稀土在鋅鋁鑄造合金中的作用

邊明勇

（新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

鋅鋁合金一般分為含鋁8%的ZA-8、含鋁12%的ZA-12和含鋁27%的ZA-27三種鑄造方式，其具有成本低、能耗低、無污染、性能優(yōu)良、鑄造性能耗等有點(diǎn)，是現(xiàn)代工業(yè)合金運(yùn)用最為廣泛的材料之一，在汽車零件制作、拖拉機(jī)零件以及模具、工藝裝飾品之中的運(yùn)用最為廣泛，可替代某些銅合金、鋁合金的鑄件等。

含鋁8%、12%和27%的三種鑄造鋅鋁合金(即(ZA-8，ZA-12和ZA-27)具有機(jī)械性能優(yōu)良、成本低、能耗少、無污染和鑄造性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種有前途的工程材料，可代替部分銅合金、鋁合金和鑄鐵等。此類合金可用來制造減摩耐磨零件、汽車及拖拉機(jī)配件、模具、裝飾工藝品及各種結(jié)構(gòu)件。在鋅鋁合金鑄造過程中運(yùn)用稀土元素，將有效提高其工藝性能，提高其經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文深入研究了稀土對(duì)ZA-8、ZA-12、0ZA-27的組織及性能影響，并結(jié)合相關(guān)研究，從工藝性能、顯微組織、力學(xué)性能、摩擦磨損性能、抗腐蝕性能、減震性能以及尺寸穩(wěn)定性等方面進(jìn)行綜合分析。

1 稀土對(duì)鋅鋁合金鑄造

工藝性能的影響。

1.1 底縮

鋅鋁合金的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在凝固過程中鑄件底部出現(xiàn)縮孔和縮松，稱為地面縮松，特別是在大壁厚的ZA-27合金殼體中。微量元素Na、Li、K、Ca、Be、Sr的加入，在周期體系中，堿收縮可以減小或消除。在ZA-12和ZA-27中加入0.1%的混合稀土（Re）并不能消除地面收縮，但加入0.5～2.0%的稀土后，隨著試棒下表面縮松程度和縮松深度的增加，上表面和下表面之間的鋁含量降低，試驗(yàn)表明：只要稀土含量足夠高，ZA-27的地面收縮和比重偏析傾向是可以控制的。

1.2 流動(dòng)性

在鋅鋁合金鑄造過程中添加0.1%稀土?xí)r，ZA-12和ZA-27合金的流動(dòng)性降低，添加0.5%～2.0%稀土?xí)r流動(dòng)性增加。從這兩個(gè)結(jié)果可以看出，稀土對(duì)鋅鋁合金流動(dòng)性的影響很難確定，因此稀土對(duì)鋅鋁合金流動(dòng)性的影響還有待進(jìn)一步研究[1]。

1.3 線收縮和熱裂

當(dāng)稀土含量小于2.0%時(shí)，對(duì)ZA-27合金的線性收縮沒有影響。1%Re增加了ZA-12和ZA-27合金的熱裂傾向。隨著稀土含量的增加，ZA-27合金的抗熱裂性能提高。稀土對(duì)鋅鋁合金熱裂紋的影響有待進(jìn)一步研究。

1.4 稀土吸收率及其變質(zhì)衰退特性

在ZA-27合金中加入小于0.15%的Ce后，發(fā)現(xiàn)稀土元素的吸收率約為50%。改性劑的接觸時(shí)間短（約10min），經(jīng)過四次熔融試驗(yàn)，晶粒尺寸僅增加約6%，完全說明改性劑具有長期的效果。

2 稀土對(duì)鋅鋁合金顯微組織的影響

2.1 變質(zhì)細(xì)化作用

隨著稀土添加量的增加，ZA-27合金初生相和二次枝晶晶粒尺寸逐漸減小，可接受范圍在30%以上。這一現(xiàn)象表明稀土能自然細(xì)化晶粒。在ZA-27合金中加入稀土的效果相似，此外，稀土Re可以提高ZA-27合金的硬度。當(dāng)稀土含量為0.04%～0.16%時(shí)，一次相變的二次枝晶變小，合金中鋁基固溶體相趨于減少，一次相A中稀土的平衡系數(shù)K小于1。在凝固過程中，稀土在結(jié)晶前沿產(chǎn)生大量溶解富集，促進(jìn)了枝晶的裝飾，有利于枝晶的熔解和K角的傳播。稀有化合物主要分布在晶界而非晶粒中，改性后的顯微組織由細(xì)小的枝晶和細(xì)小的碎裂晶粒組成，而非平衡晶粒。因此，細(xì)晶和次生枝晶的細(xì)化可以用枝晶解離和次生小體的阻塞來描述[2]。從合金遺傳的角度，有人認(rèn)為是由于外來核的作用引起的細(xì)化和變質(zhì)。稀土常以鋁稀土中間合金的形式加入，鋅鋁合金液中確實(shí)存在熔點(diǎn)高于熔點(diǎn)的LaAi；這是一個(gè)新的連接。如果（001）REAL4//(001)α或（100)REAL4//(001)α，在（001）界面上新相與舊相的原子距離相差僅為8-9%，說明這些化合物可以作為初生晶體的晶核。細(xì)化變質(zhì)作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

