稀土對鑄造鋅合金微觀組織及力學性能的影響

李海龍，翟永周，郭偉朋，周燕祥

(河南豫光鋅業有限公司，河南 濟源 459000)

鑄造鋅合金具有優良的力學性能和機加工性能，在機械行業獲得了廣泛應用[1]。研究表明，在鑄造鋅合金中加入適量的變質劑，如鈦、稀土元素等可以有效提高合金的抗晶間腐蝕能力，抑制老化現象[2-4]。在鑄造鋅合金中添加稀土進行變質處理，可以起到細晶強化的作用，極大地提高合金力學性能和改善耐腐蝕性[5-6]。此外，稀土可以起到除氣、精煉的作用，使生產過程中省去除氣、精煉等過程，達到節能又不污染環境的效果。

本實驗在鑄造鋅合金中加入不同含量的鑭鈰混合稀土，通過電感耦合等離子發射光譜儀(ICP)來測試合金成分，探討稀土對鑄造鋅合金微觀組織及力學性能的影響，以期獲得性能良好、適應范圍更廣的新型鑄造鋅合金，同時為鑄造鋅合金中添加稀土提供參考依據。

1 實驗

1.1 實驗設備及原材料

實驗設備有，井式坩堝電阻爐、高純度石墨坩堝、石墨攪拌棒、電感耦合等離子發射光譜儀(ICP)、金相顯微鏡、拉伸試驗機。原材料為，豫光0#鋅、99.7鋁、99.6鎂、鑭鈰混合稀土、精煉劑-氯化銨。

1.2 實驗過程

實驗采用井式坩堝電阻爐制備Zn-4.1%Al-0.045%Mg-xRE合金，合金成如表1所示。首先爐子加熱至200℃，將石墨坩堝放入爐內，保溫15min，取出坩堝，在坩堝內壁涂抹一層滑石粉，之后放入爐內，溫度加熱至550℃，將一定量的鋅錠放入坩堝；待鋅錠熔化后，將一定量的鋁加入坩堝，保溫25min(攪拌輔助熔化)，熔化后加入鎂塊，切勿使鎂漂于熔液上方，隨后加入氯化銨造渣，將溫度升到570℃～580℃，保溫30min。溫度升高到設定溫度后，將稀土放入石墨鐘罩，放進熔液，充分熔化后均勻攪拌，保溫10min，加入氯化銨造渣之后，斷電停止加熱，扒渣并測溫。當溫度降至500℃～520℃即進行澆鑄，模具提前預熱至50℃～60℃，每種成分進行ICP化驗(用車床將試樣車20g左右樣絲)，將澆鑄好的試樣機加工，進行金相以及力學性能測試，通過比較其綜合性能，確定一種最優的稀土添加量。

表1 合金成分(WB/%)

2 實驗結果及分析

2.1 稀土含量對鑄造鋅合金微觀組織的影響

圖1為未添加稀土與加入不同含量稀土的微觀組織。由圖1(a)可見，未加稀土的組織主要由富鋅β相及α基體構成，晶粒粗大，且有較多梅花狀的枝晶存在。當加入0.15%的混合稀土后，β相晶粒開始出現熔斷破碎，晶粒變小的現象。圖1(b)中晶界周圍的亮色斑點為稀土與金屬形成的化合物。隨著稀土加入量的增加，等軸晶在整個界面上分布更加均勻，且晶粒細化效果更加明顯，稀土在合金中以稀土金屬間化合物的形式存在彌散分布于晶界、亞晶界、晶粒間的共晶組織，分布更加均勻，如圖1(c)、(d)所示。當稀土加入量達到0.30%時，合金并沒有產生進一步的細化，如圖1(e)所示。圖1(f)為稀土金屬間化合物在合金中的存在形式，晶界周圍的白色顆粒即為稀土金屬間化合物團簇。

(a)未加稀土的微觀組織；(b)含0.15%稀土的微觀組織；(c)含稀土0.20%的微觀組織；(d)含稀土0.25%的微觀組織；(e)含稀土0.30%的微觀組織；(f)稀土金屬間化合物團簇圖1 不同稀土含量的微觀組織Fig.1 Microstructure of the different rare content

2.2 稀土含量對鑄造鋅合金力學性能的影響

試驗時每種成分制備2組試樣，取2組的平均值，作為該成分的抗拉強度值。圖2為不同稀土含量的拉伸曲線，從拉伸曲線可以看出，未加稀土的合金在拉伸過程屈服臺階不明顯(如拉伸曲線1和2)，為脆性斷裂，韌性較差；加入稀土后，出現了平緩的屈服臺階，說明韌性有所增加。由圖3可知，稀土含量為0～0.20%時，抗拉強度隨稀土含量的增加而增加；稀土含量為0.20%～0.25%，抗拉強度隨稀土含量增加基本上沒有變化；稀土含量超過0.25%，抗拉強度隨著稀土含量增加而降低；稀土含量為0.20%時抗拉強度達到了最大值276MPa，與未加稀土的合金250MPa相比，提高10%以上。同時進行了沖擊試驗，如圖4所示。

圖2 不同稀土含量的拉伸曲線Fig.2 Tensile curves of different rare earth contents

圖3 不同稀土含量對應的抗拉強度Fig.3 Tensile strength of different rare content

圖4 不同稀土含量對應的沖擊韌性Fig.4 Impact toughness of different rare content

隨著稀土含量的增加，沖擊韌性呈先增大后減小的趨勢(同抗拉強度變化趨勢基本一致)，其中當稀土含量達到0.20%時出現最大值114.19 kJ/m2，比未加稀土的提高3倍；當稀土含量超過0.25%時，其沖擊韌性逐漸下降。

結合圖1可知，稀土可以細化晶粒，但當稀土添加量過高時，稀土金屬間化合物會出現團簇現象(如圖1(f)所示)。當受到拉伸及沖擊時，這些團簇將成為裂紋源，打斷了組織間的連續性，在此處極易發生脆斷；當受到擠壓時，這些團簇將會成為應力集中點，成為阻止位錯運動的障礙物，極大地降低了其塑性變形的能力，發生斷裂。

3 結論

(1)稀土在鑄造鋅合金中可以起到細化晶粒的作用；當稀土含量超過0.25%時，隨著稀土含量增加，晶粒大小基本沒有變化，而且在晶界處會出現稀土金屬間化合物團簇現象；

(2)抗拉強度及沖擊韌性隨著稀土含量的增加呈先增強后減弱的變化趨勢；稀土含量為0.20%時，其抗拉強度達到了最大值276MPa，與未加稀土相比提高10%以上；沖擊韌性為114.19 kJ/m2，與未加稀土相比提高3倍；稀土含量超過0.20%，抗拉強度及沖擊韌性開始減弱。