗拉强度为204.00 MPa, 伸长率为10.40%, 布氏硬度为62.4 HB, 共晶硅为细小的纤维状, 合金性能最好。姜峰等人[4]研究发现, 当在A356中加入0.04%的Sr元素时, 细小的颗粒状和蠕虫状的共晶硅均匀分布在铝基体上, 其抗拉强度为215.00 MPa, 伸长率为4.04%, 布氏硬度为56 HBW。与Sb元素和Cu元素相比, Sr元素价格略高。

1.2 加入主族金属Sb元素

Sb元素加入A356变质后, 其合金性能比加入Sr元素更好, 增加了合金的致密度, 且Sb元素变质效果具有长效性。曾耀华等人[5]在A356合金中加入0.40%的Sb元素, 发现合金的形核温度降低, 过冷度提高, 且共晶Si组织从粗大的板条状结构变为细小的纤维状结构, 力学性能也得到了很大提高, 抗拉强度和伸长率分别为189.00 MPa和11.30%, 在T6热处理后其抗拉强度和伸长率分别为266.00 MPa和13.30%。申玉彬等人[2]研究认为, Sb元素的变质效果不如Sr元素, 但在Sb元素的基础上加入少量Re元素, 可提高变质效果。虽然其抗拉强度和伸长率比Sr元素的变质合金稍差, 但是其疲劳性能明显优于加入Sr元素的变质合金。

1.3 加入过渡金属Cu元素

加入Cu元素后, 合金组织可以细化, 但加入Cu元素也会导致铝硅镁合金的硬度提高。SHABESTARI S G等人[6]在AlSi7Mg0.35合金中加入0.20%~2.50%的Cu元素时, 研究结果表明, 不同的Cu元素含量对材料的性能具有很大的影响。朱志华等人[7]的研究结果表明, Cu元素能明显提高A356合金的强度, 不仅细化α-Al相, 而且使共晶Si由棒状转变为细小的颗粒状。当Cu元素的含量为2.5%时, 合金力学性能最佳, 在T6热处理后, 其抗拉强度及伸长率分别为322.00 MPa和4.60%。

1.4 加入过渡金属Zr元素

Zr元素可以作为铝合金中有效的细化晶粒和抑制再结晶的添加剂。夏峰等人[8]在A356铝合金中加入少量Zr元素, 结果表明, 当Zr元素的比重占0.05%~0.25%时, 具有明显的α-Al细化效果且能改善共晶硅分布状态。当Zr元素的比重占0.20%时, 抗拉强度和伸长率分别达到最大值175.11 MPa和4.80%。

2 添加稀土元素对AlSi7Mg合金性能影响的研究进展

由于稀土元素不仅能够细化共晶硅, 而且在铸造过程中具有除渣除气的效果。因此, 研究者对添加稀土元素影响变质铝合金的组织及其力学性能进行了研究。研究结果如表 2所示。

表 2 添加稀土元素对AlSi7Mg合金的力学性能的影响

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元素 最佳
含量/
%		 铸态条件下 T6条件下
抗拉强度/
MPa		 伸长率/
%		 抗拉强度/
MPa		 伸长率/
%
Y[9] 0.30 353.00 12.10
Eu[11] 0.10 265.00 14.70
Sc[13] 0.20 210.58 6.50
Er 0.30[17] 182.47 11.86 298.00
0.20[19] 280.00 3.30
Sm[20] 0.60 215.00 3.30
Nd[21] 0.03 302.00 3.10

LI B等人[9]研究了Y元素对AlSi7Mg0.5合金的组织和力学性能的影响。当Y元素的含量为0.30%时, 在T6热处理下, 其抗拉强度与伸长率分别为353.00 MPa和12.10%。邓月华等人[10]用稀土元素Y对AlSi7Mg0.3合金进行了变质处理, 结果表明, 加入Y元素可以细化共晶Si, 合金强度稍有下降。但当稀土元素Y的含量为0.06%时, 合金伸长率可达12.50%。MAO F等人[11]研究发现, 采用Eu元素变质, AlSi7Mg合金中Si的第二相为纤维状共晶硅, 当Eu元素的含量为0.10%时, 在T6热处理下, 其抗拉强度和伸长率分别为265.00 MPa和14.70%。PRAMOD S L等人[12]研究认为, 在AlSi7Mg合金中加入Sc元素后, Sc与Al可形成细小均匀分布的Al3Sc颗粒, 提升合金的抗拉强度与硬度。黄吉等人[13]研究发现, 当Sc元素的添加量为0.20%时, 可细化共晶硅, 其铸态下抗拉强度为210.58 MPa, 伸长率为6.50%, 布氏硬度为67.5 HB。

