RE对ZnAl4合金组织和力学性能的影响

古文全，吴泽宏，于云峰，耿家锐

(贵州省冶金化工研究所，贵州贵阳550002)

铸造锌铝合金具有优良的力学性能和机加工性能，耐磨损，低能耗，无污染，在工程上获得了广泛的应用［1］。但该合金也存在不足之处，是所有有色合金中对杂质元素要求最高的一种，即便是采用高纯锌来生产锌合金，还是易产生比重偏析，性能不稳定，自然时效后力学性能低等。本研究针对以上情况，选择在不含铜的传统ZnAl4合金中添加稀土元素，采用变质处理，合理化学成分，改变微观组织结构，抑制杂质元素有害影响，来获得晶粒细化、组织致密、力学性能大幅改善的ZnAl4合金。

1 试验的条件及合金熔配

1.1 试验条件

本试验所采用材料为:0#锌锭、Al－00、1#工业纯镁、混合稀土(含Ce＞70%)、1#铅锭、光谱纯铁。试验所用熔炼设备为SG53自动控温坩埚电阻炉。为避免锌铝合金在通常熔炼温度下与铁发生反应，本试验采用石墨坩埚，所用工具亦应涂刷耐火涂料，新坩锅在使用前应缓慢升温至700℃培烧。拉伸试样采用金属型模具直接铸成，一组二根，硬度试样为Φ16×10mm，金相试样取至抗拉试样切头。

1.2 合金的熔配

测温装置为EU－2型测温仪表镍铬－镍硅热电偶。加料工艺为:先加入部分锌、铝、再加入锌，待全部熔化后用钟罩压入镁、稀土，最后加入回炉料降温。合金在电阻炉中充分搅拌均匀，扒渣。于650℃保温静置10～15分钟后浇注，浇注温度在550℃左右，符合要求即可进行浇铸。工艺流程图如图1所示:

图1 合金工艺流程图

2 试验的结果及分析

2.1 稀土元素对ZnAl4微观金相组织的影响及分析

图2(a)为没有加入稀土元素而只含有镁变质剂和其他杂质的ZnAl4铸造锌合金，从金相组织照片中可以看出，合金主要由等轴的β相与β+α相的共晶组织组成［2］，再分别加上易腐蚀的晶界相(经腐蚀的晶界相变为黑色)。合金初生相晶粒粗大，枝晶发达，等轴晶粒分布不均匀。图2(b)为加入稀土变质剂的合金铸态组织，从图中可以看出，加入变质剂后，合金组织仍为由等轴的β相与β+α相的共晶组织，但合金的等轴相变小且分布趋向均匀，共晶区增加，晶粒已经明显变小且分布更加均匀，整个组织得到了优化。图3(a)(b)为未经变质处理和经过变质处理的合金二次电子相，倍数为100倍，因为选择的倍数较低，可以观察较大区域的合金组织形貌，因为观察的区域更大，从图中可以更加明显的看到加入稀土后对合金组织的细化和均匀化的效果。

图2 (a)ZnAl4合金铸态金相组织 (b)变质ZnAl4合金铸态金相组织

图3 (a)ZnAl4合金的二次电子相 (b)变质ZnAl4合金的二次电子相

合金中因为稀土的加入，与Al形成REAl4化合物，其熔点高于1000℃，在合金于550℃进行浇注时，合金中存在未熔化的REAl4固相颗粒，作为合金结晶的异质晶核，从而起到了细化组织的作用［3］。同时，合金中的部分稀土原子，凝固时分布在粗大晶粒周围，阻碍了二次枝晶的长大，促使粗大的晶粒转变为碎块状的晶粒，这是稀土细化晶粒的又一个原因［4］。

2.2 稀土元素对ZnAl4力学性能的影响及分析

图4 Re对压铸锌合金力学性能影响

图4为稀土含量不同时ZnAl4合金的力学性能，图4(a)为合金屈服强度随稀土含量的变化规律，可以看出当稀土含量在0.4%～0.6%时，合金的屈服强度达到最大，含量超过0.6%时，屈服强度反而急剧降低。图4(b)为合金延伸率随稀土含量的变化规律，稀土含量在开始添加到1.5%之前，合金的延伸率变化幅度不大，在1.2%到1.5%之间。图4(c)为合金硬度随稀土含量的变化规律，从添加稀土开始到稀土含量为1.6%时，合金的硬度在85到110之间变化，稀土含量为0.4%，0.6%，1%及1.5%附近出现了硬度的极大值。从上面的试验得出，为了使合金具有良好的综合性能，宜控制合金的稀土添加量为0.5%，为了更好的比较稀土的变质效果，表1列出经统计整理未变质的ZnA14合金与经过稀土变质处理的ZnA14合金的实验数据。

表1 ZnAl4合金与变质ZnAl4合金力学性能比较表

从表中可以看出，经变质的ZnAl4合金比未经变质处理的ZnAl4合金的抗拉强度、硬度提高10%以上，延伸率也有所提高。

综上，稀土的加入改善了ZnAl4的力学性能。未变质的铝锌合金具有典型的缩孔缩松等缺陷，造成缺陷的原因一是合金中含有少量杂质元素，二是锌铝合金典型的糊状凝固特性和初生富Al相由于其密度小于母液合金造成成分偏析，导致铸造缺陷的产生［5］。而稀土的加入能改善合金力学性能，其原因就在于稀土化学性质活泼，与氧、硫等杂质元素有较强的结合力，抑制了这些杂质元素引起的组织疏松，同时在熔炼过程中，稀土元素能与水气和合金中的氢气反应，生成稀土氧化物和稀土氢化物，以除去水气和氢气，减少气孔、针孔等铸造缺陷，提高了铸件的质量，减少拉伸过程中裂纹源的产生［6］，从而改善了合金的力学性能。此外，由于稀土原子外层电子极不饱和，在合金中加入适量的稀土会引起电子杂化，增加原子间的结合力。同时，稀土的加入还细化了晶粒，形成细小的硬质相，增加了合金的位错密度，使基体的软硬相分布更加均匀［7］，在受拉时不易产生应力集中，增大了合金的抗拉强度，改善了合金的力学性能。

3 结论

①变质剂稀土的加入，能细化晶粒，优化组织结构，改善边界杂质形态，显著改变压铸锌合金的金相组织特征，有效抑制了有害杂质元素的影响。

②适量的稀土能提高合金的力学性能，研究表明稀土加入量为0.5%时，经稀土变质的ZnAl4合金比未变质的传统ZnA14合金的抗拉强度、硬度提高10%以上，延伸率略有提高。

［1］高存贞、杨涤心等，高铝锌合金研究现状及进展［J］，《热加工工艺》2010，39(7):23－26.

［2］HEROD S.Al－Zn base alloys with dual－phase microstructure［J］.《Journal of Material Science》，1985，20:671－677.

［3］李祥、薛涛等，RE对ZA43合金组织、力学性能及抗磨性的影响［J］，《特种铸造及有色合金》，2007，27(5):401－403.

［4］刘杰、刘智勇，等.高铝锌合金微量元素合金化的组织和性能［J］.《物理测试》，1994(5):8－9.

［5］杨涤心、高存贞、等，La对高铝锌合金组织和性能的影响，《铸造》，2010，59(12):1341－1344.

［6］Raymond F Decker.The Renaissance in magnesium［J］.Advanced Materials＆Processes，1998，(3):31－33.

［7］舒震.提高高铝锌合金的力学性能和耐磨性［J］.湖南大学学报，1995，22(1):99－101.