Al-10%LaCe 中间合金制备及对过共晶Al-Si 合金的变质作用

滕海琳，石为喜，何红宇，仇 正，茆 俊，林业达

（辽宁科技学院冶金与材料工程学院，辽宁 本溪 117004）

0 引言

过共晶铝硅合金含硅量高达16%~26%，因而其具有合金的比重更小、线膨胀系数更低、耐磨性和体积稳定性更高等特点， 是制作发动机活塞的理想材料。 过共晶铝硅合金由于硅的大量加入而产生的性能缺陷， 是因为随着铝硅合金中硅含量的增加在超过硅的共晶点以后， 组织中出现粗大的不规则块状初晶硅和长针状共晶硅。 这些硬且脆的硅相会严重割裂合金基体， 在硅相尖端和棱角部位引起应力集中，明显降低合金的力学性能。因此需要对其进行变质细化处理［1-4］。

我国稀土资源丰富， 稀土合金是一种既能精炼又能变质的好材料， 其精炼和变质作用能维持较长时间。 含稀土元素的变质和复合变质， 是今后研究Al-Si 合金变质处理的重点。 应用稀土合金变质和精炼工艺对环境不造成任何污染， 为创造绿色集约化铸造业提供了一种极好的选择［5］。 稀土对于提高铝合金的性能具有多重功能，因此，为获得高性能的铝合金，往往在铝合金内加入适量的稀土元素。由于稀土元素较活泼、易氧化、烧损严重，且由于稀土的熔点与铝合金的熔点差异较大， 直接添加时烧损严重，且不易均匀加入，故一般以中间合金的形式加入铝合金中［6］。 铝—稀土中间合金的制备方法，目前主要有混熔法、电解法和还原法三种方法。

由于La、Ce 稀土元素在化学周期表中相近且其各自与铝的二元相图基本相同， 配制铝—稀土中间合金时，稀土含量一般选择在共晶成分附近，如在配制铝—铈中间合金时， 铈含量应选择在10%左右，如图1 所示，在共晶点下转为液态的加热温度最低， 因此选择在共晶点附近制备Al-10%LaCe 中间合金。 若LaCe 含量过高，将使得合金熔点升高，增加熔制的困难［6］。

图1 Al-Ce 合金二元相图

因此，文章采用铝、硅和稀土LaCe 为实验原材料，采用混熔法制备Al-10%LaCe 中间合金，并以其作为变质剂对过共晶Al-25%Si 合金进行变质细化处理， 研究Al-10%LaCe 中间合金对过共晶Al-Si合金的变质作用。

1 试验方法

以工业纯铝（纯度99.7%）、结晶硅（纯度99.9%）和稀土LaCe（纯度99.5%）为实验原材料，LaCe 的添加量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。

Al-10%LaCe 中间合金的熔炼工艺： 金属液的熔炼温度对所制得的中间合金的质量有着重要的影响， 熔炼温度过低会影响LaCe 在铝液中的熔化速度并使制备的中间合金成分分布不均匀， 而熔炼温度过高时会增加LaCe 的烧损。 故将工业纯铝加热到720 ℃~740 ℃， 待铝全部熔化后将LaCe 投入铝液中，当LaCe 全部熔化后，除去表面浮渣，将之浇注金属模具中，即得Al-10%LaCe 中间合金锭。

LaCe 变质处理过程：将称量好的铝块和硅块放入石墨坩埚中， 置于电阻炉内， 设置温控仪升温至800 ℃，待铝块和硅块全部熔化为合金液后，除去表面的浮渣，并加入铝箔包覆的Al-10%LaCe 变质剂，待变质剂完全熔化后，除去浮渣，将合金液匀速地浇注于金属模具中，待金属模具自然冷却，即得所需的合金铸锭。

利用线切割车床从铸锭上切割Φ15 mm×15 mm 的金相试样，按标准金相制样程序制得样品，并用0.5 wt% HF 酸腐蚀其表面用于微观组织观察。分别采用金相显微镜（OM，蔡司Axio Imager M2m 型）和扫描电镜（SEM，蔡司EVO18 型扫描电镜，装有牛津X-Max 能谱仪） 对变质前后的过共晶Al-25%Si合金样品表面形貌及相组成进行测试和分析。 采用X 射线衍射仪（XRD，布鲁克D8-ADVANCE 型）对变质前后的合金样品物相的变化进行测试和分析。

2 结果与讨论

2.1 Al-10%LaCe 中间合金组织

采用扫描电镜对制得的Al-10%LaCe 中间合金组织及成分进行分析，其测试结果如图2 所示。

图2 Al-10%LaCe 中间合金SEM 分析

从图2（a）可以看出，在Al-10%LaCe 中间合金组织中由灰色的铝基体和白色的块状组织构成，利用EDS 能谱对其成分进行分析，其结果如图2（b）所示，其成分由Al、La 和Ce 组成的多元化合物。

