稀土对铸造锌合金微观组织及力学性能的影响

李海龙，翟永周，郭伟朋，周燕祥

(河南豫光锌业有限公司，河南 济源 459000)

铸造锌合金具有优良的力学性能和机加工性能，在机械行业获得了广泛应用[1]。研究表明，在铸造锌合金中加入适量的变质剂，如钛、稀土元素等可以有效提高合金的抗晶间腐蚀能力，抑制老化现象[2-4]。在铸造锌合金中添加稀土进行变质处理，可以起到细晶强化的作用，极大地提高合金力学性能和改善耐腐蚀性[5-6]。此外，稀土可以起到除气、精炼的作用，使生产过程中省去除气、精炼等过程，达到节能又不污染环境的效果。

本实验在铸造锌合金中加入不同含量的镧铈混合稀土，通过电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)来测试合金成分，探讨稀土对铸造锌合金微观组织及力学性能的影响，以期获得性能良好、适应范围更广的新型铸造锌合金，同时为铸造锌合金中添加稀土提供参考依据。

1 实验

1.1 实验设备及原材料

实验设备有，井式坩埚电阻炉、高纯度石墨坩埚、石墨搅拌棒、电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)、金相显微镜、拉伸试验机。原材料为，豫光0#锌、99.7铝、99.6镁、镧铈混合稀土、精炼剂-氯化铵。

1.2 实验过程

实验采用井式坩埚电阻炉制备Zn-4.1%Al-0.045%Mg-xRE合金，合金成如表1所示。首先炉子加热至200℃，将石墨坩埚放入炉内，保温15min，取出坩埚，在坩埚内壁涂抹一层滑石粉，之后放入炉内，温度加热至550℃，将一定量的锌锭放入坩埚；待锌锭熔化后，将一定量的铝加入坩埚，保温25min(搅拌辅助熔化)，熔化后加入镁块，切勿使镁漂于熔液上方，随后加入氯化铵造渣，将温度升到570℃～580℃，保温30min。温度升高到设定温度后，将稀土放入石墨钟罩，放进熔液，充分熔化后均匀搅拌，保温10min，加入氯化铵造渣之后，断电停止加热，扒渣并测温。当温度降至500℃～520℃即进行浇铸，模具提前预热至50℃～60℃，每种成分进行ICP化验(用车床将试样车20g左右样丝)，将浇铸好的试样机加工，进行金相以及力学性能测试，通过比较其综合性能，确定一种最优的稀土添加量。

表1 合金成分(WB/%)

2 实验结果及分析

2.1 稀土含量对铸造锌合金微观组织的影响

图1为未添加稀土与加入不同含量稀土的微观组织。由图1(a)可见，未加稀土的组织主要由富锌β相及α基体构成，晶粒粗大，且有较多梅花状的枝晶存在。当加入0.15%的混合稀土后，β相晶粒开始出现熔断破碎，晶粒变小的现象。图1(b)中晶界周围的亮色斑点为稀土与金属形成的化合物。随着稀土加入量的增加，等轴晶在整个界面上分布更加均匀，且晶粒细化效果更加明显，稀土在合金中以稀土金属间化合物的形式存在弥散分布于晶界、亚晶界、晶粒间的共晶组织，分布更加均匀，如图1(c)、(d)所示。当稀土加入量达到0.30%时，合金并没有产生进一步的细化，如图1(e)所示。图1(f)为稀土金属间化合物在合金中的存在形式，晶界周围的白色颗粒即为稀土金属间化合物团簇。

(a)未加稀土的微观组织；(b)含0.15%稀土的微观组织；(c)含稀土0.20%的微观组织；(d)含稀土0.25%的微观组织；(e)含稀土0.30%的微观组织；(f)稀土金属间化合物团簇图1 不同稀土含量的微观组织Fig.1 Microstructure of the different rare content

2.2 稀土含量对铸造锌合金力学性能的影响

试验时每种成分制备2组试样，取2组的平均值，作为该成分的抗拉强度值。图2为不同稀土含量的拉伸曲线，从拉伸曲线可以看出，未加稀土的合金在拉伸过程屈服台阶不明显(如拉伸曲线1和2)，为脆性断裂，韧性较差；加入稀土后，出现了平缓的屈服台阶，说明韧性有所增加。由图3可知，稀土含量为0～0.20%时，抗拉强度随稀土含量的增加而增加；稀土含量为0.20%～0.25%，抗拉强度随稀土含量增加基本上没有变化；稀土含量超过0.25%，抗拉强度随着稀土含量增加而降低；稀土含量为0.20%时抗拉强度达到了最大值276MPa，与未加稀土的合金250MPa相比，提高10%以上。同时进行了冲击试验，如图4所示。

图2 不同稀土含量的拉伸曲线Fig.2 Tensile curves of different rare earth contents

图3 不同稀土含量对应的抗拉强度Fig.3 Tensile strength of different rare content

图4 不同稀土含量对应的冲击韧性Fig.4 Impact toughness of different rare content

随着稀土含量的增加，冲击韧性呈先增大后减小的趋势(同抗拉强度变化趋势基本一致)，其中当稀土含量达到0.20%时出现最大值114.19 kJ/m2，比未加稀土的提高3倍；当稀土含量超过0.25%时，其冲击韧性逐渐下降。

结合图1可知，稀土可以细化晶粒，但当稀土添加量过高时，稀土金属间化合物会出现团簇现象(如图1(f)所示)。当受到拉伸及冲击时，这些团簇将成为裂纹源，打断了组织间的连续性，在此处极易发生脆断；当受到挤压时，这些团簇将会成为应力集中点，成为阻止位错运动的障碍物，极大地降低了其塑性变形的能力，发生断裂。

3 结论

(1)稀土在铸造锌合金中可以起到细化晶粒的作用；当稀土含量超过0.25%时，随着稀土含量增加，晶粒大小基本没有变化，而且在晶界处会出现稀土金属间化合物团簇现象；

(2)抗拉强度及冲击韧性随着稀土含量的增加呈先增强后减弱的变化趋势；稀土含量为0.20%时，其抗拉强度达到了最大值276MPa，与未加稀土相比提高10%以上；冲击韧性为114.19 kJ/m2，与未加稀土相比提高3倍；稀土含量超过0.20%，抗拉强度及冲击韧性开始减弱。