Er和Ce對鑄造ZL101A鋁合金組織與力學性能的作用對比研究

閆 洪

（1.昆明冶金研究院有限公司，昆明 650031；2.中鋁集團中央研究院昆明分院，昆明 650031）

0 前言

鋁合金的晶粒細化處理是工業生產中重要的工藝方法。細小均勻的晶粒組織能提高鋁合金的力學性能和增強組織致密性，在鋁合金中加入稀土元素已成為晶粒細化的有效方法。Ce 是鋁合金常用的稀土元素，但Ce 化合物存在聚集和長大的問題，其細化作用有限；而稀土Er 不僅能提高鋁合金的強度，而且能較大程度地改善鋁合金的塑性。目前，國內已分別研究了Ce 和Er 對鋁合金的細化作用[1-2]，但二者對ZL101A 鋁合金的組織和性能的對比研究極為少見，尤其是Er 和Ce 在鋁合金中產生稀土化合物的差別還未見報道。由于稀土有各自的優點和不足，采用合適的稀土元素至關重要，對此，本文以ZL101A 鋁合金為基體合金，研究了稀土Er 和Ce 的影響，并對二者的作用進行對比和分析探討，為進一步優化合金性能提供參考。

1 試驗方法

1.1 試樣的制備

試驗采用ZL101A 合金，其化學成分見表1。在電阻爐中分別加入Al-5.82%Er 和Al-10.68%Ce中間合金進行熔煉。在添加0.1%Ce 后，ZL101A（Ce）鋁合金的抗拉強度和延伸率分別為144 MPa和3.3%，與有關資料顯示的Ce添加量為0.1%時鋁合金性能較好的結論相一致[3]。為便于進行稀土Ce和Er 的作用比較，實驗配制了稀土添加量為0.1%Er 的ZL101A（Er）鋁合金，并和含有0.1% Ce 的ZL101A（Ce）鋁合金進行對比實驗。變質溫度為750 ℃，變質時間為30 min，熔體降到610 ℃時澆鑄到預熱200 ℃的模具中。

表1 ZL101A鋁合金化學成分（質量分數%）

1.2 力學性能測試和顯微組織觀察

試樣加工成直徑為10 mm的拉伸試樣，標距長50 mm。采用CMT5105型電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速度是6 mm/min。采用Axio Imager A2m型研究級智能數字材料顯微鏡進行試樣的金相組織分析，樣品在0.5%HF 水溶液中腐蝕8 s。采用Quanta 600型掃描電子顯微鏡進行SEM觀察，借助能譜分析儀對稀土化合物進行分析。采用EMPYREAN型X射線衍射儀分析合金的物相組成。

2 試驗結果和分析

2.1 ZL101A（Ce）和ZL101A（Er）鋁合金的稀土化合物分析

圖1 分別為ZL101A（Ce）鋁合金、ZL101A（Er）鋁合金的顯微組織。由圖1（a）可知，在添加稀土Ce 后，ZL101A（Ce）合金組織中有聚集的塊狀稀土化合物相析出，此稀土化合物較為粗大，在顯微鏡中能夠看到。塊狀稀土化合物相的存在，造成了合金比重和成分的偏析，降低合金強度。但經過稀土Er 處理后，沒有觀察到稀土化合物相的析出，見圖1（b）。說明ZL101A（Er）合金的顯微組織中的稀土化合物相較為細小，在顯微鏡下無法看到，稀土Er 阻止了粗大塊狀稀土化合物的析出，對改善合金性能有利。

圖1 不同鋁合金的顯微組織

本試驗使用掃描電鏡/能譜儀對ZL101A（Ce）和ZL101A（Er）鋁合金進行分析，結果見圖2。如圖2（a）所示，ZL101A（Ce）鋁合金中存在塊狀稀土化合物，經過能譜分析，此塊狀稀土化合物含：Ce12.65%，Al74.02%，Si2.74%，Ti9.58%，稀土化合物相為CeAlSiTi。而在ZL101A（Er）鋁合金中，稀土化合物相比較細小，為針狀和顆粒狀，如圖2 （b） 所示，其主要成分為：Er13.93%，Al64.57%，Si12.72%，Mg5.71%，Fe1.96%，稀土化合物相為ErAlSiMgFe。相對于ZL101A（Ce）鋁合金來說，ZL101A（Er）鋁合金的稀土化合物相尺寸要小得多，分布也較為均勻，這對合金的組織有明顯的細化效果。主要是Er 與合金元素形成了稀土化合物相ErAlSiMgFe。在合金凝固時，該相首先結晶析出，隨著溫度的降低，這些細小彌散分布的ErAlSiMgFe 作為非均質核心而使α-Al 晶粒得到細化。同時，稀土聚集在共晶硅前沿，阻止其進一步長大。由于基體組織的細化，使得ErAlSiMgFe分布更加彌散。這種細小的稀土化合物分散分布，起到了彌散強化的作用，增強了合金的力學性能。

