稀土变质对ZA40合金组织和性能的影响

何顺荣，朱健平，江 宇

（1.合肥工业大学，安徽合肥 230009；2.中国科学技术大学，安徽合肥 230027）

稀土变质对ZA40合金组织和性能的影响

何顺荣1,2，朱健平1，江 宇1

（1.合肥工业大学，安徽合肥 230009；2.中国科学技术大学，安徽合肥 230027）

研究了镧铈混合稀土(RE)变质对ZA40合金组织、力学性能及耐磨性能的影响。试验结果表明，添加适量混合镧铈稀土能促使合金的晶粒细化，抑制共晶硅的生长。RE加入量为0.15%时合金的力学性能明显提高，稀土对合金的硬度影响最大，硬度由112.8HBS上升到150.2HBS，提高了40.6%。拉伸断面由脆性断裂向韧脆性混合断裂转变。合金在干摩擦条件下耐磨性得到提高，在300N载荷时磨损量仅10.1mg，比ZA27合金降低了近65%。

稀土；ZA40合金；变质；耐磨性

1 引言

高铝（Al含量≥27%）锌基合金作为一种重要的商业合金，广泛用于制造低速重载工况的轴承类零件。这种合金由最初的锌铝二元合金发展到Zn－Al－Cu[1]，Zn－Al－Si[2]，Zn－Al－Cu－Si[3]等系列。当合金中铝含量超过27%后，合金的力学性能和耐磨性优良，经济效益更显突出。Temel savaskam[4,5]研究表明，在三元 Zn－Al－Si ZA40 合金中，Si含量在 2%时其存在形式为细针状的硅颗粒。Parsad[6]研究结果表明锌铝合金的硬度随硅含量在2%～4%之间增加而增大，但耐磨性却下降。硅含量为2.5%时ZA40合金相当于达到共晶成分，随硅含量继续增大,合金组织中形成多边形块状初晶硅及板片状共晶硅，对基体的割裂作用增大，增加了裂纹敏感性[5]。所以，设法细化初晶硅或抑制共晶硅生长并使之细化，均能有效地提高合金力学性能和耐磨性能。稀土在ZA27合金中的变质作用也有很多报道，但对稀土的变质效果目前存在异议，稀土对ZA40合金中硅的变质作用目前还罕见报道。本文以含有3%Si的锌铝镁铜合金为对象，探讨加入0.05%～0.25%wt的镧铈混合稀土（RE）后，对合金的微观组织、力学性能和耐磨性能的影响。

2 试验材料及方法

试验材料采用 Zn(＞99.99%)，Al(＞99.6%)，Al－50%Cu，Al－20%Si，Mg(＞99.8%)，Re(La30%,Ce70%,杂质＜1%)配制，在井式石墨坩埚电阻炉中熔炼。试验合金成分见表1。在680℃～700℃用块状混合镧铈稀土变质处理10min后，快速浇注入预热至150℃金属模具中，试样自然冷却。微观组织采用光学金相显微镜观察，采用5%硝酸酒精腐蚀。所有试样布氏硬度均在HB－3000布氏硬度计上使用直径5mm的淬火钢球在250kg载荷作用下保持30s进行测试。拉伸试样为ø10mm×60mm,拉伸速率2mm/s。耐磨性试验在M－200型环块摩擦磨损试验机上进行。摩擦副是外圆半径R×20mm的45号钢制圆环，表面硬度为HRC30±1，粗糙度Ra=0.8，所有试样表面也预磨至Ra=0.8。试验载荷为200N、300N，转速200r/min，试验时间1h。拉伸断面和磨损表面采用JSM－6490LV扫描电子显微镜（SEM）观察，并进行微区能谱分析（EDS）。

表1 ZA40合金的化学成分及机械性能

3 试验结果分析与讨论

3.1 合金的显微组织

ZA40合金主要由α相，（α+η）共析体以及ε和硅相组成。在ZA40合金中，锌和铝是主要组成成分，由锌铝二元合金相图知，α相是合金的基体组织，呈树枝状结构，是一种锌溶于铝中形成的固溶体组织。（α+η）共析体组织包裹在α相周围，其中η相是Al溶于Zn中形成的固溶体。富铜ε相（CuZn4）分布于晶界处呈黑色亮条、粒状及粒状集合体。硅元素除极少量固溶于α相和η相外，大部分随初生α相析出，主要形成块状初晶硅及细针状共晶硅组织存在于合金基体中[5]。

