合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 （安徽 230009） 黃 韋 陳文柯 周運(yùn)海

ZL401合金通常稱(chēng)之為含Zn鋁硅合金，其成分為wZn＝9.0% ～13.0%、wSi＝5.0%～8.0%、wMg＝0.1%～0.3%、其余為Al。由于鋅全部溶入α（Al）中，因此鑄態(tài)組織和ZL101相同，由α（Al）＋共晶體α（Al）＋Si組成。此類(lèi)合金鑄造性能中等，縮孔和熱裂傾向較小，有良好的焊接性能和切削加工性能，鑄態(tài)下強(qiáng)度高，但塑性低，密度大，耐蝕性較差。主要用作塑料模具﹑型板，某些設(shè)備的支架，以及工作溫度不超過(guò)200℃、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的汽車(chē)和飛機(jī)零件等。由于此合金含硅量高，所以需進(jìn)行變質(zhì)處理。經(jīng)變質(zhì)處理后，合金中共晶硅組織得到細(xì)化，提高了力學(xué)性能。目前，變質(zhì)處理在鋁硅合金方面的研究較為廣泛，而對(duì)鋁鋅合金影響的研究很少報(bào)道，這方面的研究還處于起步階段。

本文以Al-12%Zn-7%Si-0.2%Mg為研究對(duì)象，通過(guò)加入含鑭30%、鈰70%的混合稀土，研究其對(duì)合金顯微組織和布氏硬度的影響。

1.試驗(yàn)材料

主要試驗(yàn)材料為ZL102(wSi＝10.0%～13.0%，余量為鋁)﹑純鋅﹑純鋁﹑純鎂。精煉劑為六氯乙烷，變質(zhì)劑為30%La＋70%Ce的混合稀土。

2.ZL401合金試樣的制備

一般的加料次序是先加低熔點(diǎn)的鋅﹑Al-Si合金錠，再加熔點(diǎn)較高的鋁錠，待全部熔清后，加入鎂錠，攪拌均勻后，即可進(jìn)行精煉﹑變質(zhì)，靜置15～20min后撇渣，再將溫度升至700℃后進(jìn)行澆注。本試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，一組為不加變質(zhì)劑，另一組加入1%的鑭鈰混合稀土。分別切取兩組鑄錠的中部制作試樣，規(guī)格為15mm×15mm×20mm磨平拋光后，用0.5%的氫氟酸腐蝕5s左右，用無(wú)水乙醇洗凈，再經(jīng)吹干即可在金相顯微鏡下觀察其顯微組織，并測(cè)定布氏硬度。

3.鑭鈰混合稀土對(duì)ZL401合金顯微組織的影響

通常情況下，鑄態(tài)下ZL401合金的相組成為：α、Si和Mg2Si，當(dāng)有Fe雜質(zhì)時(shí)，形成β(Al9Fe2Si2)等。圖1所示為鑄態(tài)下的ZL401合金顯微組織，其中Si相呈灰色針片狀，Mg2Si相呈黑色骨骼狀，白色為α固溶體；圖2所示為經(jīng)鑭鈰混合稀土變質(zhì)后的ZL401合金的顯微組織，共晶Si呈細(xì)小顆粒狀，同時(shí)在基體中的分布也更為均勻。

有關(guān)稀土的變質(zhì)機(jī)理比較復(fù)雜，有研究資料表明，稀土的加入減弱了Si-Si﹑Si-Al原子團(tuán)之間的結(jié)合，加強(qiáng)了Al-Al原子團(tuán)的結(jié)合，導(dǎo)致α相首先成核而Si相過(guò)冷，共晶結(jié)晶時(shí)，α相作為領(lǐng)先相先析出并長(zhǎng)大，從而限制了共晶硅的生長(zhǎng)。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，Ce在鋁合金中固溶度極低，有較大的成分過(guò)冷傾向，枝晶生長(zhǎng)時(shí)Ce被排向側(cè)面，阻礙側(cè)面生長(zhǎng)，當(dāng)枝晶的凸出部分突破富Ce層進(jìn)入成分過(guò)冷區(qū)并長(zhǎng)出枝晶分枝時(shí)，在分枝處產(chǎn)生“縮頸”。由于“縮頸”處曲率大，熔點(diǎn)低，故容易被熔斷、脫落而卷入液流中，且由于液體內(nèi)部的溫度起伏，出現(xiàn)枝晶的熔斷增殖，從而起到細(xì)化晶粒的效果。

4.鑭鈰混合稀土對(duì)ZL401合金布氏硬度的影響

硬度測(cè)試試驗(yàn)在HB3000型布氏硬度機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)載荷為2500N，保壓時(shí)間為30s，壓頭直徑為5mm。卸載后通過(guò)讀數(shù)顯微鏡讀出壓痕直徑，計(jì)算出布氏硬度HBW值，如附表所示。

從附表可以看出，經(jīng)鑭鈰混合稀土變質(zhì)后，合金的布氏硬度提高了5.5%。這是因?yàn)榻?jīng)稀土變質(zhì)后共晶硅得到一定程度的細(xì)化。同時(shí)晶粒細(xì)化，從樹(shù)枝晶向等軸晶發(fā)展，枝晶逐漸消失，晶粒更加圓整，且分布也更加均勻。隨著晶粒尺寸越來(lái)越細(xì)小，合金的硬度也越來(lái)越高。

不同處理方式試樣的布氏硬度測(cè)試結(jié)果

5.結(jié)語(yǔ)

(1) 在一定量鑭鈰混合稀土變質(zhì)作用下，ZL401合金的凝固組織得到了細(xì)化，細(xì)長(zhǎng)的共晶硅變成顆粒狀或短桿狀。

(2) 經(jīng)稀土變質(zhì)處理后，晶粒得到細(xì)化，合金的布氏硬度得到一定程度提高。