稀土對ZL301 合金組織及性能的影響

萬 鋒，鄧進(jìn)俊

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

隨著我國綜合國力的提升，航空航天事業(yè)得以迅猛發(fā)展，這也促進(jìn)了輕質(zhì)材料的高速發(fā)展。在追求高性能低能耗的交通汽車行業(yè)中，越來越多的汽車制造商選擇鋁合金取代傳統(tǒng)鋼材，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效的目的[1-3]。盡管鋁鎂合金的研究及應(yīng)用較晚，但目前其發(fā)展及其迅速，特別是在航空航天及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。ZL301 合金因其室溫下是單相固溶體,且合金表面有一層耐蝕性極好的尖晶石膜，因此其耐蝕性很好[4]。另因其主要添加合金元素為鎂，且添加量為10%左右，故其密度較一般鑄造鋁合金低。然而鑄造枝晶粗大導(dǎo)致合金的強(qiáng)度、塑性較差，制約其廣泛應(yīng)用[5-9]。本研究利用添加稀土元素細(xì)化其鑄造組織，提升其力學(xué)性能，優(yōu)化ZL301 合金的鑄造工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用的合金為商用ZL301 合金，其成分含量見表1。

表1 ZL301 鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量百分比，%）

試樣經(jīng)750℃熔化后，通過鋁箔包覆質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，1%的混合稀土，充分?jǐn)嚢韬箪o置30min，而后經(jīng)C2Cl6精煉后澆注。對鑄態(tài)試樣均進(jìn)行400℃、8h 固溶處理，水淬冷卻。硬度測量使用萊州得川HB-3000 型布氏硬度計(jì)。使用導(dǎo)電樹脂鑲嵌樣品，然后用試樣經(jīng)0.5%的氫氟酸腐蝕后，進(jìn)行金相觀察。并利用金相分析軟件Image Pro 測算合金中α-Al相的晶粒平均直徑的變化來分析稀土的細(xì)化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 稀土加入量對合金組織的影響

圖1a 為不同稀土加入量下的ZL301 合金的光學(xué)顯微組織。圖中可以看出未加入稀土的鑄態(tài)合金的微觀組織主要以樹枝狀的α-Al 為基體，在基體的晶界處存在著不連續(xù)分布的β 相，經(jīng)Image Pro測量，其β 相的體積分?jǐn)?shù)為1.5%，α-Al 的平均直徑約為177μm。而加入0.5%的稀土后，鑄態(tài)合金中的α-Al 基本呈現(xiàn)等軸狀，晶粒較為細(xì)小，經(jīng)Image Pro 測量，其β 相的體積分?jǐn)?shù)為1.9%，α-Al的平均直徑約為83μm。從金相統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，α-Al 相發(fā)生了明顯的細(xì)化，由于晶界增多，晶界處的空位因此變多，這為β 相的析出提供幾何上的條件，因此其β 相的體積分?jǐn)?shù)略有提升。加入1%的稀土后，鑄態(tài)合金中的α-Al 仍然保持等軸狀，但晶粒尺寸較為粗大，經(jīng)Image Pro 測量，其β 相的體積分?jǐn)?shù)為1.7%，α-Al的平均直徑約為125μm。從金相統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，α-Al相較原始鑄態(tài)組織細(xì)化不明顯，且β 相的體積分?jǐn)?shù)也變化不大。

圖1 不同稀土加入量下的ZL301 合金的光學(xué)顯微組織

圖2 為加入0.5%稀土的ZL301 合金的高倍放大組織。可以看出α-Al 相的等軸度較高，其形態(tài)近似為圓形或者橢圓形。β 相呈短桿狀近乎連續(xù)地分布在晶界處。連續(xù)分布的第二相對合金的高溫性能有積極的影響。

圖2 0.5%稀土加入量下的ZL301 合金的高倍組織

2.2 稀土加入及固溶處理對合金硬度的影響

通過對不同稀土加入量的ZL301 合金的布氏硬度測試，來檢驗(yàn)合金元素添加對合金硬度的影響。如表2 所示。從表2 可以看出，在不同稀土加入量下，合金的硬度發(fā)生一定程度的提升，特別是在加入0.5%的稀土后合金的硬度提升至HB55，但提升不明顯。而經(jīng)過400℃，8h 的固溶處理后合金的硬度提升了近20%，特別是在加入0.5%的稀土后固溶態(tài)合金的硬度提升至HB 67，其硬度為三組最高值。硬度值的變化清楚地表明，固溶處理是獲得最佳機(jī)械性能所必需的，因?yàn)閺?qiáng)化的合金元素需要通過這一步的熱處理從才能溶入到固溶體中。

表2 稀土加入及固溶處理的合金硬度值

3 結(jié)論

（1）稀土元素的加入能夠有效地優(yōu)化ZL301 合金組織，α-Al 相由鑄態(tài)的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，且明顯細(xì)化，晶粒平均直徑由177μm 降低至83μm。

（2）稀土元素的加入對ZL301 合金的硬度有一定影響，但是效果不明顯，而通過對稀土細(xì)化后的鑄態(tài)合金進(jìn)行固溶處理，合金的硬度得到進(jìn)一步提升，其峰值達(dá)到HB67。