稀土對壓鑄鋅合金金相組織及力學(xué)性能的影響

通過對鋅合金壓鑄進(jìn)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(jié)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(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒，清除晶粒邊界雜質(zhì)，使壓鑄鋅合金的抗拉強(qiáng)度和硬度提高10％以上。同時對稀土合金元素所起的作用進(jìn)行了分析討論，為進(jìn)一步改善壓鑄鋅合金的力學(xué)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(rèn)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(yù)格均采用高純度和低雜質(zhì)鋅并嚴(yán)格控制壓鑄鋅合金化學(xué)成分來減輕晶間腐蝕，而關(guān)于如何使用稀土材料對壓鑄鋅合金進(jìn)行變質(zhì)處理，進(jìn)一步提高壓鑄鋅合金力學(xué)性能、降低晶問腐蝕傾向的研究甚少。為此，本試驗(yàn)著重探討稀土變質(zhì)處理對壓鑄鋅合金金相組織及力學(xué)性能的影響，以期獲得性能良好 、適應(yīng)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(yàn)過程

試驗(yàn)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(yàn)所用熔煉設(shè)備為45kW坩堝電阻爐和石墨坩堝。試驗(yàn)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(chǔ)，加入適量稀土合金，以研究對合金金相組織及力學(xué)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(jìn)行精煉，C2Cl6用量為爐料總重量的0.3％。然后進(jìn)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(yàn)結(jié)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(yīng)，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(xué)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(jìn)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(shí)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(xì)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(xué)性能、抗晶問腐蝕和抗老化性能。

2．2稀土對力學(xué)性能的影響

為了研究稀土變質(zhì)處理對合金力學(xué)性能的影響，深圳譽(yù)格采用JB3072-82中規(guī)定的試樣來測定合金的力學(xué)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(jìn)一步確認(rèn)試驗(yàn)的可靠性，采用微機(jī)統(tǒng)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)。

此外，對合金凝固收縮率進(jìn)行了測試，結(jié)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(qiáng)度、硬度提高10％以上，伸長率和凝固收縮率相當(dāng)．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(jié)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(jié)構(gòu)，細(xì)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(qiáng)度、硬度提高10％以上，改善了工藝性能，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。