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铸造
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FOUNDRYCr和Mo对过共晶Al-Si合金组织与性能的影响
李润霞，于洪江，袁晓光，黄宏军，陈玉金
（沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110178）
摘要：研究了合金元素Cr和Mo对过共晶Al-Si-Cu-Mg-Ni合金组织与性能的影响。试验结果表明：在过共晶
Al-Si-Cu-Mg-Ni合金中添加0.6%Cr，合金抗拉强度提高了6%，而同时添加0.6%的Cr与0.4%的Mo，合金抗拉强度提高了
44.2%，伸长率变化不大。SEM及能谱分析结果显示，Cr与Mo的添加都能显著地改善原合金的组织形态及相分布，Cr与Mo会形成一些富Cr和富Mo的多元相。这些相的变化及分布的改变导致了合金力学性能的提高。
关键词：Al-Si合金；合金元素；显微组织；力学性能
中图分类号：TG146.2+1文献标识码：A文章编号：1001-4977（2009）08-0839-04
EffectofCrandMoonMicrostructureandPropertiesofHyper-EutecticAl-SiAlloyLIRun-xia,YUHong-jiang,YUANXiao-guang,HUANGHong-jun,CHENYu-jin（SchoolofMaterialsScienceandTechnology,ShenyangUniversityofTechnology,
Shenyang110023,Liaoning,China）
Abstract：Theresearchhasbeencarriedouttostudytheinfluenceofchromiumandmolybdenumon
microstructureandperformanceofthehyper-eutecticAl-Sialloy.TheresultsindicatethatchromiumandmolybdenumhaveimportanteffectonUTSofthealloy.TheUTSwasenhanced6%whenadding0.6%Crtothehyper-eutecticAl-Sialloy,and44.2%whenadding0.6%chromiumand0.4%molybdenumsimultaneously.Theplasticofthealloyfluctuatewithinanarrowrange.SEManalysisdemonstratesthatchromiumandmolybdenumcanimprovethemicrostructuremorphologyandphasedistributionofthealloy.Thechromiumandmolybdenumcanformsomechromium-richandmolybdenum-richmulti-phases,whichcanenhancethemechanicalpropertiesofthealloy.
Keywords：Al-Sialloy;alloyingelement;microstructure;mechanicalproperty汽车发动机、压缩机、空调机等均需要具有高耐磨、耐热的轻质合金，以提高效率，降低能耗[1]。其中铝合金是首选材料之一，硅是少数可以降低合金件密度、提高比强度、比刚度的铝合金添加元素之一。一般而言，Al-Si合金质轻、耐磨、耐蚀、低膨胀，过共晶Al-Si合金的一个重要应用是作为发动机活塞使用[2-3]。活塞（尤其是大功率柴油机活塞）的恶劣工作条件和追求不断提高发动机性能、减少排气污染，要求活塞合金具有良好的加工性、良好的耐磨损性、良好的高温强韧性和低膨胀系数。
合金化是提高合金性能的重要手段，为了使合金满足性能的要求，目前加入铁、镍、锰等合金元素形成的过共晶Al-Si多元合金在活塞材料中占据主导地位，铸造铝合金铸件的需求越来越大，同时铸造铝合金的研究和应用将逐步完善和发展[4-6]。本文在过共晶Al-Si合金中添加合金元素Cr和Mo，研究其对合金组织与力学性能的影响。
1#2#3#合金
Si17.517.517.5
Cu1.51.51.5
1试验材料和方法试验所用过共晶Al-Si合金成分如表1所示，含Si量
约17.5%，为典型的过共晶铝硅合金。Al和Mg以纯Al和纯Mg的形式加入，其他合金元素分别以Al-28Si、Al-50Cu、Al-50Ni、Al-20Fe、Al-10Mn、Al-20Zr、Al-10RE、Al-20Cr、Al-10Mo的形式加入，用赤磷进行变质处理。合金的熔炼在箱式电阻炉中进行，金属液经精炼、扒渣、变质后静置5min，浇入预热好的金属型中，得到铸造坯料。
表1合金的化学成分
Table1Chemicalcompositionsofdesignedalloys
Mg1.21.21.2
Ni0.80.80.8
Fe0.70.70.7
Mn0.60.60.6
Zr0.20.20.2
RE0.20.20.2
Cr-0.60.6
Mo--0.4
wB/%
Al余量余量余量
拉伸试样依据国家标准制备，利用线切割，将铸
基金项目：辽宁省教育厅创新团队项目（2007T132）。收稿日期：2008-12-12收到初稿，2009-02-23收到修订稿。
作者简介：李润霞（1972-），女，甘肃秦安人，副教授，博士，研究方向为高强韧铝合金强化机理研究。E-mail：runxiali@163.com
Aug.2009
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锭切割成图1所示形状及尺寸规格，合金的拉伸性能测试是在CSS-55100型多功能电子试验机上进行。抗拉强度、伸长率值均为3-5个试验值的平均。合金的显微组织观察在日本日立公司生产的HitachiS-3400N扫描电子显微镜上进行。
合金1#
表2合金化后的Al-Si合金力学性能
