稀土對壓鑄鋅合金金相組織及力學性能的影響

通過對鋅合金壓鑄進行變質(zhì)處理，研究稀土合金對壓鑄鋅合金微觀組織及性能的影響。結果表明．在壓鑄鋅合金中加人適量的稀土，能有效地阻止樹枝狀晶的長大，優(yōu)化組織結構，細化晶粒，清除晶粒邊界雜質(zhì)，使壓鑄鋅合金的抗拉強度和硬度提高10％以上。同時對稀土合金元素所起的作用進行了分析討論，為進一步改善壓鑄鋅合金的力學性能和抗晶間腐蝕提供了一條有效途徑。

傳統(tǒng)壓鑄鋅合金最常見的缺陷是晶間腐蝕，是造成產(chǎn)品質(zhì)量低劣的最主要原因。為解決這一問題，從早期美國新澤西鋅金屬公司開始至今，一直都依據(jù)Brauer和Peirce的理論，認為雜質(zhì)元素是引起晶間腐蝕的根源。因此，世界各地廠商包括譽格均采用高純度和低雜質(zhì)鋅并嚴格控制壓鑄鋅合金化學成分來減輕晶間腐蝕，而關于如何使用稀土材料對壓鑄鋅合金進行變質(zhì)處理，進一步提高壓鑄鋅合金力學性能、降低晶問腐蝕傾向的研究甚少。為此，本試驗著重探討稀土變質(zhì)處理對壓鑄鋅合金金相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壓鑄鋅合金 ，同時為壓鑄鋅合金中添加稀土提供參考依據(jù)。

1試驗過程

試驗所用材料為：1號鋅錠(Al—00)，1號電解銅，1號工業(yè)鎂錠，混合稀土金屬(La45％，Ce20％，其余為Pr、Nd等)。試驗所用熔煉設備為45kW坩堝電阻爐和石墨坩堝。試驗是以ZnAl4-1壓鑄鋅合金(Al3．9％～4．2％Cu0.73％～1．25％，Mg0．03％～0．06％，余量為Zn)為基礎，加入適量稀土合金，以研究對合金金相組織及力學性能的影響。其中銅和稀土以中間合金形式加入。

熔煉工藝為：首先將石墨坩堝加熱到暗紅色，放人鋁錠和鋁銅中間合金，待出現(xiàn)部分鋁液后，加入占爐料總重量2％左右的覆蓋劑。覆蓋劑的組成為NaCl 40％，KCl 20％，Na3AlF6 20%。鋁錠全部熔化后，升溫至750℃左右，分批加入鋅塊，待鋅塊全部熔化后，用C2Cl6進行精煉，C2Cl6用量為爐料總重量的0.3％。然后進行扒渣，并加入鎂和稀土中間合金，最后攪拌均勻，澆注成錠，澆注溫度為550℃，澆注的鋅合金錠即可用于壓鑄。

2試驗結果及分析

2．1稀土對壓鑄鋅合金微觀盒相組織的影響

2．1．1對鑄態(tài)組織的影響

含Al 4％左右的壓鑄鋅合金屬于亞共晶合金，凝固時首先析出初生富鋅固溶體相，隨后于約380℃發(fā)生共晶反應，形成由β相和高溫α相組成的層片狀共晶體。冷卻時從β相中析出Al，α相則在低于共析溫度(275℃)時轉(zhuǎn)變?yōu)橛搔料嗪挺孪嘟M成的共析體。經(jīng)變質(zhì)處理后ZnAl4—1合金的等軸相比未經(jīng)變質(zhì)處理的ZnAl4—1合金等軸相小且分布趨向均勻，共晶區(qū)增加，整個組織顯得較為均勻優(yōu)化。

不少等軸相及晶界易腐蝕相在稀土的作用下，已逐步轉(zhuǎn)變成共析相，無疑為改善合金力學性能、降低晶間腐蝕、提高抗老化能力創(chuàng)造了條件。

此外，為進一步了解觀察合金經(jīng)變質(zhì)處理后主要元素的分布狀況得出經(jīng)變質(zhì)處理后的ZnAl 4-1合金，即使在鑄態(tài)下Al、cu及變質(zhì)元素的分布也是較均勻的，沒有出現(xiàn)富集狀態(tài)。證實稀土在變質(zhì)ZnAl 4-1合金中分布均勻。

2．1．2對壓鑄件組織的影響

經(jīng)變質(zhì)處理的ZnAl 4-1合金壓鑄件組織無論是在初生的β相還是共晶相均比沒有變質(zhì)的ZnA14-1合金細小、彌散、圓鈍、均勻，這更加說明經(jīng)稀土變質(zhì)處理后的壓鑄鋅合金具有較好的力學性能、抗晶問腐蝕和抗老化性能。

2．2稀土對力學性能的影響

為了研究稀土變質(zhì)處理對合金力學性能的影響，深圳譽格采用JB3072-82中規(guī)定的試樣來測定合金的力學性能，并將試樣的壓鑄工藝參數(shù)控制在如下范圍：壓鑄溫度420～440℃，模具溫度130～150℃，壓射比壓4O一50MPa，填充速度12～15m／s，保壓時間5～8s。經(jīng)變質(zhì)處理的ZnAl 4-1合金σb=298MPa，δb=2．1％，HBS95；未經(jīng)變質(zhì)處理的ZnAl 4-1合金=270MPa，以=2％，HBS84。同時，為進一步確認試驗的可靠性，采用微機統(tǒng)計整理未經(jīng)變質(zhì)的ZnAl 4-1合金與變質(zhì)ZnAl 4-1合金在不同條件下獲得的試驗數(shù)據(jù)。

此外，對合金凝固收縮率進行了測試，結果表明，經(jīng)稀土變質(zhì)處理的ZnAl 4-1壓鑄鋅合金與未經(jīng)變質(zhì)處理的ZnAl 4-1壓鑄鋅合金相比，抗拉強度、硬度提高10％以上，伸長率和凝固收縮率相當．前者加工過程中開裂和變形傾向減少，表面光潔度和合格率提高。

3結論

1．加入0．5％～1％稀土，能顯著改變壓鑄鋅合金的金相組織特征，優(yōu)化組織結構，細化晶粒，清除晶粒邊界雜質(zhì)，抑制雜質(zhì)元素的有害影響。

2．經(jīng)稀土變質(zhì)的ZnAl 4-1壓鑄鋅合金與未經(jīng)變質(zhì)的ZnAl 4-1壓鑄鋅合金相比，前者的晶問腐蝕傾向較小。

3．在相同壓鑄條件下，變質(zhì)ZnAl 4-1壓鑄鋅合金與未變質(zhì)ZnAl 4-1壓鑄鋅合金相比，強度、硬度提高10％以上，改善了工藝性能，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。