RE對(duì)ZnAl4合金組織和力學(xué)性能的影響

古文全，吳澤宏，于云峰，耿家銳

(貴州省冶金化工研究所，貴州貴陽(yáng)550002)

鑄造鋅鋁合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能和機(jī)加工性能，耐磨損，低能耗，無(wú)污染，在工程上獲得了廣泛的應(yīng)用［1］。但該合金也存在不足之處，是所有有色合金中對(duì)雜質(zhì)元素要求最高的一種，即便是采用高純鋅來(lái)生產(chǎn)鋅合金，還是易產(chǎn)生比重偏析，性能不穩(wěn)定，自然時(shí)效后力學(xué)性能低等。本研究針對(duì)以上情況，選擇在不含銅的傳統(tǒng)ZnAl4合金中添加稀土元素，采用變質(zhì)處理，合理化學(xué)成分，改變微觀組織結(jié)構(gòu)，抑制雜質(zhì)元素有害影響，來(lái)獲得晶粒細(xì)化、組織致密、力學(xué)性能大幅改善的ZnAl4合金。

1 試驗(yàn)的條件及合金熔配

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)所采用材料為:0#鋅錠、Al－00、1#工業(yè)純鎂、混合稀土(含Ce＞70%)、1#鉛錠、光譜純鐵。試驗(yàn)所用熔煉設(shè)備為SG53自動(dòng)控溫坩堝電阻爐。為避免鋅鋁合金在通常熔煉溫度下與鐵發(fā)生反應(yīng)，本試驗(yàn)采用石墨坩堝，所用工具亦應(yīng)涂刷耐火涂料，新坩鍋在使用前應(yīng)緩慢升溫至700℃培燒。拉伸試樣采用金屬型模具直接鑄成，一組二根，硬度試樣為Φ16×10mm，金相試樣取至抗拉試樣切頭。

1.2 合金的熔配

測(cè)溫裝置為EU－2型測(cè)溫儀表鎳鉻－鎳硅熱電偶。加料工藝為:先加入部分鋅、鋁、再加入鋅，待全部熔化后用鐘罩壓入鎂、稀土，最后加入回爐料降溫。合金在電阻爐中充分?jǐn)嚢杈鶆?，扒渣。?50℃保溫靜置10～15分鐘后澆注，澆注溫度在550℃左右，符合要求即可進(jìn)行澆鑄。工藝流程圖如圖1所示:

圖1 合金工藝流程圖

2 試驗(yàn)的結(jié)果及分析

2.1 稀土元素對(duì)ZnAl4微觀金相組織的影響及分析

圖2(a)為沒(méi)有加入稀土元素而只含有鎂變質(zhì)劑和其他雜質(zhì)的ZnAl4鑄造鋅合金，從金相組織照片中可以看出，合金主要由等軸的β相與β+α相的共晶組織組成［2］，再分別加上易腐蝕的晶界相(經(jīng)腐蝕的晶界相變?yōu)楹谏?。合金初生相晶粒粗大，枝晶發(fā)達(dá)，等軸晶粒分布不均勻。圖2(b)為加入稀土變質(zhì)劑的合金鑄態(tài)組織，從圖中可以看出，加入變質(zhì)劑后，合金組織仍為由等軸的β相與β+α相的共晶組織，但合金的等軸相變小且分布趨向均勻，共晶區(qū)增加，晶粒已經(jīng)明顯變小且分布更加均勻，整個(gè)組織得到了優(yōu)化。圖3(a)(b)為未經(jīng)變質(zhì)處理和經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理的合金二次電子相，倍數(shù)為100倍，因?yàn)檫x擇的倍數(shù)較低，可以觀察較大區(qū)域的合金組織形貌，因?yàn)橛^察的區(qū)域更大，從圖中可以更加明顯的看到加入稀土后對(duì)合金組織的細(xì)化和均勻化的效果。

圖2 (a)ZnAl4合金鑄態(tài)金相組織 (b)變質(zhì)ZnAl4合金鑄態(tài)金相組織

圖3 (a)ZnAl4合金的二次電子相 (b)變質(zhì)ZnAl4合金的二次電子相

合金中因?yàn)橄⊥恋募尤?，與Al形成REAl4化合物，其熔點(diǎn)高于1000℃，在合金于550℃進(jìn)行澆注時(shí)，合金中存在未熔化的REAl4固相顆粒，作為合金結(jié)晶的異質(zhì)晶核，從而起到了細(xì)化組織的作用［3］。同時(shí)，合金中的部分稀土原子，凝固時(shí)分布在粗大晶粒周?chē)?，阻礙了二次枝晶的長(zhǎng)大，促使粗大的晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)樗閴K狀的晶粒，這是稀土細(xì)化晶粒的又一個(gè)原因［4］。