Table2MechanicalpropertiesofalloyedAl-Sialloy
抗拉强度σb/MPa
161.1162.0162.3169.7
2#
172.1173.0229.5
3#
234.1236.3
伸长率δ/%
1.00.90.81.11.00.91.00.90.8
22.1试验结果合金力学性能表2为合金拉伸性能，由试验结果可知，合金元素Cr和Mo的添加均使合金的力学性能得到提高，同时添加Cr和Mo的3#合金平均抗拉强度达到233.3MPa，比1#合金提高了44.2%，比单独添加Cr的2#合金提高了35.9%，而伸长率并没有发生太大的改变。可见本试验条件下，3#合金的力学性能较为优异。说明单独加入合金元素Cr以及同时加入Cr和Mo，都可以提高合金的抗拉强度。但同时加入合金元素Cr和Mo，合金的力学性能最佳。
合金拉伸断口形貌合金的拉伸断口主要由脆断平台及韧窝组成（见图2），脆断平台是由大的块状硅相穿晶断裂造成的，脆断平台较大，只有少量细小的韧窝，实际这些韧窝是由许多平滑的小平台组成，这些小平台如同脆裂的解理面。这种韧窝不是塑性材料断口常出现的韧窝，而是无数细小硅相颗粒脆断形成的解理平台，平台尺寸与硅相大小相近。因此，合金断口即使有韧窝形态，但是韧性不会很好，表现出来的合金伸长率在1.5%以下。图2b和图2c与图2a相比较，断口形貌中的第二相分布较均匀，晶粒也更加细小。说明合金元素Cr和Mo的加入可以较明显的改善合金组织的分布。
2.2合金显微组织与分析图3为不同成分的过共晶Al-Si合金显微组织，图4a-f分别为1#合金中A-F相（见图3d中A-F处）的能谱分析，图4g、h分别为2#合金中花瓣状相（见图3d中G处）
图3f中H处）的能谱分析。和3#合金中小块状相（
图3a、d分别为1#合金的低倍和高倍显微组织，由图4的能谱分析可知在不含Cr、Mo的1#过共晶Al-Si合金基体上除了粗大的硅相外，在晶界处还分布着白色条状AlNi相（图3d中A处）、灰色条状Al7Cu4Ni相（图3d中B处）、白色块状A12Cu相（图3d中C处）、长条状Al-Si-Cu-RE相（图3d中D处）、黑色条片状Mg2Si相（图3d中E处）、汉字状的Al-Si-Mn-Fe相（图3d中F处）等。其中汉字状的Al-Si-Mn-Fe相大多集中分布在α-Al晶界处，而且尺寸较大，骨骼状的棱角突出容易形成
2.3应力集中。白色条状AlNi相、灰色条状Al7Cu4Ni相、白色块状A12Cu相尺寸较小，黑色条片状Mg2Si相尺寸小且数量较少，这些相都弥散均匀分布在合金基体上（见图3a）。
在过共晶Al-Si-Cu-Mg-Ni合金中，Cu和Mg主要形成Al2Cu和Mg2Si相，Mn作为中和元素加入合金中后，A15FeSi相晶格中原来应由Fe原子占据的位置，既适应于Fe原子，也适应于Mn原子。所以Mn原子也参与了Al5FeSi相的形成，这样形成的晶格上既有Fe原子，又有Mn原子，Mn原子替代了部分Fe原子，结果形成了Al-Si-Mn-Fe四元相[7]。
图3b、e分别为2#合金的低倍和高倍显微组织，由图可见，合金元素Cr的添加对合金的显微组织有着显著的影响，其中1#合金中汉字状的Al-Si-Mn-Fe相
铸造李润霞等：Cr和Mo对过共晶Al-Si合金组织与性能的影响
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（图3d中F处）基本消失，取而代之的是灰色花瓣状的Al-Si-Cr-Mn-Fe相（见图3e中G处），并且棱角发生明显的钝化，减少应力集中，强化结晶晶粒边界。2#合金中的Mg2Si相不再以条片状的形态出现，而是以条状的形态出现，甚至在局部区域连接成网状（图3e中E处），且数量明显增多。总体来说，合金中的第二相变得更加细小，分布更趋弥散（见图3b），这些相的形貌及分布的变化，有利于合金力学性能的提高，这与合金元素Cr的添加使）。合金力学性能略有提高的试验结果相符合（见表2
图3c、f分别为3#合金的低倍和高倍显微组织，由
图可见，同时添加Cr和Mo后合金的显微组织明显细化，分布更加弥散。除了网状Mg2Si相，其他第二相都发生了显著的变化。2#合金中的花瓣状Al-Si-Cr-Mn-Fe相在3#合金中尺寸大幅度减小，转变为粒状的Al-Si-Cr-Mn-Fe-Mo多元相（图3f中H处）。条状AlNi相、Al7Cu4Ni相及块状Al2Cu相的尺寸和形貌也都发生了较大变化，割裂基体的长条状和汉字状形貌基本都转变为短棒状和粒状（图3c），可以阻碍位错的运动，对合金基体有一定的钉扎强化作用，这与合金力学性）。能的大幅度提高相符（见表2
3结论（1）在过共晶Al-Si-Cu-Mg-Ni合金中添加0.6%的
Cr，合金抗拉强度提高了6%，而同时添加0.6%的Cr与0.4%的Mo，合金抗拉强度提高了44.2%，合金的伸长率变化不大。
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铸造，2003（52）：657-660.[2][3]
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（2）过共晶Al-Si-Cu-Mg-Ni合金基体上的汉字状的Al-Si-Mn-Fe相尺寸较大，而且大多集中分布，该相棱角突出容易形成应力集中。合金中添加Cr，除了改变长条状AlNi相、条状Al7Cu4Ni相、块状A12Cu相、长条状Al-Si-Cu-Re相及黑色条片状的Mg2Si相尺寸与分布外，还会使汉字状的Al-Si-Mn-Fe相转变为花瓣状的Al-Si-Cr-Mn-Fe相，减少了应力集中。
（3）合金中同时添加Cr和Mo后，Cr、Mo元素都溶入到汉字状的Al-Si-Mn-Fe相中，使其转变成细小弥散分布的粒状Al-Si-Cr-Mn-Fe-Mo多元相，阻碍位错的运动，对合金基体有一定的钉扎强化作用，从而提高合金的力学性能。
参考文献：
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（编辑：张允华，zyh@foundryworld.com）
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