钛加入量对锌铝铜镁稀土合金组织和拉伸性能的影响

赵启淞，起华荣，王 璐，王效琪，史庆南

（昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明650093）

0 引 言

ZA4－1合金由于流动性好，可压铸出形状复杂的薄壁铸件，已成为常用的压铸锌合金。此外ZA4－1合金还可采用离心铸造的方式生产圆筒形零件，如轴套、轴瓦等，但容易出现偏析等缺陷，使内层与外层之间成分不均匀，从而影响产品的性能［1］。近年来，由于ZA4－1合金熔点低，成本低廉，不少企业采用硅橡胶模具借助离心铸造的方式来生产首饰及精美工艺品，如戒指、耳饰、胸针等，但由于ZA4－1合金塑性较差，形状复杂的饰品难于成型，废品率较高，因此提高合金的塑韧性成为一个重要的课题。

稀土是一种重要的变质剂，在锌合金中加入适量的稀土，可降低合金中有害杂质的作用，提高合金的抗拉强度、伸长率和冲击韧性，改善合金的耐磨性和耐腐蚀性能［1］。其中在ZA4－1合金中添加0.1%（质量分数）的富铈混合稀土能有效改善合金的综合力学性能。钛作为一种细化剂，广泛应用于铝合金、镁合金及高铝锌合金等材料的铸造中［2－4］，对细化合金晶粒、改善合金铸造性能和力学性能具有显著效果。但目前有关钛加入量对稀土改性ZA4－1合金（锌铝铜镁稀土合金）组织与性能的研究报道并不多，因此，作者采用硅橡胶模具，通过离心铸造制备不同钛加入量的锌铝铜镁稀土合金，研究了加入量对组织和性能的影响，对工业生产提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料采用0号锌锭、00号纯铝、1号电解铜、1号工业纯镁及稀土质量分数为10%的富铈稀土铝中间合金，钛使用AD－75Ti剂。为操作方便，用原料先自制锌铜和锌镁中间合金，中间合金成分为Zn－10Cu和Zn－2Mg（质量分数／%，下同）。根据合金的化学成分4.0Al，1.0Cu，0.06Mg，0.1Ce，余Zn，配制锌铝铜镁稀土合金原料，每炉的原料质量约3kg，原料精确到0.1g。在计算成分的过程中，已包含稀土及AD－75Ti剂的铝含量。

将石墨坩埚在SXL－1200型箱式试验电炉中加热至暗红色，加入已称量的锌铜和锌镁中间合金及稀土于坩埚底部，然后加入剩余的铝锭及约三分之二量的锌锭，升温至700℃，待合金完全融化后再加入AD－75Ti剂及剩余的锌锭使钛质量分数为0.08%，0.12%，0.16%。当所有金属融化后，降温至420℃静置保温10min，进行搅拌、精炼、扒渣，精炼剂为HS－C8Q，然后采用硅橡胶模离心铸造方式铸造出GB／T 228－2002中的φ5mm的拉伸试样和φ10mm的金相试样。

1.2 试验方法

组织分析在MM－4XC型光学显微镜上进行，腐蚀液为5%HF（体积分数）；在岛津AG－X100KN型拉伸试验机上进行拉伸性能测试，拉伸速度为1mm·min－1；在PhilipsXL30ESEM－TMP型扫描电镜上对拉伸断口进行形貌观察，借助D／max－RC型X射线衍射仪（XRD）对合金进行物相分析。

2 试验结果与讨论

2.1 钛加入量对显微组织的影响

从图1中可以看出，钛的加入改变了合金的显微组织。没有加入钛的锌铝铜镁稀土合金组织中包含大量η－Zn和β－Al的共晶组织，共晶组织发达，共晶组织中有少量的先析出η相，虽然部分晶界较粗大，但η整体连成一片，没有被晶界分隔开来；当加入0.08%的钛后，组织中生成了粗大的晶粒，共晶组织η＋β和先析出η相交互生长，有明显的枝晶生成；钛加入量达到0.12%后，晶粒得到细化，枝晶减少，部分先析出η相呈等轴状，共晶组织无序分布在合金中，晶界变得细小明显；钛的加入量为0.16%时，先析出η相明显粗大，共晶组织发达，部分未固溶的合金元素被推到晶界处，晶界明显。