WATTANACHAI P等人[14]研究了Sc元素对AlSi6Mg0.25的变质行为, 发现Sc元素加入量在0.25%时, 对共晶硅第二相有一定变质作用, 其效果与Sr元素相似。ZHANG W D[15]进一步指出, Sc对初生α-Al有一定细化作用, Sc可以与Al形成细小均匀分布的Al3Sc颗粒, 提升合金抗拉强度与硬度。PUPARATTANAPONG K等人[16]研究发现, 当Sc元素的重量为0.20%时, 由于晶粒细化和共晶硅的组织改善, 增加了合金的流动性, 避免了热裂。李俊颀等人[17]在AlSiMg合金中加入Er元素后发现, 粗大针状共晶Si细化为短杆状; 当Er元素含量为0.30%时, 在铸态条件下, 其抗拉强度和伸长率分别为182.47 MPa和11.86%;经过T6热处理后, 其抗拉强度达到最大值298.00 MPa。

李晓燕等人[18]研究发现, 当Er元素含量为0.40%时, 细化效果最显著, 抗拉强度和伸长率均达到最大值。PANDEE P等人[19]研究认为, AlSiMg合金中加入Er元素后, 在形核过程中, Er与P更容易形成ErP而阻止其形成AlP, 同时, 优化了共晶硅和铝基体等组织结构, 改善了其力学性能。当Er元素重量占0.20%时, 性能最佳, 经T6热处理后, 其抗拉强度和伸长率分别为280.00 MPa和3.30%。QIU H X等人[20]研究了Sm元素对AlSi7Mg0.7合金的影响, 当Sm元素的含量为0.60%时, 其抗拉强度和伸长率分别为215.00 MPa和3.30%。

TANG Q等人[21]通过在AlSi7Mg0.3合金中加入Nd元素发现, 当加入少量的Nd(0.03%)元素后, pi-AlSiMgFe相的数量增多; 通过T6热处理后, 其抗拉强度和伸长率分别为302.00 MPa和3.10%。TSAI Y C等人[22]研究发现, 添加1.00%的La元素到AlSi7Mg合金中, 对其微观组织和机械性能的影响规律与0.01%Sr元素的变质效果相似。

3 复合添加对AlSi7Mg合金性能影响的研究进展

研究者对通过采用单一元素进行变质处理进行研究外, 也对多种稀土元素、稀土元素和其他金属元素复合添加进行了相关研究。研究结果如表 3所示。

表 3 复合添加对AlSi7Mg合金力学性能的影响

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元素 最佳含量/
%		 T6条件下
抗拉强
度/MPa		 伸长率/
%
稀土元素复合 Sc+Y[24] 0.20+0.20 254.00 5.30
Yb+La[25] 279.00
稀土和金属元素复合 Cu+Ce[28] 3.60+0.15 395.70 5.50
Sc+Zr[29] 0.19+0.22 298.00 8.40
Sc+Ti[29] 0.30+0.35 287.00 3.62
Sc+Zr+Ti[29] 0.29+0.19+
0.09		 299.00 22.00

3.1 复合添加多种稀土元素

李豹[23]在AlSi7Mg合金中复合加入Y元素和Yb元素, 研究结果表明, 稀土元素(Y和Yb)变质合金效果与冷却速度有关, 冷却速度较慢时只能细化硅相, 当冷却速度接近临界速度时, 可将共晶硅变质为纤维状。何兵等人[24]通过添加复合微量元素Sc元素和Y元素后, 发现A356合金组织中形成了Al3Sc和Al3Y强化相, α-Al基体得到明显细化, 大部分共晶Si形态由片状向颗粒状转变, 合金的抗拉强度和延展性得到明显提高。当添加0.2%的Sc元素和0.2%的Y元素时, 合金抗拉强度和伸长率分别达到254.00 MPa和5.30%, 布氏硬度达到106 HBW。

