鑭鈰混合稀土對ZL401組織和性能的影響

合肥工業大學材料科學與工程學院 （安徽 230009） 黃 韋 陳文柯 周運海

ZL401合金通常稱之為含Zn鋁硅合金，其成分為wZn＝9.0% ～13.0%、wSi＝5.0%～8.0%、wMg＝0.1%～0.3%、其余為Al。由于鋅全部溶入α（Al）中，因此鑄態組織和ZL101相同，由α（Al）＋共晶體α（Al）＋Si組成。此類合金鑄造性能中等，縮孔和熱裂傾向較小，有良好的焊接性能和切削加工性能，鑄態下強度高，但塑性低，密度大，耐蝕性較差。主要用作塑料模具﹑型板，某些設備的支架，以及工作溫度不超過200℃、結構形狀復雜的汽車和飛機零件等。由于此合金含硅量高，所以需進行變質處理。經變質處理后，合金中共晶硅組織得到細化，提高了力學性能。目前，變質處理在鋁硅合金方面的研究較為廣泛，而對鋁鋅合金影響的研究很少報道，這方面的研究還處于起步階段。

本文以Al-12%Zn-7%Si-0.2%Mg為研究對象，通過加入含鑭30%、鈰70%的混合稀土，研究其對合金顯微組織和布氏硬度的影響。

1.試驗材料

主要試驗材料為ZL102(wSi＝10.0%～13.0%，余量為鋁)﹑純鋅﹑純鋁﹑純鎂。精煉劑為六氯乙烷，變質劑為30%La＋70%Ce的混合稀土。

2.ZL401合金試樣的制備

一般的加料次序是先加低熔點的鋅﹑Al-Si合金錠，再加熔點較高的鋁錠，待全部熔清后，加入鎂錠，攪拌均勻后，即可進行精煉﹑變質，靜置15～20min后撇渣，再將溫度升至700℃后進行澆注。本試驗分兩組進行，一組為不加變質劑，另一組加入1%的鑭鈰混合稀土。分別切取兩組鑄錠的中部制作試樣，規格為15mm×15mm×20mm磨平拋光后，用0.5%的氫氟酸腐蝕5s左右，用無水乙醇洗凈，再經吹干即可在金相顯微鏡下觀察其顯微組織，并測定布氏硬度。

3.鑭鈰混合稀土對ZL401合金顯微組織的影響

通常情況下，鑄態下ZL401合金的相組成為：α、Si和Mg2Si，當有Fe雜質時，形成β(Al9Fe2Si2)等。圖1所示為鑄態下的ZL401合金顯微組織，其中Si相呈灰色針片狀，Mg2Si相呈黑色骨骼狀，白色為α固溶體；圖2所示為經鑭鈰混合稀土變質后的ZL401合金的顯微組織，共晶Si呈細小顆粒狀，同時在基體中的分布也更為均勻。

有關稀土的變質機理比較復雜，有研究資料表明，稀土的加入減弱了Si-Si﹑Si-Al原子團之間的結合，加強了Al-Al原子團的結合，導致α相首先成核而Si相過冷，共晶結晶時，α相作為領先相先析出并長大，從而限制了共晶硅的生長。也有觀點認為，Ce在鋁合金中固溶度極低，有較大的成分過冷傾向，枝晶生長時Ce被排向側面，阻礙側面生長，當枝晶的凸出部分突破富Ce層進入成分過冷區并長出枝晶分枝時，在分枝處產生“縮頸”。由于“縮頸”處曲率大，熔點低，故容易被熔斷、脫落而卷入液流中，且由于液體內部的溫度起伏，出現枝晶的熔斷增殖，從而起到細化晶粒的效果。

4.鑭鈰混合稀土對ZL401合金布氏硬度的影響

硬度測試試驗在HB3000型布氏硬度機上進行，試驗載荷為2500N，保壓時間為30s，壓頭直徑為5mm。卸載后通過讀數顯微鏡讀出壓痕直徑，計算出布氏硬度HBW值，如附表所示。

從附表可以看出，經鑭鈰混合稀土變質后，合金的布氏硬度提高了5.5%。這是因為經稀土變質后共晶硅得到一定程度的細化。同時晶粒細化，從樹枝晶向等軸晶發展，枝晶逐漸消失，晶粒更加圓整，且分布也更加均勻。隨著晶粒尺寸越來越細小，合金的硬度也越來越高。

不同處理方式試樣的布氏硬度測試結果

5.結語

(1) 在一定量鑭鈰混合稀土變質作用下，ZL401合金的凝固組織得到了細化，細長的共晶硅變成顆粒狀或短桿狀。

(2) 經稀土變質處理后，晶粒得到細化，合金的布氏硬度得到一定程度提高。