作者：郑晓敏
Sc是一种稀土元素，在铝合金中添加少量Sc，能对合金的微观组织结构和性能产生明显的影响，使其强度、耐腐蚀性能、焊接性能等得到提高。Sc在铝合金中还具有良好的弥散强化作用，是铝合金有效的晶粒细化剂和再结晶抑制剂。因此，Sc已成为一种重要的新型铝合金微合金化添加元素。关于Sc对铸造铝合金的作用，相关的报道还比较少。本课题拟采用Sc对A356合金进行变质处理，研究其对A356合金的微观组织和力学性能的影响。
1 试验方法
试验材质为A356.2，其成分见表1。A356合金由ZL102合金、99. 9%的纯Mg、99. 9%的纯Al配制而成，Sc以Al-20Sc中间合金形式加入，加入量分别为0.10%、0.15%、0.20%、0.30%。
采用坩埚电阻炉熔炼ZL102铝合金，先将ZL102合金于740 0C熔化，然后降温到700℃，用钟罩将用铝箔包着的纯镁压人熔体，全部熔化后，再在740℃下用C2 Cl6进行一次精炼处理，保温10 min后撇渣，然后加入不同含量的Al-20Sc中间合金，搅拌均匀，然后在熔体表面撒上覆盖剂进行二次精炼，再撒人覆盖剂，静置5～10 min后撇渣，在720℃浇注到铜铸型中制得金相试样，另外，还用铸铁金属型浇注抗拉试棒。熔炼浇注后，将得到的试样进行光谱成分分析，结果见表2。
在浇注的各铸块的同一部位上切取试样进行金相组织观察，腐蚀液采用体积分数为0. 5%的HF溶液；采用能谱仪及面扫描的方法定性分析基体及第二相的成分，以确定各元素在基体中的分布状况；采用SEM扫描组织中Si的形貌；抗拉试验在CSS-WAWDL系列电动伺服万能试验机上进行。硬度测试在布氏硬度仪上进行。
2 试验结果与分析
2.1 Sc对A356合金显微组织形态的影响
2.1.1Sc对A356合金初生a相的影响
图1是不同Sc含量时A356合金组织的影响。图la是不含Sc的A356合金的微观组织。可以看到粗大发达的初生a相树枝晶组织，二次枝晶直径和长度都比较长，枝晶间距也比较大；而加入0. 10%N0. 15%的Sc后，初生a相的形态和尺寸发生了明显改变，一次晶的数量增多，二次枝晶间距开始减小，还出现了相当多的蔷薇状a相，甚至还有部分形状圆整的球状a相（见图1b和图1c)；当Sc的加入量为0.20%时，A356合金的初生a相进一步细化，晶体数量多且细小均匀，形状圆整的颗粒状晶晶粒数量更多，也更细小，见图1d;然而，当Sc的加入量增加到0.30%后，初生a相的形态不变，但是尺寸不再继续缩小。
为了能够定量地比较不同Sc含量的A356合金初生a相尺寸的大小，采用Image-Pro-Plus软件对微观组织中晶粒的尺寸和形状因子进行了计算分析，初生a相平均晶粒的尺寸为：
式中，A为晶粒面积；P为晶粒周长。
平均晶粒尺寸D越小，形状因子F越接近1，表明晶粒越圆整。通过对不同Sc含量的A356合金微观组织中初生a相的分析，其平均尺寸和形状因子见图2。
从图2中可以看出，未添加Sc的A356合金，其初生a-Al平均晶粒尺寸为69.6um，随着Sc的加入，平均晶粒尺寸显著减小。加入0. 20%的Sc，a-Al晶粒的平均尺寸减小到27.4um。再加入0.30%的Sc，晶粒尺寸为27.2um，晶粒尺寸趋于稳定，这说明加入0. 20%的Sc，变质效果已经达到最优。图2也说明了随着Sc含量的增加，初生a-Al晶粒的形状因子逐渐增大，由0. 49增加到0.80。说明随着Sc的加入，初生a-AI相形状由树枝状变得越来越圆整。综上所述，随着Sc的加入，A356合金的初生a-Al相的晶粒尺寸逐渐减小，形状也变得越来越圆整。
通过对Sc含量为0.30%的A356合金进行SEM分析（见图3），在扫描电镜下可以观察到细小方块状相，其尺寸为8～10um ，通过EDS能谱分析，发现主要成分为Al3Sc。这个相可能是细化初生a-Al相的异质形核核心。
未变质的A356合金组织主要由树枝状a-Al基体，粗大针片状共晶Si，以及少量Mg2Si组成。在合金中添加Sc后，据Al-Sc二元相图，在655 0C时，共晶转变形成Al3 Sc。由于Al3 Sc的晶格类型为面心立方结构，晶格常数为0. 410 nm，而a-Al也是面心立方结构，晶格常数为0. 405 nm，a-Al与Al3Sc的晶格错配度为
式中，ac为a-AI相的晶格参数；a N为AI3 Sc的晶格参数。经过计算，
=1.2%<5%，a-Al与Al3Sc完全共格，其界面能很小，因此Al3Sc可作为a-Al的结晶核心，细化a-Al晶粒。根据非均匀形核理论，铸态晶粒的细化程度取决于单位时间内、单位熔体中形成的晶核数目（形核率）和晶核的有效形核作用，而晶核的有效形核作用依赖于形成的晶核与a-Al基体的晶格常数和类型。所以，随着Sc含量增加，异质核心Al3Sc增多，a-Al晶粒更加细小。当加入0.20%的Sc时，异质核心Al3Sc的数量分布最多，a-Al晶粒高度细化，呈等轴晶分布。再继续添加Sc，此时部分异质核心Al3Sc发生偏聚或是Sc与杂质反应生成大量稀土夹杂，造成异质核心Al3 Sc的数量减少，进而使A356合金晶粒不再显著减小。