2.2 稀土元素對(duì)ZnAl4力學(xué)性能的影響及分析

圖4 Re對(duì)壓鑄鋅合金力學(xué)性能影響

圖4為稀土含量不同時(shí)ZnAl4合金的力學(xué)性能，圖4(a)為合金屈服強(qiáng)度隨稀土含量的變化規(guī)律，可以看出當(dāng)稀土含量在0.4%～0.6%時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度達(dá)到最大，含量超過(guò)0.6%時(shí)，屈服強(qiáng)度反而急劇降低。圖4(b)為合金延伸率隨稀土含量的變化規(guī)律，稀土含量在開(kāi)始添加到1.5%之前，合金的延伸率變化幅度不大，在1.2%到1.5%之間。圖4(c)為合金硬度隨稀土含量的變化規(guī)律，從添加稀土開(kāi)始到稀土含量為1.6%時(shí)，合金的硬度在85到110之間變化，稀土含量為0.4%，0.6%，1%及1.5%附近出現(xiàn)了硬度的極大值。從上面的試驗(yàn)得出，為了使合金具有良好的綜合性能，宜控制合金的稀土添加量為0.5%，為了更好的比較稀土的變質(zhì)效果，表1列出經(jīng)統(tǒng)計(jì)整理未變質(zhì)的ZnA14合金與經(jīng)過(guò)稀土變質(zhì)處理的ZnA14合金的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 ZnAl4合金與變質(zhì)ZnAl4合金力學(xué)性能比較表

從表中可以看出，經(jīng)變質(zhì)的ZnAl4合金比未經(jīng)變質(zhì)處理的ZnAl4合金的抗拉強(qiáng)度、硬度提高10%以上，延伸率也有所提高。

綜上，稀土的加入改善了ZnAl4的力學(xué)性能。未變質(zhì)的鋁鋅合金具有典型的縮孔縮松等缺陷，造成缺陷的原因一是合金中含有少量雜質(zhì)元素，二是鋅鋁合金典型的糊狀凝固特性和初生富Al相由于其密度小于母液合金造成成分偏析，導(dǎo)致鑄造缺陷的產(chǎn)生［5］。而稀土的加入能改善合金力學(xué)性能，其原因就在于稀土化學(xué)性質(zhì)活潑，與氧、硫等雜質(zhì)元素有較強(qiáng)的結(jié)合力，抑制了這些雜質(zhì)元素引起的組織疏松，同時(shí)在熔煉過(guò)程中，稀土元素能與水氣和合金中的氫氣反應(yīng)，生成稀土氧化物和稀土氫化物，以除去水氣和氫氣，減少氣孔、針孔等鑄造缺陷，提高了鑄件的質(zhì)量，減少拉伸過(guò)程中裂紋源的產(chǎn)生［6］，從而改善了合金的力學(xué)性能。此外，由于稀土原子外層電子極不飽和，在合金中加入適量的稀土?xí)痣娮与s化，增加原子間的結(jié)合力。同時(shí)，稀土的加入還細(xì)化了晶粒，形成細(xì)小的硬質(zhì)相，增加了合金的位錯(cuò)密度，使基體的軟硬相分布更加均勻［7］，在受拉時(shí)不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，增大了合金的抗拉強(qiáng)度，改善了合金的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

①變質(zhì)劑稀土的加入，能細(xì)化晶粒，優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)，改善邊界雜質(zhì)形態(tài)，顯著改變壓鑄鋅合金的金相組織特征，有效抑制了有害雜質(zhì)元素的影響。

②適量的稀土能提高合金的力學(xué)性能，研究表明稀土加入量為0.5%時(shí)，經(jīng)稀土變質(zhì)的ZnAl4合金比未變質(zhì)的傳統(tǒng)ZnA14合金的抗拉強(qiáng)度、硬度提高10%以上，延伸率略有提高。

［1］高存貞、楊滌心等，高鋁鋅合金研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］，《熱加工工藝》2010，39(7):23－26.

［2］HEROD S.Al－Zn base alloys with dual－phase microstructure［J］.《Journal of Material Science》，1985，20:671－677.

［3］李祥、薛濤等，RE對(duì)ZA43合金組織、力學(xué)性能及抗磨性的影響［J］，《特種鑄造及有色合金》，2007，27(5):401－403.

［4］劉杰、劉智勇，等.高鋁鋅合金微量元素合金化的組織和性能［J］.《物理測(cè)試》，1994(5):8－9.

［5］楊滌心、高存貞、等，La對(duì)高鋁鋅合金組織和性能的影響，《鑄造》，2010，59(12):1341－1344.

［6］Raymond F Decker.The Renaissance in magnesium［J］.Advanced Materials＆Processes，1998，(3):31－33.

［7］舒震.提高高鋁鋅合金的力學(xué)性能和耐磨性［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，22(1):99－101.