圖2 不同鋁合金的掃描電鏡形貌

2.2 ZL101A（Ce）和ZL101A（Er）鋁合金的顯微組織比較

ZL101A（Ce）鋁合金的顯微組織照片如圖3（a）所示。從圖中可以看出，α-Al枝晶形態仍存在粗大的樹枝晶，分布也不均勻，其平均α-Al 枝晶長度為78.6 μm。圖3（b）是ZL101A（Er）合金顯微組織照片?？梢钥闯?，加入稀土Er 后，α-Al 枝晶的細化效果明顯，平均枝晶長度降為62.3 μm，組織分布較為均勻，ZL101A（Er）合金組織中的α-Al相為細小的等軸晶組織，幾乎不存在樹枝晶組織。因此，與Ce 元素相比，稀土元素Er 對合金細化后，α-Al 晶粒尺寸較小，晶粒的細化效果和分布均勻性較好。

圖3 不同鋁合金顯微組織的α相形貌

圖4 為不同鋁合金顯微組織中的共晶硅形貌。由圖4（a）可以看出，當添加稀土Ce時，ZL101A（Ce）合金中的共晶硅是板條狀和針狀。添加Er的ZL101A（Er）鋁合金，其共晶硅形貌得到不同程度的改善，逐步轉變為短桿狀和粒狀，如圖4（b）所示。

圖4 不同鋁合金顯微組織中的共晶硅形貌

2.3 ZL101A（Ce）和ZL101A（Er）鋁合金的力學性能

添加稀土Er和Ce的ZL101A鋁合金的力學性能見表2。從表2可以看出，ZL101A（Ce）鋁合金的抗拉強度為144 MPa，伸長率為3.3%。當Er添加到鋁合金中時，ZL101A（Er）的抗拉強度達到188 MPa，伸長率是6.7%，分別提高了30.55%和103.03%?？梢?，Er 不僅使鋁合金得到強化，而且還大幅度提高了鋁合金的伸長率。這是因為Er 在鋁合金中形成了細小的稀土化合物相，對鋁合金起到彌散強化的作用，阻止了大塊狀稀土化合物的析出。另外，稀土Er 使α-Al 相得到有效細化，粗大的共晶硅轉變為細小的短桿狀和粒狀，增加了合金的強度。綜上所述，稀土Er 能起到細化晶粒的作用，以彌散強化的方式改善鋁合金的性能[4]，比稀土Ce 具有更強的作用效果。稀土Er 能顯著改善合金組織，細化晶粒，使合金的硬度得到提高[5]。

表2 添加稀土Er和Ce的ZL101A鋁合金的力學性能

3 結論

（1）添加稀土元素Er后，ZL101A鋁合金組織中的α-Al 相形貌為較小的等軸晶，且分布較為均勻；而在添加稀土元素Ce 的鋁合金中，α-Al 相存在較粗大的樹枝狀枝晶，組織也不均勻。在共晶硅方面，Er 可取得比Ce 更好的變質效果?？梢?，Er的細化效果優于Ce。

（2）與ZL101A（Ce）鋁合金中的稀土化合物CeAlSiTi相比，ZL101A（Er）鋁合金中的稀土化合物ErAlSiMgFe相細小，而CeAlSiTi相以較粗大塊狀的形式析出，說明稀土Er 對鋁合金的稀土化合物的生長起到抑制作用，其稀土化合物相彌散分布。

（3）ZL101A （Ce） 合金的抗拉強度僅為144 MPa， 伸長率只有3.3%；而ZL101A（Er）合金的抗拉強度達到188 MPa，伸長率是6.7%。因此，稀土Er 的強韌化效果明顯高于Ce，尤其在伸長率方面提高較大。