2.1.2 Sc对A356合金中共晶S i形貌的影响
图4为不同Sc含量的A356合金中共晶S i形貌。从图4a可以看出，未经Sc处理的合金组织中共晶S i呈现出粗大的针片状，当其受力时，共晶Si相尖锐棱角处应力集中程度大，畸变能比较高，易在该处产生微裂纹并扩展，合金的强度和塑性较低，此时的组织性能较
差。根据Al-Sc二元相图，Sc在Al中的溶解度不大，最大的溶解度为0. 35%，共晶点处成分为0.55%。温度降低时，Sc在Al中的溶解度随之降低。所以，加入Sc后，一部分Sc溶入a-AI中，随着温度降低，结晶的a-Al增多，溶于其中的Sc越来越少，大部分Sc富集于剩余液相。随着温度降低到共晶温度，剩余液相转化为共晶Si。由于表面活性元素Sc的富集，极易吸附在共晶Si的生长孪晶槽中，限制了孪晶的择优生长。当Sc嵌入到共晶Si的晶格中时，由于原子尺寸差异大，引起Si相晶格畸变，促使Si相形成多个方位的生长台阶，根据热力学与动力学理论，Si向着容易生长方向分枝生长见图4b～图4e。特别在Si相分枝、转折的夹角处，Sc元素富集程度大，此处很容易产生颈缩、熔断，形成细小蠕虫状、点状的共晶Si。同时，有研究发现Sc能降低Al-Si铸造合金的共晶形核温度和生长温度。Si相形貌取决于形核温度和生长温度，即在小过冷度情况下，Si相以小平面化的侧面生长方式生长，而在大过冷度情况下，Si则以非小平面的均匀生长方式生长。所以，往A356合金中加入Sc后，其降低Si相的形核温度及改变Si相的生长方式，进而导致Si相形貌的改变。
2.2 Sc含量对A356合金力学性能的影响
Sc含量对A356合金铸态组织力学性能的影响规律见图5。从图5可以看出，未添加Sc的A356合金，其抗拉强度仅为170. 43 M Pa，屈服强度为84. 82 M Pa，伸长率为4.9%；加入0. 20%的Sc后，合金抗拉强度提高到210. 58 M Pa，提高了23. 7%，屈服强度提高到100. 48 M Pa，提高了18. 5%，伸长率为6.5%，提高了32. 7%。Sc添加量增加到0.30%时，合金抗拉强度降至208. 27 M Pa，屈服强度降至99. 96 M Pa，伸长率降至6. 2%，下降幅度较小。
表3是不同Sc含量时A356合金的硬度，随着Sc含量的增加，A356合金的硬度值逐步增加，在Sc含量为0. 20%时，其硬度(HB)达到最大值67.5，较未加Sc的合金硬度提高了16. 4%。Sc含量继续增加，则合金硬度有轻微下降。
综上所述，未添加Sc的A356合金组织中，初生a-Al晶粒粗大，共晶Si呈针片状，容易产生应力集中，力学性能较差。添加Sc后，在冷却到655℃时发生共晶反应，生成Al3 Sc，而Al3 Sc与a-Al的晶格类型相同，品格参数相近，可作为a-Al晶粒的异质晶核核心，从而细化了a-Al晶粒，且细化后a-Al晶粒轮廓也变得圆整。随着初生a-Al的结晶，剩余液相中Sc富集，随后生成共晶Si时，Sc吸附在共晶Si的生长孪晶槽中，限制了孪晶的择优生长，从而改变了共晶Si的形貌。加入Sc后，A356合金组织中初生a-Al晶粒显著细化，共晶Si形貌由针片状变为短棒状、蠕虫状、点状，其力学性能显著提高。当Sc含量为0．20%时，A356合金的力学性能最优，继续增加Sc含量，Sc跟一些杂质反应，反而造成Sc的变质效果不佳，影响力学性能。
3 结 论
(1)加入Sc变质可以使A356合金中的初生a-Al相细化，二次枝晶间距显著减小，形状由粗大的树枝晶状变为细小分散的等轴晶状和蔷薇状、颗粒状。当Sc含量为0. 20%时，对A356合金的初生a-Al相细化效果最理想。
(2)Sc对A356合金中共晶Si的形态有强烈的变质作用，加入0. 20%的Sc可以使共晶Si由粗大的针片状变为纤维状、蠕虫状、点状。
(3)加入Sc能够大幅度提高A356合金的铸态力学性能，其中加入0. 20%的Sc，A356合金的铸态抗拉强度、屈服强度、伸长率、硬度( HB)分别为210. 58M Pa、100. 48 M Pa、6.5%和67.5，较未添加Sc的合金分别提高了23. 7%、18. 5%、32. 7%和16. 4%。
4摘 要加入0.10%～0. 30%的稀土Sc对A356合金中进行变质处理，以研究稀土Sc对A356合金微观组织和力学性能 的作用。结果表明，加入Sc可以使A356合金微观组织中的初生a相显著细化，由粗大的树枝晶变为细小、无定向的枝晶，并且形态变得圆整，出现了大量的蔷薇状和颗粒状的a相。Se加入量为0.20%时，对a相的细化效果最理想；同时，Sc还使A356合金微观组织中的共晶Si尺寸显著减小，由粗大的针状变为蠕虫状和点状。加入0.20%的Se的A356合金，其铸态下抗拉强度为210. 58 M Pa，屈服强度为100. 48 M Pa，伸长率为6.5%，硬度(HB)为67.5。