图1所示为稀土加入量分别为0.05%、0.15%、0.25%的ZA40合金的铸态显微组织。由图1可知,随稀土加入量增加，合金的金相组织得到了细化，枝晶间距减小，晶粒尺寸减小，枝晶间的富铜相分布也更加均匀。硅颗粒的析出发生明显变化。含0.05%RE合金中含有大量的针状共晶硅，随稀土加入量的增加，共晶硅的析出受到抑制，数量减少。在0.15%RE的合金中硅主要以块状初晶硅形式析出。当稀土加入量为0.25%时，稀土的细化作用相对减弱，硅颗粒由聚集长大趋势。硅元素在合金中的形态对合金力学性能及耐磨性有明显的影响。

3.2 合金的力学性能及耐磨性

不同稀土含量对合金力学性能的影响如表1所示。稀土加入量为0.15%时力学性能最好。在室温下，抗拉强度由338.3MPa增加到350.2MPa，增加了5%；延伸率由2.07%提高到2.55%，提高了23%；硬度由112.8HBS上升到150.2HBS，增幅40.6%。由此可知稀土的加入对合金硬度的影响最大，对抗拉强度影响最小。随稀土含量的增加，合金抗拉强度、延伸率及硬度都呈先增大后减小趋势。这与合金基体中硅的形貌变化密切相关，稀土变质使硅元素在合金中的承载作用得到改善，提高了合金的变形抗力，降低了不规则硅颗粒对合金基体的割裂作用。

表2 稀土含量ZA40合金摩擦系数及磨损量的影响

对不同稀土含量的ZA40合金在不同载荷下的摩擦系数及磨损量进行测试，如表2所示。从表中可以看到，当载荷一定时，随稀土含量的增加，试验合金的磨损量逐渐减小，即耐磨性越来越高。但稀土含量为0.25%时，尽管摩擦系数减小了，其在重载荷作用下的磨损量剧增，耐磨性降低。当稀土含量为0.15%时，随着载荷的增加，摩擦系数和磨损量变化程度均最小，摩损过程稳定，在300N载荷时磨损量仅10.1mg。而根据文献[7,8]中ZA27磨损体积和其密度换算得到，ZA27在120N载荷下的磨损量为29.1mg/h～32.01mg/h，相比较可知稀土变质的ZA40合金的磨损量较ZA27要小许多。由此可知，稀土变质的高铝锌基合金具有良好的耐磨性，稀土加入量为0.15%为宜。在保证强度条件下，高的硬度有利于提高耐磨性。

3.3 合金断裂形貌分析

为分析合金的拉伸断裂机理，对部分拉伸断口做了扫描电子显微镜观察，如图2所示。从图2a可明显看出，断裂表面有大量高密度的短而弯曲的撕裂棱线条、点状裂纹源，由解理断面中部向四周放射的河流花样及些许凹陷，这些都是准解理断裂机制的典型表现。合金铸态下断口表面部分区域呈韧性断裂，部分区域是脆性断裂，呈现出混合型断裂特征。文献资料[9]表明，单一的锌铝合金拉伸断口成暗灰色、纤维状，有大量的撕裂棱和韧窝存在。含有一定量的硅时，合金断裂表面特征逐渐转变成混合型断裂特征。当稀土含量为0.15%时，合金断口韧窝增多且增大，韧窝周围有较多的片层组织。这表明韧性断裂部分有所增多，与合金的抗拉强度和延伸率提高相对应。另外，在断口表面还可观察到二次扩展裂纹。我们认为这是由于硅颗粒的作用所致。在外应力作用下，硅颗粒首先承受载荷而易于发生脱落或碎裂，并使裂纹沿晶界扩展而导致沿晶断裂，形成大量的解理断裂表面[10]。

