合金元素對ZnAl4壓鑄鋅合金組織和力學(xué)性能的影響*

梁 寅，吳 健▲，薛 濤，古文全，于云峰，郭光平

(1貴州省冶金化工研究所，貴州 貴陽 550002，2貴州科學(xué)院，貴州 貴陽 550001)

壓鑄鋅合金是一類應(yīng)用廣泛的工程材料，與壓鑄鋁合金比較，壓鑄鋅合金熔點較低，模具使用壽命長，壓鑄件的尺寸精度較高并且容易電鍍，隨著壓鑄技術(shù)的發(fā)展及熱室壓鑄機性能的不斷完善，壓鑄鋅合金在汽車、摩托車、五金等工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用，成為鑄造用鋅合金中應(yīng)用最廣、用量最大的一種材料[1]。

傳統(tǒng)壓鑄鋅合金主要指含Al量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在4%左右的Zn-Al系合金，根據(jù)鋅合金國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13818—2009，壓鑄鋅合金主要為ZnAl4Cu1及ZnAl4合金兩大類，其中ZnAl4合金主要針對國內(nèi)制造業(yè)降低鋅合金使用成本的市場需求，在ZnAl4Cu1合金的基礎(chǔ)上，取消貴金屬銅的加入，開發(fā)了不含銅的ZnAl4壓鑄合金，針對該型合金的使用性能，鑄造企業(yè)主要選擇參考美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B86中的相關(guān)技術(shù)要求，而國內(nèi)現(xiàn)有的鋅冶金企業(yè)對ZnAl4合金中微量元素成分對合金顯微組織的影響及壓鑄件基礎(chǔ)力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)還缺少系統(tǒng)性的研究[2]，本文以ZnAl4合金為對象，研究了合金元素Al、Mg含量及混合稀土的添加對ZnAl4合金顯微組織及力學(xué)性能的影響，為生產(chǎn)企業(yè)合理選材提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗材料與方法

表1為實驗合金設(shè)計成分，合金熔煉所用原料為：0號鋅錠，A00鋁錠，工業(yè)純鎂，Al-20%La中間合金。實驗合金采用SG-5 KW自動控溫電阻爐熔煉，熔煉過程中，先將石墨坩堝預(yù)熱至暗紅色，然后按比例加入鋁錠及部分鋅塊，升溫至650 ℃，爐料熔化后加入剩余鋅塊，待鋅塊完全熔化后于680 ℃用鐘罩壓入鎂，充分?jǐn)嚢韬辖鹨翰⒃诎窃螅鶕?jù)實驗合金設(shè)計成分加入Al-20%La中間合金，待其充分溶化，降溫至560 ℃靜置5～10 min后進(jìn)行金屬模澆鑄，得到實驗合金鑄錠，利用熱室壓鑄設(shè)備在相同的壓鑄工藝條件下將實驗合金進(jìn)行壓鑄，制備符合國標(biāo)GB/T 13822—2017技術(shù)要求的壓鑄試樣。

表1 實驗合金設(shè)計成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Design of the compositions of the test alloy(mass fraction，%)

采用ETM-504C型電子試驗機按照國標(biāo)GB/T 228—2002測試壓鑄試樣的室溫力學(xué)拉伸性能，試樣硬度由HB3000型布氏硬度計測定，實驗合金金相試樣分別取至鑄錠以及拉伸試棒切頭，腐蝕劑為含2%HF和4%HNO3的酒精溶液，利用Leica-DMRE 顯微鏡觀察并記錄試驗合金鑄錠及壓鑄件的顯微組織。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

實驗合金鑄錠的顯微組織如圖1所示，1#合金為市售ZnAl4合金代表成分，含Al量在4%左右，屬于亞共晶合金，凝固過程首先析出一次的富鋅固溶體β相，在382 ℃發(fā)生共晶反應(yīng)形成β相與α相組成的層片狀共晶組織，β相在冷卻過程中析出Al，共晶α相在275 ℃發(fā)生共析反應(yīng)形成α與β相[3]，非平衡凝固條件下，1#合金鑄錠組織主要由初生β相枝晶及枝晶間的共晶組織構(gòu)成，如圖1(a)所示，2#合金較1#合金降低了鋁含量，根據(jù)圖1(b)，2#鑄錠組織中β相枝晶的尺寸明顯增大，數(shù)量增多，共晶組織區(qū)域縮小，根據(jù)Zn-Al二元相圖，鋁含量的降低將導(dǎo)致合金液相線溫度升高，這對β相枝晶的生長有促進(jìn)作用，與之相比，如圖1(c)、圖1(d)，降低了鎂含量的3#與4#合金，鑄錠中的共晶組織區(qū)域較1#合金有擴(kuò)大趨勢，β相晶粒顯得彌散且均勻分布，圖1(e)，圖1(f)分別為添加了0.06%、0.12%La的實驗合金鑄錠組織，通過稀土變質(zhì)處理作用，5#、6#合金顯微組織較其他實驗合金得到了顯著細(xì)化，β相轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的等軸晶形態(tài)。