2.2 稀土存在的形式

在鋅鋁合金中加入少量混合金屬，合金中不存在稀有鍵。對(duì)ZA-27合金殼層組織的顯微分析表明，殼層的表面分布基本均勻。當(dāng)稀土含量較大時(shí)，結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)稀土化合物。稀土連接的形式為塊狀，規(guī)則塊狀占多數(shù)（如六邊形、正方形等），其形狀系數(shù)約為1，分布于原生變化區(qū)，即中性區(qū)。如果稀土量過大（如1.64%），稀土的分子式為ZA-27合金La，F(xiàn)e；Re的化合物分子式為（La、Fe）Al4Zn8和（Re、Fe）Al4Zn8。在ZA-12合金中加入Re的時(shí)候，其化合分子式為（Re、Cu、Fe）Al4Zn5，經(jīng)分析，可以確定存在以金屬間化合物為基礎(chǔ)的固體形式的稀有化合物。

2.3 與鐵、鉛的交互作用

在含涂層劑的ZA-8和ZA-12合金中加入0.5%Re，可使鉛含量降低到標(biāo)準(zhǔn)值，分布更為均勻。如果稀有化合物的添加量較大（如0.1%），稀有鐵化合物中的鐵含量通常為1.0%～1.7%，遠(yuǎn)高于合金中的平均鐵含量。由于鋅鋁合金對(duì)鐵非常敏感，由于熔煉操作不當(dāng)，容易形成針狀的鐵鋁合金。因此，這對(duì)合金的強(qiáng)度非常不利。稀有化合物可以降低Feh13相的可能性；稀有化合物的形狀系數(shù)約為1，對(duì)塑性和韌性的影響也相對(duì)減小[3]。

3 稀土對(duì)鋅鋁合金

3.1 強(qiáng)度與硬度

在鋅鋁合金中加入稀土有利于提高其強(qiáng)度和硬度，無論是對(duì)ZA-8、ZA-12和ZA-27合金，還是對(duì)金屬或砂型合金，添加稀土都有利于提高其強(qiáng)度和硬度，La或Ce可使鑄件強(qiáng)度提高10mpa～50mpa，硬度提高10%，強(qiáng)度和硬度的提高是顯微組織精加工和稀土硬度提高的結(jié)果。噴入一定量的yzo3顆粒可提高20%；CEO噴涂：顆粒也能使硬度提高N%。

3.2 高溫力學(xué)性能

鋅鋁合金的耐高溫性能較差，嚴(yán)重影響了其應(yīng)用范圍。如何提高這種性能是鋅鋁合金的研究熱點(diǎn)。將yzo3和稀土顆粒噴入ZA-12合金中，結(jié)果表明，YZO3顆粒的形成率為6.33%；在機(jī)械加工試驗(yàn)臺(tái)的條件下，添加A12O3顆粒可使AB值提高16.89%。更重要的是，在Zn-Al合金中注入Re，可以明顯提高合金的高溫蠕變性能。特別是在較低的恒載荷（51mpa）下，金的高溫蠕變斷裂時(shí)間增加了1.5倍，平均蠕變速度降低了30%[4]。

4 稀土對(duì)鋅鋁合金其它性能的影響

4.1 摩擦磨損性能

與ZQSn6-6-3等青銅件相比，鋅鋁合金耐磨件具有很大的優(yōu)勢(shì)。稀土的加入提高了ZA-27合金的自潤滑性能。低速潤滑使含稀土的ZA-27合金的耐磨性明顯高于不含稀土和ZQSn6-6-3的ZA-27合金，摩擦系數(shù)和摩擦力矩也有所降低。5%Re比不含Re的ZA-27合金低40%～8%，添加0.5%Re可使ZA-8和ZA-12合金的磨損率分別降低16%。摩擦力矩和摩擦系數(shù)降低8%。含稀土的Zn-Al合金摩擦磨損性能的改善主要是由于合金組織的細(xì)化和稀土硬點(diǎn)的存在。

