RE對ZnAl4合金組織和力學性能的影響

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550002)

鑄造鋅鋁合金具有優良的力學性能和機加工性能，耐磨損，低能耗，無污染，在工程上獲得了廣泛的應用［1］。但該合金也存在不足之處，是所有有色合金中對雜質元素要求最高的一種，即便是采用高純鋅來生產鋅合金，還是易產生比重偏析，性能不穩定，自然時效后力學性能低等。本研究針對以上情況，選擇在不含銅的傳統ZnAl4合金中添加稀土元素，采用變質處理，合理化學成分，改變微觀組織結構，抑制雜質元素有害影響，來獲得晶粒細化、組織致密、力學性能大幅改善的ZnAl4合金。

1 試驗的條件及合金熔配

1.1 試驗條件

本試驗所采用材料為:0#鋅錠、Al－00、1#工業純鎂、混合稀土(含Ce＞70%)、1#鉛錠、光譜純鐵。試驗所用熔煉設備為SG53自動控溫坩堝電阻爐。為避免鋅鋁合金在通常熔煉溫度下與鐵發生反應，本試驗采用石墨坩堝，所用工具亦應涂刷耐火涂料，新坩鍋在使用前應緩慢升溫至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

測溫裝置為EU－2型測溫儀表鎳鉻－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攪拌均勻，扒渣。于650℃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 試驗的結果及分析

2.1 稀土元素對ZnAl4微觀金相組織的影響及分析

圖2(a)為沒有加入稀土元素而只含有鎂變質劑和其他雜質的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(經腐蝕的晶界相變為黑色)。合金初生相晶粒粗大，枝晶發達，等軸晶粒分布不均勻。圖2(b)為加入稀土變質劑的合金鑄態組織，從圖中可以看出，加入變質劑后，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，共晶區增加，晶粒已經明顯變小且分布更加均勻，整個組織得到了優化。圖3(a)(b)為未經變質處理和經過變質處理的合金二次電子相，倍數為100倍，因為選擇的倍數較低，可以觀察較大區域的合金組織形貌，因為觀察的區域更大，從圖中可以更加明顯的看到加入稀土后對合金組織的細化和均勻化的效果。

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

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

合金中因為稀土的加入，與Al形成REAl4化合物，其熔點高于1000℃，在合金于550℃進行澆注時，合金中存在未熔化的REAl4固相顆粒，作為合金結晶的異質晶核，從而起到了細化組織的作用［3］。同時，合金中的部分稀土原子，凝固時分布在粗大晶粒周圍，阻礙了二次枝晶的長大，促使粗大的晶粒轉變為碎塊狀的晶粒，這是稀土細化晶粒的又一個原因［4］。

2.2 稀土元素對ZnAl4力學性能的影響及分析

圖4 Re對壓鑄鋅合金力學性能影響

圖4為稀土含量不同時ZnAl4合金的力學性能，圖4(a)為合金屈服強度隨稀土含量的變化規律，可以看出當稀土含量在0.4%～0.6%時，合金的屈服強度達到最大，含量超過0.6%時，屈服強度反而急劇降低。圖4(b)為合金延伸率隨稀土含量的變化規律，稀土含量在開始添加到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律，從添加稀土開始到稀土含量為1.6%時，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%附近出現了硬度的極大值。從上面的試驗得出，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效果，表1列出經統計整理未變質的ZnA14合金與經過稀土變質處理的ZnA14合金的實驗數據。

表1 ZnAl4合金與變質ZnAl4合金力學性能比較表

從表中可以看出，經變質的ZnAl4合金比未經變質處理的ZnAl4合金的抗拉強度、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的力學性能。未變質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，導致鑄造缺陷的產生［5］。而稀土的加入能改善合金力學性能，其原因就在于稀土化學性質活潑，與氧、硫等雜質元素有較強的結合力，抑制了這些雜質元素引起的組織疏松，同時在熔煉過程中，稀土元素能與水氣和合金中的氫氣反應，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，提高了鑄件的質量，減少拉伸過程中裂紋源的產生［6］，從而改善了合金的力學性能。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會引起電子雜化，增加原子間的結合力。同時，稀土的加入還細化了晶粒，形成細小的硬質相，增加了合金的位錯密度，使基體的軟硬相分布更加均勻［7］，在受拉時不易產生應力集中，增大了合金的抗拉強度，改善了合金的力學性能。

3 結論

①變質劑稀土的加入，能細化晶粒，優化組織結構，改善邊界雜質形態，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元素的影響。

②適量的稀土能提高合金的力學性能，研究表明稀土加入量為0.5%時，經稀土變質的ZnAl4合金比未變質的傳統ZnA14合金的抗拉強度、硬度提高10%以上，延伸率略有提高。

［1］高存貞、楊滌心等，高鋁鋅合金研究現狀及進展［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ZA43合金組織、力學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］.《物理測試》，1994(5):8－9.

［5］楊滌心、高存貞、等，La對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性能和耐磨性［J］.湖南大學學報，1995，22(1):99－101.