稀土元素对Al-Si-Cu-Mg系压铸铝合金组织和性能的影响

稀土元素对Al-Si-Cu-Mg系压铸铝合金组织和性能的影响
摘要：通过单一测试方法将不同含量的CE，La和Sm添加到ADC12中。

通过拉
伸试验数据和金相分析研究了稀土添加对ADC12组织和力学性能的影响。

结果表明，添加稀土元素可以改善ADC12的力学性能，改善并细化合金的力学性能和组织。

在单次试验中，当Ce，La和Sm的质量百分比分别为0.4％，0.4％和0.2％时，合金的机械性能最佳，抗拉强度、屈服强度比分别高10.9％，7.0％，16.1％
和13.2%。

基体合金的伸长率比基体合金的伸长率高8.1％，Sm元素的含量为0.2％时，合金组织的细化效果最明显。

稀土元素对力学性能和组织细化的影响顺序为Sm大于Ce大于La。

关键词：压铸铝合金；稀土元素；微观组织；抗拉强度；延伸率
与其他系列铝合金相比，铝硅系铸造合金具有良好的综合机械性能和较低的原材料成本，因此受到越来越多的关注。

广泛应用于汽车，航空，军工等领域。

ADC12铝合金是Al-Si系铸
造合金之一，经过压铸后，由于其强度高，热膨胀系数小，高耐腐蚀性和良好的切屑性能，
被用作生产汽车气缸、汽缸盖和发动机的理想材料。

然而，ADC12铝合金中存在许多块状，
条状，长针状的Si相和大的枝晶α-Al相，这些因素阻碍了合金力学性能的提高。

因此，为了
提高工业生产中铝合金的综合机械性能，经常对铝合金进行改性和精炼。

结果表明，稀土元素可与多种元素反应形成稳定的化合物，净化合金液，改善合金铸件
的组织和缺陷，增强合金的力学性能。

因此，对于ADC12铝合金，通过一次实验将不同种类
和含量的稀土元素添加到合金中，以分析稀土元素对压铸铝合金组织和性能的影响。

1 实验部分
1.1 试样
通过一次实验将不同数量的Ce，La和Sm添加到ADC12铝合金中。

以Al-La中间合金，
Al-Ce中间合金和Al-Sm中间合金的形式添加稀土元素。

1. 2 仪器
Sg2-5-12型坩埚电阻炉用于冶炼合金原料。

熔炼后，使用dcc400型卧式冷室压铸机将合
金铸造到测试棒中。

Syj-150a型低速金刚石切割机用于切割金相试样，wx100型抛光机用于
抛光直至无划痕。

用Zwick / roll z050型电子拉伸试验机测试合金样品的力学性能，用Zeiss
成像仪金相显微镜观察合金的显微组织，并观察其显微组织中共晶硅相的平均面积和纵横比。

用Image-Pro Plus软件分析合金。

2 结果及分析
2. 1 金相组织观察及分析
2. 1. 1 ADC12 铸态下显微组织
可以看出没有添加铸件的ADC12铝合金的显微组织：浅灰色相为富铁相，主要为块状和
带状，尺寸较大。

深黑色相为共晶Si相，主要为带状和长针状，边缘和角落锋利，在合金受
拉时容易引起应力集中，降低了合金的综合力学性能。

结构中的白色相为α-Al相。

树枝状晶
体相对较粗糙，分布不均匀，以交错的方式排列成树枝状。

在一定程度上也存在偏析现象，
二次枝晶臂间距较宽，阻碍了合金综合力学性能的提高。

2. 1. 2 Ce 元素对合金组织的影响及分析
可以看出，当Ce的含量为0.2时，Al相在一定程度上被细化，粗枝晶减少，细Al枝晶
增加，富Fe相变小，甚至是粒状，且共晶硅形态光滑，没有锋利的棱角，并且尺寸大大减小。