4.2 抗蝕性能

鋅鋁合金在pH＜6.0或pH＞11.5的水溶液中腐蝕速率較高，結(jié)果表明：0.06%Re可使ZA-27合金在2%NaOH溶液中的腐蝕速率降低39%，在3%NaCl溶液中的腐蝕速率降低40%，在2%HCl溶液中的腐蝕速率降低15%。結(jié)果表明，0.06%稀土使ZA-27合金的腐蝕量、晶間腐蝕深度和硬度分別提高了32%和45%。在94c中加入24%的稀土可以減少蒸汽環(huán)境，對(duì)于95℃下的ZA-8和ZA-12合金，加入5%稀土的水蒸氣濕度可以提高其耐晶間腐蝕性能[5]。其次，ZA-27合金的耐蝕性只有當(dāng)La或Re含量大于0，15%時(shí)才能提高，總之，一定量的稀土能提高鋅鋁合金在中性或堿性溶液和水蒸氣中的耐蝕性，但對(duì)酸性溶液中使用的鋅鋁合金零件極為不利。

4.3 減振性能

鑄態(tài)ZA-27合金在頻率5～幾百Hz、溫度40℃～80℃的條件下具有良好的減振性能，用共振法研究了稀土裝飾對(duì)ZA-27合金減振性能的影響。本文認(rèn)為鋅合金的還原是一種動(dòng)態(tài)滯后機(jī)制，相交叉點(diǎn)和晶界對(duì)鋅的還原起著重要作用[6]。

4.4 尺寸穩(wěn)定性能

ZA-27和ZA-27+0.06%Re的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，在0.6%Re后，ZA-27+0.06%的添加量優(yōu)于ZA-27+0.06%，而在無需再指示的情況下，Re比ZA-27合金低20小時(shí)27%，Re能提高ZA-27合金的尺寸穩(wěn)定性。認(rèn)為稀土對(duì)Cu的抑制作用減弱，而飽和Q相在室溫下作為鑄造組織而降低。

5 總結(jié)

以上討論表明，稀土在鋅鋁鴿鑄造合金中作用的研究才剛剛起步。由于數(shù)據(jù)比較零散，在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些困難。即使是在室溫下的力學(xué)性能、摩擦磨損性能等方面的研究。

對(duì)于Zn-Al合金的顯微組織，應(yīng)重視稀土的細(xì)化和變質(zhì)以及稀土與有害雜質(zhì)的相互作用。通過鋅鋁鑄造合金的顯微組織研究稀土的細(xì)化變質(zhì)規(guī)律，找出合適的拉拔方法和最佳添加量。同時(shí)可以與秦結(jié)合，如果稀土能消除鐵、鉛、錫等有害雜質(zhì)的有害影響，無疑將改善鋅鋁合金的性能，放寬污染限制，選擇更便宜的鋁塊和鋅塊，降低生產(chǎn)成本。此外，研究稀土對(duì)Zn-Al合金在不同時(shí)效過程中組織轉(zhuǎn)變的影響，對(duì)于制定合理的熱處理制度具有重要意義。

在室溫力學(xué)性能方面，應(yīng)重點(diǎn)研究微量稀土對(duì)鋅鋁合金塑性和韌性的改善作用。一般認(rèn)為ZA-27重力合金a375～400MPa，a＞10%，AK＞6oj/emz，KL的性能為。利用稀土改善75℃～150℃鋅鋁合金的高溫力學(xué)性能具有重要意義。此時(shí)稀土的加入量較高，應(yīng)考慮Mn、Si、Ni和CuO的連接加入。稀土對(duì)鋅鋁合金耐蝕性、摩擦磨損性能影響的研究有待進(jìn)一步提高。在耐蝕性方面，稀土對(duì)鹽霧、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、切削冷卻液的作用有待進(jìn)一步提高。調(diào)查了城市污水、各種工業(yè)大氣、潤滑油和清潔劑。在摩擦磨損性能方面，有必要進(jìn)一步研究稀土對(duì)構(gòu)件干摩擦磨損性能和貯存材料貯存性能的影響。同時(shí)，還應(yīng)深入研究稀土的阻尼性能。鋅鋁合金的可行性和焊接性是需要進(jìn)一步研究的幾個(gè)領(lǐng)域。鋅鋁合金鑄件和型材通常需要鍍鋅、電解甚至物理蒸發(fā)。鋅鋁合金膠水涂在刀具上，但用制冷劑很難恢復(fù)切削屑。鋅鋁合金中含有一定量的稀有化合物，可以改善合金的易裂變性。最后，除了以鋁土礦為主的混合稀土外，認(rèn)為對(duì)個(gè)別輕稀土元素如鑭、鋁土礦和重稀土元素的研究也具有一定的價(jià)值。