2.2 钛加入量对拉伸性能的影响

从图2中可以看出，钛对合金的拉伸性能有较大的影响。当在合金中加入0.08%的钛后，合金的抗拉强度急剧降低，从没加入时的310MPa降低到260MPa，降低了16.1%，但伸长率略有升高；当钛加入量为0.12%时，抗拉强度略有提高，为285MPa，但伸长率得到较大改善，从未加入钛时的4%提高到7%，提高了75%；当钛加入量达到0.16%时，合金的抗拉强度和伸长率又都有不同程度的降低，综合性能下降。所以锌铝铜镁稀土合金中钛的加入量以0.12%为宜。

2.3 钛加入量对断口形貌的影响

由图3可见，没加钛时锌铝铜镁稀土合金的断口主要由解理面和韧窝组成；加入0.08%的钛后，合金断口形貌发生了较大变化，断口中包含了大量的韧窝和解理面，还有少量的裂纹；钛的加入量为0.12%时，断裂形式变为穿晶断裂，合金中的解理面增加，晶粒沿各个方向断裂，晶界处有少量的韧窝形成；当钛添加量为0.16%时，断口中韧窝减少，晶粒断裂方向较平整。

2.4 影响机理

钛在锌中的溶解度较小，加入微量的钛就能细化合金的晶粒，提高其力学性能。钛在882℃下具有密排六方点阵结构（晶胞参数ɑ＝0.295 3nm，c＝0.472 9nm［5］），与 熔 体 中 的 锌 （ɑ ＝0.266 49nm，c＝0.494 68nm）具有相似的晶体结构，钛熔点较高，在合金凝固过程中，钛作为异质形核点促进先析出η相形核，改变了合金的凝固方式，细化了合金晶粒［6］。从图4可见，加入0.12%Ti后，钛与锌铝铜镁稀土合金熔体中的铝生成Al2Ti和 Al1＋xTi1－x，Al2Ti和 Al1＋xTi1－x又可与熔体中剩余的铝发生包晶反应生成α－Al，起到促进形核的作用，同时此析出相分布在晶界上，抑制了晶粒长大。

在锌铝铜镁稀土合金中加入0.08%的钛，改变了合金的显微组织，合金中共晶组织减少，使合金的伸长率略有提高，但由于铸造时产生了热裂纹，使合金的抗拉强度大幅下降。当加入0.12%的钛后，熔体中的异质核心增加，凝固过程中形核率提高，使合金的晶粒得到进一步细化，合金在变形过程中晶粒间受力更均匀，晶界的增多使位错滑移困难，提高了合金的伸长率和抗拉强度［7－8］。由于钛在锌中的溶解度较低，在300℃时仅有0.007% ～0.015%，当钛的加入量为0.16%时，过量的钛以杂质的形式在晶界上富集，使晶界变得粗大，恶化了合金性能，抗拉强度和伸长率都有不同程度的降低。

图4 加入0.12%钛的锌铝铜镁稀土合金的XRD谱Fig.4 XRD pattern of Zn－Al－Cu－Mg－RE－0.12%Ti alloy

3 结 论

（1）在硅橡胶模离心铸造锌铝铜镁稀土合金中加入钛能促进先析出η－Zn相的形核，还能与熔体中的铝形成Al2Ti和 Al1＋xTi1－x相，分布在晶界上，抑制了共晶组织的生成。

（2）在合金中添加0.08%的钛后，合金的抗拉强度从310MPa降低到260MPa，降低了16.1%；若钛加入量为0.12%，抗拉强度虽降为285MPa，但伸长率从4%提高到7%，提高了75%；随着钛含量的进一步增加，合金的抗拉强度和伸长率都有不同程度的降低。

（3）在硅橡胶模离心铸造锌铝铜镁稀土合金中，钛的最佳加入量为0.12%。

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