2.2 微观组织

利用金相显微镜对Al-25%Si 合金组织形貌进行观察， 得出不同添加量的LaCe 变质处理前后的Al-25%Si 合金的显微组织特征如图3 所示，共晶硅组织如图4 所示。

图3 不同LaCe 添加量的初晶硅组织

图4 不同LaCe 添加量的共晶硅组织

由图3 和图4 可知， 过共晶Al-25%Si 合金经LaCe 变质前后的合金组织中都存在着初晶硅、共晶硅以及α-Al 基体组织。 未加变质剂的Al-25%Si 合金初晶硅组织为粗大的五瓣星状及其他较复杂形状，而共晶硅为长针状，在Al 基体上呈密集分布，如图3（a）和图4（a）所示；当加入0.5%的LaCe 时初晶硅组织变化不明显，其尺寸稍有细化，长针状的共晶硅尺寸变化不明显而分布密度明显降低，说明LaCe的加入对Al-25%Si 合金中共晶硅析出具有抑制作用，如图3（b）和图4（b）所示；当加入1.0%的LaCe时初晶硅组织仍为不规则五瓣星状及其他复杂的形状， 但尺寸较未加变质剂的Al-25%Si 合金减小了很多，同时共晶硅从长针状变为颗粒状，尺寸大幅减小，仅为未加变质剂的共晶硅组织的几十分之一，另外在该金相组织中还发现少量的黑色条状组织，如图3（c）和图4（c）所示；当加入LaCe 为1.5%时，初晶硅组织未发生明显变化， 而尺寸较添加1.0%的LaCe合金组织有所增大，共晶硅仍为颗粒状，同时在该金相组织中黑色条状组织仍然存在，且数量与大小均上升，如图3（d）和图4（d）所示；当加入2.0%LaCe 时初晶硅组织仍未发生变化，尺寸较加入LaCe 为1.5%的合金增大，同时共晶硅组织呈长针状，分布密度明显降低， 同样存在着黑色条状组织， 其尺寸略有增大，如图3（e）和图4（e）所示。通过以上分析，初晶硅和共晶硅的尺寸均呈现先减小后增加的变化趋势，aCe 混合稀土对共晶硅的尺寸和形状的影响尤为显著。 可推断变质后合金中的黑色条状组织可能为aCe 与铝硅合金生成的中间化合物。

2.3 XRD 分析

采用X 射线衍射仪对不同LaCe 添加量的Al-25%Si 合金样品进行分析测试，如图5 所示。

图5 不同LaCe 添加量的Al-25%Si 合金样品的XRD 图谱

由图5 可以看出， 不论过共晶铝硅合金是否变质， 其主衍射峰均能与标准谱图中的Al 和Si 衍射峰一一对应。当添加1.0% LaCe 时，在样品低角度处出现了新的衍射峰， 这些衍射峰不同于Al 和Si 形成的二元相峰， 则说明合金中生成了新相， 且随着LaCe 添加量的增加，该相峰值越来越高，因此可得出经LaCe 变质后，Al-25%Si 合金中生成了新的多元相。

2.4 SEM 分析

使用扫描电镜对LaCe 变质处理后的Al-25%Si合金样品进行分析测试，如图6 所示。 经过LaCe 变质处理后Al-25%Si 合金样品表面出现了白色的条状组织，如图6（a）所示。对其进行EDS 成分分析，如图6（b）所示。

图6 LaCe 变质后的Al-25%Si 合金的SEM 及能谱图

由图6（b）可知，该条状组织成分中含有Al、Si、La 和Ce 等元素。故验证上一步猜想，该条状组织是由几种元素组成的新的多元相。

3 结论

（1）LaCe 对Al-25%Si 合金中的初晶硅和共晶硅都有着比较明显的细化作用， 对初晶硅的组织形貌影响不大。当LaCe 添加量为1.0%时，初晶硅晶粒的细化作用最为明显， 共晶硅由未变质的长针状变成了颗粒状。 随着LaCe 添加量的继续增加，初晶硅和共晶硅的晶粒尺寸有逐渐变粗化趋势。

（2）X 射线衍射分析结果表明，与标准谱图对比分析，当LaCe 添加量超过1.0%时，合金中的低角度位置出现了新的衍射峰，其峰强越来越明显，在变质后的合金中生成了新的多元相。

（3）扫描电镜分析结果表明，经过LaCe 变质处理后Al-25%Si 合金样品表面出现了白色的条状组织，对其进行EDS 成分分析，该条状组织成分中含有Al、Si、La 和Ce 等元素， 即由几种元素组成的新的多元相。