ZHANG S C等人[25]通过加入Yb和La元素复合变质剂对铝硅镁合金的影响进行了研究, 结果表明, 晶粒进一步被细化, 共晶硅从针状结构到细小的球状结构, 共晶温度也有所降低; 经过T6热处理后, 其抗拉强度和布氏硬度分别为279.00 MPa和99.2 HBW。

3.2 复合添加稀土和其他金属元素

何斌峰等人[26]发现, 在AlSi7Mg合金中加入0.05%的Sr元素和0.45%的Ce元素时, 变质效果最佳, 该条件下获得的基体晶粒比加入同等量的0.50%的Ce元素时的晶粒更加细小, 说明加入少量的Sr元素可显著提高合金的变质效果。LIU W Y等人[27]的研究结果表明, 单独添加Gd元素或Zr元素会很大程度上细化晶粒, 但对共晶硅的微结构几乎没有影响; 当同时添加Gd元素和Zr元素时, 可显著细化共晶硅和改变其形态状纤维。结合添加Gd元素和Zr元素, 能减少孪晶和共晶硅的尺寸。在添加0.40%的Gd元素和0.50%的Zr元素的条件下, 其力学性能最好。湖南大学孙莉[28]在AlSi7Mg0.35合金中添加3.60%的Cu元素和0.15%的Ce元素发现其在T6条件下合金抗拉强度提高50%以上, 且抗拉强度随Cu元素含量增加而提高, 最高达到395.70 MPa, 伸长率达到5.50%。天津大学沈小岑[29]系统地研究了单独或复合添加Sc元素, Ti元素, Zr元素对A356/7合金的影响, 结果表明, 相对于只加入单一Sc元素, 复合添加Zr和Ti或Ti和Zr元素具有明显的晶粒细化效果。当加入0.19%的Sc元素和0.22%的Zr元素时, 在T6热处理条件下, 抗拉强度和伸长率分别为298.00 MPa和8.40%;当Sc元素和Ti元素的质量分别占0.30%和0.35%时, 形成了Al3Ti和Al3(Sc, Ti)二次相, 晶粒细化效果最佳, 在T6条件下其抗拉强度和伸长率分别287.00 MPa和3.62%;当Sc, Zr, Ti元素的质量分别占0.29%, 0.19%, 0.09%时, 形成了Al3(Sc, Zr, Ti)相, 在T6条件下其抗拉强度和伸长率分别299.00 MPa和22.00%。

3.3 复合添加多种其他金属元素

王爽[30]研究了添加Cu和Cr元素对A356铸铝合金力学性能的影响。结果发现, 加入0.50%的Cu元素和0.35%的Cr元素时, 该合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率、硬度和蠕变性能比A356合金分别提高了11.68%, 13.14%, 5.76%, 17.28%, 23.05%。

4 结论

通过对微量金属元素加入铸造AlSi7Mg合金的研究现状的综述可以发现, 微量金属的添加可以细化铝基体和共晶硅组织, 改善其力学性能。具体如下。

(1) 通过对比Sr, Sb, Cu, Zr元素加入AlSi7Mg合金的力学性能指标发现, Cu元素对其抗拉强度的提高最大; 其次是Sr元素, Sb元素对其抗拉强度和伸长率比Sr元素的变质合金稍差, 但其疲劳性能明显优于Sr元素的变质合金; Zr元素的变质效果最差。

(2) 加入稀土元素都能明显提高AlSi7Mg合金的抗拉强度和伸长率, 其中, 稀土Y元素的变质效果最佳。

(3) 复合添加稀土元素到AlSi7Mg合金后, 与单一添加稀土元素相比, 没有特别明显的改变其组织和力学性能。复合添加主族金属与稀土元素, 比单一添加主族金属元素的合金力学性能更好。

可见, 提高AlSi7Mg合金的力学性能, 主要是通过细化基体和共晶组织或增加强化相。元素添加不仅可以细化组织, 而且也可以形成新的强化相。为了能够满足高端制造业的需求, 需要研发变质效果好、低吸气性、对环境污染小的元素。整体来说, 稀土元素的变质效果稳定, 对环境影响小, 是今后研究的重点。

参考文献