可以看出，当Ce含量为0.4时，当α-Al相出现明显细化时，粗α-Al树突基本消失，初级树
突也具有良好的形态。

富铁相的分布更加均匀，其形态逐渐变为细颗粒状，细化效果更加明显。

共晶Si相也以细颗粒的形式分布在α-Al晶界上。

此时，改性效果更好，二次枝晶臂间距也大大减小，甚至一些α-Al晶界变得圆润。

可以看出，当CE的含量增加到0.6％时，α-Al的
树枝状晶体开始变大，富铁相的细化度也变弱，并且开始出现偏析和生长的现象。

此时，共
晶Si相逐渐变成细的短棒状和带状，细化效果减弱。

Ce元素可以细化晶粒的原因是Ce原子可以吸附在Si相的表面上，这使Si在[111]晶体
表面上形成大量的孪晶，从而促进了孪晶谷的共晶Si的多面体生长。

机理，使共晶硅变成棒
状或纤维状，从而细化了共晶硅。

此外，Ce元素可与合金中的Si，Cu，Mg和Mn形成多个
稀土合金相，这些稀土相可在固液界面的前部富集，导致部件过冷并阻碍其运动。

固液界面
的变化和α-Al相晶粒的生长，从而细化晶粒。

同时，Ce元素会在α-Al成核过程中引起晶格
畸变，在某些情况下会与Fe相化合物发生反应，从而改善Fe相的形貌。

合金大时，Ce元素
会在熔体中与合金元素反应并生成大量的粗混合稀土化合物，这将减少液相中的溶质原子数，从而导致平衡溶解度降低液相和固液界面的稳定性，结果，二次枝晶臂之间的距离增加，导
致α-Al相晶粒粗大，合金的机械性能降低
2.1. 3 La 元素对合金组织的影响及分析
La元素在合金中的固溶度较低，基本上不溶于α-Al基体。

在凝固过程中，这些稀土相
将在固/液界面的前部富集，增加熔体的过冷度，形成一定数量的细核中心，从而促进晶粒的成核，提高成核率，达到细化谷物的目的。

La元素的添加量过多时，在合金中会形成大量的
多元素稀土化合物。

这些化合物会以不规则形状聚集并长大，并释放出大量的结晶潜热，这
会降低固液界面前溶质浓度梯度的改善效果，导致晶粒粗化，很容易引起合金受力时的应力
集中和裂纹在一定程度上降低了合金的机械性能。

2.1. 4 Sm 元素对合金组织的影响及分析
SM元素具有细化晶粒的功能。

原因是：（1）合金中Sm元素的氧化物为合金提供了成
核介质，促进了异相成核，提高了成核速率，增加了铸件组织中的晶粒数量，减小了晶粒尺寸；（2）Sm原子填充了α铝枝晶的表面缺陷，降低了固相和液相之间的表面张力，并阻碍
了基体晶粒的生长，当合金中Sm元素含量高时，稀土相往往会长大并聚集，因此稀土相不
能在熔体中均匀分布，也不能起到异质成核的作用。

同时，由于晶界中稀土相的含量过多，
晶界变厚，成分过冷效果减弱，晶粒细化效果减弱。

3 结论
添加稀土元素后，合金的显微组织明显细化，组织中的晶粒排列紧密，尺寸小而相近，
共晶硅为纤维状或短棒状，且孔内缺陷合金的组织也得到改善，因此合金的综合机械性能得
到了极大的改善。

当Sm含量为0.2％时，合金组织的细化效果最佳。

稀土元素的加入可以在
一定程度上提高合金的拉伸强度，伸长率和综合力学性能。

当Ce含量为0.4%时，合金的抗
拉强度和伸长率比基础合金高10.9％和8.1％。

当La含量为0.4%时，合金的拉伸强度和伸长
率比基础合金高7.0％和19.3％。

当Sm含量为0.4%时，合金的拉伸强度和伸长率比基础合
金分别高16.1％和20.6％，Sm对合金的综合力学性能影响最大，其次是Ce和La。

参考文献：
[1] 檀廷佐. 变质及热处理对铸造铝硅合金组织及性能的影响[D]. 南京：南京航空航天大学，2012.
[2] HUANG Xin，YAN Hong. Effect of rare earth La additionon microstructure and mechanical property of as-cast ADC12Al-alloy[ J]. Journal of Wuhan University of Technology，2013，28（1）：202-205.
[3] ZUO Min，ZHAO Degang，TENG Xinying，et al. Effect of P and Sr complex modification
on Si phase in hypereutectic Al-30Si alloys [ J ]. Materials and Design，2013，47：857-864.
[4] 袁孚胜，李明茂，朱应禄，等. 稀土在铝及其合金中的作用和应用[J]. 上海有色金属，2019，30（3）：129-133.
[5] 杨军军，聂祚仁，付静波，等. 稀土在铝合金中的作用及研究进展 [ J]. 北京工业大
学学报，2012，28（4）：500-505.
[6] 王荣滨. 稀土铝合金的研究与应用[ J]. 有色金属加工，2017，36（2）：21-23.
[7] 曹大力，石忠宁，杨少华，等. 稀土在铝及铝合金中的作用[J]. 稀土，2016，27（5）：88-93.。