通过Sr–Ca复合改性及旋转磁场处理，优化Al–Si–Mg铸造合金的凝固结构与性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Optimizing the solidification structure and performance of Al–Si–Mg cast alloys subjected to combined Sr–Ca modification and rotating magnetic fields

Al-Si-Mg合金通过Sr-Ca复合变质和永磁搅拌调控凝固组织，有效细化α-Al晶粒、改善硅相形态并抑制金属间化合物，显著提升显微硬度和机械性能。

　　

邹静|张海涛|庄宇|吴志斌|郭成|长海美

高性能金属结构材料研究所，苏州大学，江苏苏州，215021，中国

摘要

高效的微观结构调控策略对于优化亚共晶Al–Si–Mg铸造合金的机械性能具有重要意义。本文提出了一种新的工艺，用于含有Sr和Ca的亚共晶Al–Si–Mg铸造合金中的共晶Si改性。这种双元素复合改性方法成功地将共晶Si的形态从粗大的针状/片状转变为更细小的纤维状/球状结构，显著提高了合金系统的机械性能。此外，还使用了一种自制的永磁搅拌（PMS）系统对这一凝固过程进行了进一步研究，系统地探讨了永磁体产生的旋转磁场（RMFs）在细化初级α–Al树枝晶、抑制共晶Si聚集以及控制Al–Si–Mg铸造合金中金属间化合物（IMCs）的形成和分布方面的作用。结果表明，适当调整RMFs可以形成最佳的凝固结构，包括均匀细化的初级α–Al树枝晶、均匀分布的共晶Si以及适量的金属间化合物等，这些因素共同促进了合金微硬度的提高。这项工作为合金材料的强化策略及其背后的强化机制提供了更深入的理解，对汽车相关行业具有非常重要的价值。

引言

亚共晶Al–Si–Mg铸造合金因其优异的性能而广泛应用于汽车相关行业，如低密度、良好的铸造性、优异的加工性和焊接性、强耐腐蚀性以及适合压铸设计等[1]、[2]、[3]、[4]。然而，这些合金通常含有大量的粗大α–Al树枝晶、针状或片状的共晶Si相、脆性的含Fe金属间化合物（Fe–IMCs）以及严重的凝固缺陷等，这些都对合金的机械性能和后续加工产生了负面影响[5]、[6]、[7]。因此，为了优化铸造工业中亚共晶Al–Si–Mg铸造合金的凝固过程，迫切需要新的方法来克服这些不利影响。

众所周知，共晶Si的尺寸、形态和分布对Al–Si合金的机械性能有显著影响[8]、[9]。大量研究表明，用Na、Mg、Sr、Ca或稀土（RE）等元素对合金熔体进行化学改性，可以促进共晶Si的形态从粗大的针状/片状转变为更细小的纤维状/球状结构，从而显著提高合金的机械性能[10]、[11]、[12]。目前，Sr是最常用的合金改性元素之一，其对亚共晶Al–Si合金中共晶Si的影响已得到广泛研究[13]、[14]。据报道，添加约0.005–0.06 wt.%的Sr就足以实现共晶Si的完全改性[15]、[16]、[17]、[18]。然而，添加Sr后这些合金会出现严重的气体微孔问题[19]。通常情况下，随着Sr含量的增加和熔体冷却速率的降低，合金的气体微孔会增多。此外，溶解的Sr元素极易氧化，这使得控制适当的Sr含量以获得更好的改性效果变得非常困难[20]。与Sr相比，Ca在缓慢冷却条件下的改性效果较差，但在高冷却速率下也可以实现完全改性的Si结构[21]。此外，在合金体系中引入适量的Ca不仅可以减少气体微孔，还可以提高Sr的改性效率[20]、[21]。迄今为止，关于Sr和Ca对亚共晶Al–Si–Mg铸造合金中共晶Si的协同效应的研究还很少。

晶粒细化通常会导致更均匀的晶粒结构和第二相分布、减少缩孔和气体微孔、提高机械性能，甚至增强耐腐蚀性[22]。电磁处理（EPM）可以通过细化晶粒、减少凝固缺陷和消除溶质偏析来有效改善合金的机械性能和后续加工[23]、[24]、[25]。多年来，已经开发了许多技术，如电磁振动（EMV）、电流脉冲（ECP）、电磁搅拌（EMS）等，用于生产具有良好晶粒结构和优异机械性能的铸件[26]、[27]、[28]。其中，永磁搅拌（PMS）因其低成本和在金属铸造过程中的出色性能而受到特别关注[29]、[30]。到目前为止，由永磁体产生的旋转磁场（RMF）也被认为是一种有前景的技术，可以克服与铸造过程相关的多个问题，包括高孔隙率、粗大不均匀的晶粒结构以及针孔和气孔的形成[31]、[32]。然而，RMF对亚共晶Al–Si–Mg铸造合金中金属间化合物（IMCs）的尺寸、形态、数量和分布的影响仍不清楚。

因此，本文旨在进一步研究Sr和Ca对亚共晶Al–Si–Mg铸造合金中共晶Si的协同效应，并系统分析在Sr–Ca复合改性和RMFs共同作用下的Al–Si–Mg铸造合金的凝固行为。此外，还系统评估了永磁体诱导的新型RMFs在克服铸造问题（如促进晶粒细化、抑制共晶Si聚集和控制IMCs的形成与分布）以及提高合金系统机械性能方面的作用。

材料

材料

作为起始材料，我们研究中使用的Al–Si–Mg合金由纯金属Al、Mg、Cu和Zn（纯度均为99.99 wt%）以及Al–20Si、Al–20Fe、Al–10Mn、Al–10Ti和Al–10Zr（除非另有说明，否则均为重量百分比）母合金制成。Al–Si–Mg合金的实际化学成分在表1中列出。

实验装置

图1展示了本研究中使用的PMS装置的示意图。RMFs由总共3对NdFeB永磁体产生

联合添加Sr和Ca

为了研究Sr和Ca联合添加对Al–Si–Mg合金中共晶Si的协同效应，进行了一系列改性实验。图3展示了不同Sr和Ca含量下Al–Si–Mg铸造合金中共晶Si的显微图。可以看出，在未经改性的合金中存在大量随机分布的细长针状和粗大的片状共晶Si（图3(a1–a3)）。当仅添加0.058 wt.%的Sr而不添加Ca时，共晶Si的形态

结论

总结如下：

(1) Sr和Ca的联合添加有效影响了共晶Si的形态和尺寸，显著提高了亚共晶Al–Si–Mg铸造合金的内部质量。通过联合添加0.036 wt.%的Sr和0.017 wt.%的Ca，可以获得最佳的共晶Si结构和更优的内部质量。

(2) RMFs对α–Al树枝晶的晶粒尺寸和形态有显著影响

作者贡献声明

邹静：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，项目管理，调查，数据分析。张海涛：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源获取，概念构思。庄宇：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论，调查。吴志斌：撰写 – 审稿与编辑，方法论，调查。郭成：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，调查。长海美：

利益冲突声明

无。

致谢

作者衷心感谢苏州市科技计划（编号SYG202324）、山东省重点研发项目（编号2021SFGC1001和2024TSGC0571）以及国家自然科学基金（编号52304369）的支持。