圖1 實驗合金鑄錠顯微組織Fig.1 Microstructures of ingots of the test alloy

圖2為實驗合金壓鑄試樣的顯微組織，可以看出，壓鑄狀態(tài)下，實驗合金仍由β相及共晶反應(yīng)組織構(gòu)成，但與金屬型鑄造狀態(tài)相比，無論是β相還是共晶組織都得到了明顯細(xì)化，由于壓鑄工藝高壓下的快速凝固過程，粗大的β相枝晶析出得到了有效抑制，使其改為彌散、圓鈍的顆粒狀形態(tài)析出，從圖2中還可以看出，不同實驗合金壓鑄試樣的組織特性與鑄錠組織存在相似的變化關(guān)系，包括β相晶粒尺寸、共晶組織區(qū)域的大小等，如2#合金，原始鑄錠組織中較粗大的β析出相在經(jīng)過壓鑄成型后仍顯得較4#、6#合金壓鑄試樣中的β相更為粗大，4#合金壓鑄試樣的共晶組織區(qū)域較1#合金仍有增大，6#合金壓鑄試樣的β晶粒大小仍保持了顯著的細(xì)化，這些實驗現(xiàn)象都表明鑄錠組織與壓鑄組織之間存在一定的遺傳關(guān)系。

圖2 實驗合金壓鑄試樣顯微組織Fig.2 Microstructures of die-casting samples of the test alloy

2.2 力學(xué)性能

表2給出了不同實驗合金壓鑄試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)成分的1#合金抗拉強度為282 MPa，延伸率8.6%，硬度81HB，可以看出鋁元素含量的減少降低了2#合金的綜合力學(xué)性能，合金各項力學(xué)測試指標(biāo)均低于1#合金，而降低了鎂元素含量的3#合金與4#合金，除延伸率外，抗拉強度及硬度指標(biāo)也均低于1#合金，添加了微量稀土元素的5#與6#合金，除延伸率與1#合金基本相當(dāng)外，合金抗拉強度與硬度得到不同程度的提高，說明稀土元素的添加使實驗合金得到了有效的強化。

表2 力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical properties

鋅合金壓鑄試樣的各項力學(xué)性能取決于其顯微組織特性，前已述及，實驗合金壓鑄狀態(tài)下的組織特性與其原始鑄錠組織有關(guān)，這為壓鑄制件性能的調(diào)控與改善提供了一條技術(shù)途徑，即可以通過對原始鑄錠組織進(jìn)行控制進(jìn)一步影響壓鑄制件的各項性能。

由圖1可知，不同合金元素對鋅合金鑄錠組織的影響主要在于β相形貌以及共晶組織區(qū)域的變化。以2#合金為例，較低的鋁含量促使鑄錠組織中白色的β相枝晶加劇生長，組織形態(tài)粗大，熔體流動阻力增大，流動性變差，導(dǎo)致2#合金壓鑄試樣中的β相的尺寸較其他實驗合金顯得更為粗大，鑄造缺陷增多，綜合力學(xué)性能較低；針對鎂含量較低的4#合金，鑄錠中的共晶組織區(qū)域面積較1#合金更大，如圖3所示，這表明鎂含量的降低使鋅合金的流動性能得到了改善，壓鑄過程熔體的充型能力提高，另一方面，鎂對合金的固溶強化效果也被削弱，利用這一特性，國內(nèi)已有生產(chǎn)企業(yè)開始使用鎂含量較低的壓鑄鋅合金，鎂含量在0.01%～0.02%左右，制備的壓鑄件硬度較低而不易發(fā)脆，特別適合用來生產(chǎn)成型效果精細(xì)、表面需要進(jìn)行手工拋光等處理的高檔五金制品[2]。

圖3 實驗合金高倍顯微組織Fig.3 Microstructures of the test alloy

添加了稀土元素的5#和6#合金壓鑄試樣表現(xiàn)出較為理想的綜合力學(xué)性能，稀土La的加入能夠細(xì)化鑄錠中的β相組織，使β樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)化的等軸晶粒(圖1(e)，圖1(f))，同時析出含稀土的金屬間化合物，通過晶粒細(xì)化與稀土相的綜合作用有效強化合金[4]，在6#合金壓鑄試樣中也觀察到了細(xì)化的組織結(jié)構(gòu)(圖2(d))，通過稀土元素來改善鑄錠組織形態(tài)，進(jìn)一步提升壓鑄制品的力學(xué)性能，這是壓鑄鋅合金力學(xué)性能改性的一條有效技術(shù)途徑。

3 結(jié)論

1)鋁、鎂元素對實驗合金鑄錠組織的影響在于β相形貌及共晶組織區(qū)域的變化，不同實驗合金壓鑄試樣的組織特性與鑄錠組織存在相似的變化關(guān)系。

2)在實驗合金成分范圍內(nèi)，減少鋁、鎂元素的添加將影響鋅合金壓鑄試樣的抗拉強度與表面硬度，添加0.06%～0.12%稀土La對提高實驗合金壓鑄試樣綜合力學(xué)性能較為有效。