为进一步分析稀土变质硅颗粒对合金力学性能的影响，对导致断裂的关键部位做了局部放大和EDS分析，如图3所示。对于0.05%RE的合金，从图3中A和B处得到的图谱b和图谱c,可以看出除了Al和Zn元素峰外，还有很明显的Si元素峰存在，结合金相图1（a）可推测铸态拉伸断口处的裂纹主要产生在共晶硅相附近。由拉伸断口可见，大部分硅相颗粒均发生了不同程度的裂纹或碎裂，裂纹自硅颗粒内向外，沿晶界扩展并导致试样沿晶断裂。由于硅相的显微硬度较高而塑性差，故而降低了锌铝合金的抗拉强度和塑性，这也说明了脆性的硅相为裂纹源的中心。由图3的e和f能谱分析知，含有0.15%RE时合金脆性断裂面底部硅含量相对于0.05%RE时要少。稀土可以抑制细针状共晶硅生长，硅相主要以块状初晶硅形式析出，硅相形貌的变化增强了与基体相的融合作用，拉伸时基体的塑性变形增大，消耗大量的塑性变形能，小块状的硅相也能消耗大量的变形能，阻碍沿晶断裂[11]。

3.4 磨损表面形貌分析

图4为含0.15%RE的铸态ZA40在不同载荷下磨损表面形貌的SEM图像。室温下，200N载荷时ZA40合金磨损后试样表面出现明显的磨痕，并且有连续的、宽且深的犁沟，有明显的黑白区域分界；300N载荷时磨损痕迹并不明显，呈断续状分布，磨损表面有剥落的豆状凹坑，磨损比较严重。对黑白区域放大后取点做EDS分析，如表3所示。结果表明黑色区域的氧原子百分比要大于白色区域的，据此认为此时摩擦表面形成了致密的氧化物复合层。300N载荷时磨损表面除氧元素的含量比200N载荷高外，还多出了Cr元素。很显然，此元素是摩擦副45#钢中的，是在摩擦过程中脱落并粘附在磨损试样上的。

稀土原子半径与锌和铝相差较大，其主要以化合物的形态存在于合金中，对改善锌铝合金的综合性能有很重要的作用。稀土的加入促进晶粒细化，并显著提高合金的硬度，起到防止与偶合件发生粘着的作用。同时，合金表面能形成一层含有锌、铝、镁等元素的厚而且牢固的氧化膜，这层氧化膜含有碳，它与油有亲和作用，因而能增强自润滑性,也防止了粘着及咬焊。

表3 铸态ZA40合金干摩擦磨损表面EDS分析

4 结论

（1）ZA40合金加入0.15%混合镧铈稀土时变质效果最佳。稀土变质细化α树枝晶，抑制共晶硅析出，促使硅颗粒呈块状初晶硅析出。

（2）混合镧铈稀土对ZA40合金抗拉强度影响最小，延伸率其次，对硬度影响最大，硬度由112.8HBS上升到150.2HBS，提高了40.6%。

（3）铸态ZA40合金拉伸断口是典型的准解理断裂，随稀土含量增加韧性断裂倾向增加，合金耐磨性大幅提高。

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The Influence of Rare Earth on Microstructure and Performance of ZA40 Alloys

HE ShunRong1,2,ZHU JianPing1,JIANG Yu1
(1.School of Materials Science and Engineering of HFUT,Hefei 230009,Anhui China;2.Department of Thermal Science and Energy Engineering of USTC,Hefei 230027,Anhui China)

The microstructure,mechanics properties and wear resistance of mixed RE modified ZA40 alloy have been studied.Experimental results showed that proper amount of RE addition could promote grain refinement and inhibit the growth of eutectic silicon.With a 0.15%RE addition,the mechanics properties of ZA40 alloy significantly improved,the brittle fracture tensile cross－section turned to ductile－brittle mixed fracture,the dry wear resistance improved.

Rare earth;ZA40 Alloy;Modification;Wear resistance

TG146.2+1;

A；

1006－9658（2012）02－0039-4

2012－02－13

稿件编号：1202－010

何顺荣（1960－），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向：先进材料制备及其性能