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

摘要: 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。

Abstract: 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, ErSi₂, Al₃Er. 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.

1. 引言

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 [1] [2]。Al-Si系合金因铸造性、可焊接性、导电导热性较好，常被用作架空输电线 [3] [4] [5]。铸造铝合金组织中共晶硅的形态呈板片状，这种形态严重割裂组织，对合金力学性能影响较大，经过研究发现，在合金中添加稀土可以改变共晶硅的形貌，将其由板片状改为颗粒状，进而提高合金性能 [6]。

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 [7]。我国稀土资源比较丰富，早在60年代研究者们就开始了对稀土铝合金应用的研究，最早应用于高强高导的铝合金导线中。近年来学者们对稀土变质的研究越来越热，邢泽炳 [8] 等人研究了稀土元素Er对Al-Mg、Al-Zn系列合金力学性能的影响，发现稀土可以使铸态组织从枝状晶变为等轴晶，晶间晶内化合物减少，第二相析出减少，提高该合金的抗应力腐蚀性；刘同辉 [9] 等人认为Al-Er-Cu合金在200℃等温退火或冷轧后退火200℃~300℃时，合金强度和导电率达到最高，其中Al₂Cu相的析出有利于提高合金导电性。张二庆 [10] 等人对比研究了Al-Er和Al-Zr冷轧后退火组织和性能的变化，发现Er、Zr原子的析出都会提高合金导电率，但是Al-Er合金析出的二次相对合金增强作用较强。本文主要将Er作为合金元素加入到亚共晶Al-Si合金中，制备了Al-4Si、Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er三种合金，并探究T6热处理工艺对合金的显微组织、相组成、力学及电学性能的影响，为研究高强高导Al-Si合金提供依据。

2. 实验材料及方法

2.1. 实验材料

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。

Table 1. Nominal composition of alloys/%

表1. 合金的名义成分/%

2.2. 测试方法

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 [11]，T6热处理条件下对Al-Si合金性能影响较佳，可以均匀组织，改善硅颗粒的分布。因此设计了如下工艺：固溶500℃ × 1 h后水淬，人工时效220℃ × 1 h、3 h、8 h、12 h、24 h。

3. 结果与讨论

3.1. 显微组织

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。

Figure 1. Metallographic structure of alloy before and after T6 heat treatment. (a) As-extruded Al-4Si; (b) As-extruded Al-4Si-0.5Er; (c) As-extruded Al-4Si-1Er; (d) T6 state Al-4Si; (e) T6 state Al-4Si-0.5Er; (f) T6 state Al-4Si-1Er

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 [12]，故优先形成。该位置Al、Er原子比明显大于3:1，是因为Er的添加量较低，受基体Al的影响较大，可能形成极少量的Al₃Er，大部分是Er在Al中形成的固溶体。B点主要元素是Al、Si，是分布在基体中的共晶硅，呈不规则的块状且尺寸不均。对C处进行EDS分析，合金中可能存在的相为Al₃Er、共晶硅。除了含有Al、Er、Si外还有少量Fe元素，可能是稀土Er的净化作用，使合金中杂质元素由固溶态转为析出态，降低对电子的散射，进而达到提高导电率的效果。D点Al元素占主体，还有少量的Si，该处是少量的Si固溶在Al基体中。从图2(b)上看共晶硅尺寸有所减少，说明1% Er对合金共晶硅细化效果较好。

Figure 2. Backscattered electron diagrams of T6 state Al-4Si-0.5 Er and Al-4Si-1 Er alloys

图2. T6态Al-4Si-0.5Er、Al-4Si-1Er合金的背散射电子图

Table 2. EDS analysis results of alloy A, B, C and D and the percentage of atoms in Figure 2

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

3.2. 导电性能

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 [13]。经过实验后发现，时效处理可提高合金导电率，但保温时间对合金导电率影响较小。人工时效后，合金中固溶的第二相充分析出，降低了晶格畸变，导电率升高。Al-4Si-0.5Er合金随时效时间增加，先降低后上升，整体成上升趋势。Al-4Si-1Er合金随时效时间增加，导电率先缓慢升高，后保持稳定。时效24 h后Al-4Si-1Er合金导电率达到最高54.96% IACS，相比于未时效之前的52.92% IACS上升了4%。但是整体低于Al-4Si合金的导电率，是因为热处理后第二相数量增加，分布更加弥散，随时效时间的延长，合金中的Al₃Er逐渐球化并长大，对电子的阻碍作用增强，综合表现为导电率低。

Figure 3. Conductivity of alloy before and after T6 heat treatment

图3. T6热处理前后合金导电率

3.3. 力学性能

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%。

Figure 4. Mechanical properties of alloy before and after T6 heat treatment

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。

Figure 5. Hardness diagram of alloy before and afterT6 heat treatment

图5. T6热处理前后合金的硬度图

4. 结论

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。

基金项目

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)。