镧铈混合稀土对ZL401组织和性能的影响

合肥工业大学材料科学与工程学院 （安徽 230009） 黄 韦 陈文柯 周运海

ZL401合金通常称之为含Zn铝硅合金，其成分为wZn＝9.0% ～13.0%、wSi＝5.0%～8.0%、wMg＝0.1%～0.3%、其余为Al。由于锌全部溶入α（Al）中，因此铸态组织和ZL101相同，由α（Al）＋共晶体α（Al）＋Si组成。此类合金铸造性能中等，缩孔和热裂倾向较小，有良好的焊接性能和切削加工性能，铸态下强度高，但塑性低，密度大，耐蚀性较差。主要用作塑料模具﹑型板，某些设备的支架，以及工作温度不超过200℃、结构形状复杂的汽车和飞机零件等。由于此合金含硅量高，所以需进行变质处理。经变质处理后，合金中共晶硅组织得到细化，提高了力学性能。目前，变质处理在铝硅合金方面的研究较为广泛，而对铝锌合金影响的研究很少报道，这方面的研究还处于起步阶段。

本文以Al-12%Zn-7%Si-0.2%Mg为研究对象，通过加入含镧30%、铈70%的混合稀土，研究其对合金显微组织和布氏硬度的影响。

1.试验材料

主要试验材料为ZL102(wSi＝10.0%～13.0%，余量为铝)﹑纯锌﹑纯铝﹑纯镁。精炼剂为六氯乙烷，变质剂为30%La＋70%Ce的混合稀土。

2.ZL401合金试样的制备

一般的加料次序是先加低熔点的锌﹑Al-Si合金锭，再加熔点较高的铝锭，待全部熔清后，加入镁锭，搅拌均匀后，即可进行精炼﹑变质，静置15～20min后撇渣，再将温度升至700℃后进行浇注。本试验分两组进行，一组为不加变质剂，另一组加入1%的镧铈混合稀土。分别切取两组铸锭的中部制作试样，规格为15mm×15mm×20mm磨平抛光后，用0.5%的氢氟酸腐蚀5s左右，用无水乙醇洗净，再经吹干即可在金相显微镜下观察其显微组织，并测定布氏硬度。

3.镧铈混合稀土对ZL401合金显微组织的影响

通常情况下，铸态下ZL401合金的相组成为：α、Si和Mg2Si，当有Fe杂质时，形成β(Al9Fe2Si2)等。图1所示为铸态下的ZL401合金显微组织，其中Si相呈灰色针片状，Mg2Si相呈黑色骨骼状，白色为α固溶体；图2所示为经镧铈混合稀土变质后的ZL401合金的显微组织，共晶Si呈细小颗粒状，同时在基体中的分布也更为均匀。

有关稀土的变质机理比较复杂，有研究资料表明，稀土的加入减弱了Si-Si﹑Si-Al原子团之间的结合，加强了Al-Al原子团的结合，导致α相首先成核而Si相过冷，共晶结晶时，α相作为领先相先析出并长大，从而限制了共晶硅的生长。也有观点认为，Ce在铝合金中固溶度极低，有较大的成分过冷倾向，枝晶生长时Ce被排向侧面，阻碍侧面生长，当枝晶的凸出部分突破富Ce层进入成分过冷区并长出枝晶分枝时，在分枝处产生“缩颈”。由于“缩颈”处曲率大，熔点低，故容易被熔断、脱落而卷入液流中，且由于液体内部的温度起伏，出现枝晶的熔断增殖，从而起到细化晶粒的效果。

4.镧铈混合稀土对ZL401合金布氏硬度的影响

硬度测试试验在HB3000型布氏硬度机上进行，试验载荷为2500N，保压时间为30s，压头直径为5mm。卸载后通过读数显微镜读出压痕直径，计算出布氏硬度HBW值，如附表所示。

从附表可以看出，经镧铈混合稀土变质后，合金的布氏硬度提高了5.5%。这是因为经稀土变质后共晶硅得到一定程度的细化。同时晶粒细化，从树枝晶向等轴晶发展，枝晶逐渐消失，晶粒更加圆整，且分布也更加均匀。随着晶粒尺寸越来越细小，合金的硬度也越来越高。

不同处理方式试样的布氏硬度测试结果

5.结语

(1) 在一定量镧铈混合稀土变质作用下，ZL401合金的凝固组织得到了细化，细长的共晶硅变成颗粒状或短杆状。

(2) 经稀土变质处理后，晶粒得到细化，合金的布氏硬度得到一定程度提高。