何順榮，朱健平，江 宇

（1.合肥工業(yè)大學，安徽合肥 230009；2.中國科學技術大學，安徽合肥 230027）

稀土變質對ZA40合金組織和性能的影響

何順榮1,2，朱健平1，江 宇1

（1.合肥工業(yè)大學，安徽合肥 230009；2.中國科學技術大學，安徽合肥 230027）

研究了鑭鈰混合稀土(RE)變質對ZA40合金組織、力學性能及耐磨性能的影響。試驗結果表明，添加適量混合鑭鈰稀土能促使合金的晶粒細化，抑制共晶硅的生長。RE加入量為0.15%時合金的力學性能明顯提高，稀土對合金的硬度影響最大，硬度由112.8HBS上升到150.2HBS，提高了40.6%。拉伸斷面由脆性斷裂向韌脆性混合斷裂轉變。合金在干摩擦條件下耐磨性得到提高，在300N載荷時磨損量僅10.1mg，比ZA27合金降低了近65%。

稀土；ZA40合金；變質；耐磨性

1 引言

高鋁（Al含量≥27%）鋅基合金作為一種重要的商業(yè)合金，廣泛用于制造低速重載工況的軸承類零件。這種合金由最初的鋅鋁二元合金發(fā)展到Zn－Al－Cu[1]，Zn－Al－Si[2]，Zn－Al－Cu－Si[3]等系列。當合金中鋁含量超過27%后，合金的力學性能和耐磨性優(yōu)良，經濟效益更顯突出。Temel savaskam[4,5]研究表明，在三元 Zn－Al－Si ZA40 合金中，Si含量在 2%時其存在形式為細針狀的硅顆粒。Parsad[6]研究結果表明鋅鋁合金的硬度隨硅含量在2%～4%之間增加而增大，但耐磨性卻下降。硅含量為2.5%時ZA40合金相當于達到共晶成分，隨硅含量繼續(xù)增大,合金組織中形成多邊形塊狀初晶硅及板片狀共晶硅，對基體的割裂作用增大，增加了裂紋敏感性[5]。所以，設法細化初晶硅或抑制共晶硅生長并使之細化，均能有效地提高合金力學性能和耐磨性能。稀土在ZA27合金中的變質作用也有很多報道，但對稀土的變質效果目前存在異議，稀土對ZA40合金中硅的變質作用目前還罕見報道。本文以含有3%Si的鋅鋁鎂銅合金為對象，探討加入0.05%～0.25%wt的鑭鈰混合稀土（RE）后，對合金的微觀組織、力學性能和耐磨性能的影響。

2 試驗材料及方法

試驗材料采用 Zn(＞99.99%)，Al(＞99.6%)，Al－50%Cu，Al－20%Si，Mg(＞99.8%)，Re(La30%,Ce70%,雜質＜1%)配制，在井式石墨坩堝電阻爐中熔煉。試驗合金成分見表1。在680℃～700℃用塊狀混合鑭鈰稀土變質處理10min后，快速澆注入預熱至150℃金屬模具中，試樣自然冷卻。微觀組織采用光學金相顯微鏡觀察，采用5%硝酸酒精腐蝕。所有試樣布氏硬度均在HB－3000布氏硬度計上使用直徑5mm的淬火鋼球在250kg載荷作用下保持30s進行測試。拉伸試樣為?10mm×60mm,拉伸速率2mm/s。耐磨性試驗在M－200型環(huán)塊摩擦磨損試驗機上進行。摩擦副是外圓半徑R×20mm的45號鋼制圓環(huán)，表面硬度為HRC30±1，粗糙度Ra=0.8，所有試樣表面也預磨至Ra=0.8。試驗載荷為200N、300N，轉速200r/min，試驗時間1h。拉伸斷面和磨損表面采用JSM－6490LV掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，并進行微區(qū)能譜分析（EDS）。

表1 ZA40合金的化學成分及機械性能

3 試驗結果分析與討論

3.1 合金的顯微組織

ZA40合金主要由α相，（α+η）共析體以及ε和硅相組成。在ZA40合金中，鋅和鋁是主要組成成分，由鋅鋁二元合金相圖知，α相是合金的基體組織，呈樹枝狀結構，是一種鋅溶于鋁中形成的固溶體組織。（α+η）共析體組織包裹在α相周圍，其中η相是Al溶于Zn中形成的固溶體。富銅ε相（CuZn4）分布于晶界處呈黑色亮條、粒狀及粒狀集合體。硅元素除極少量固溶于α相和η相外，大部分隨初生α相析出，主要形成塊狀初晶硅及細針狀共晶硅組織存在于合金基體中[5]。

圖1所示為稀土加入量分別為0.05%、0.15%、0.25%的ZA40合金的鑄態(tài)顯微組織。由圖1可知,隨稀土加入量增加，合金的金相組織得到了細化，枝晶間距減小，晶粒尺寸減小，枝晶間的富銅相分布也更加均勻。硅顆粒的析出發(fā)生明顯變化。含0.05%RE合金中含有大量的針狀共晶硅，隨稀土加入量的增加，共晶硅的析出受到抑制，數量減少。在0.15%RE的合金中硅主要以塊狀初晶硅形式析出。當稀土加入量為0.25%時，稀土的細化作用相對減弱，硅顆粒由聚集長大趨勢。硅元素在合金中的形態(tài)對合金力學性能及耐磨性有明顯的影響。

3.2 合金的力學性能及耐磨性

不同稀土含量對合金力學性能的影響如表1所示。稀土加入量為0.15%時力學性能最好。在室溫下，抗拉強度由338.3MPa增加到350.2MPa，增加了5%；延伸率由2.07%提高到2.55%，提高了23%；硬度由112.8HBS上升到150.2HBS，增幅40.6%。由此可知稀土的加入對合金硬度的影響最大，對抗拉強度影響最小。隨稀土含量的增加，合金抗拉強度、延伸率及硬度都呈先增大后減小趨勢。這與合金基體中硅的形貌變化密切相關，稀土變質使硅元素在合金中的承載作用得到改善，提高了合金的變形抗力，降低了不規(guī)則硅顆粒對合金基體的割裂作用。

表2 稀土含量ZA40合金摩擦系數及磨損量的影響

對不同稀土含量的ZA40合金在不同載荷下的摩擦系數及磨損量進行測試，如表2所示。從表中可以看到，當載荷一定時，隨稀土含量的增加，試驗合金的磨損量逐漸減小，即耐磨性越來越高。但稀土含量為0.25%時，盡管摩擦系數減小了，其在重載荷作用下的磨損量劇增，耐磨性降低。當稀土含量為0.15%時，隨著載荷的增加，摩擦系數和磨損量變化程度均最小，摩損過程穩(wěn)定，在300N載荷時磨損量僅10.1mg。而根據文獻[7,8]中ZA27磨損體積和其密度換算得到，ZA27在120N載荷下的磨損量為29.1mg/h～32.01mg/h，相比較可知稀土變質的ZA40合金的磨損量較ZA27要小許多。由此可知，稀土變質的高鋁鋅基合金具有良好的耐磨性，稀土加入量為0.15%為宜。在保證強度條件下，高的硬度有利于提高耐磨性。

3.3 合金斷裂形貌分析

為分析合金的拉伸斷裂機理，對部分拉伸斷口做了掃描電子顯微鏡觀察，如圖2所示。從圖2a可明顯看出，斷裂表面有大量高密度的短而彎曲的撕裂棱線條、點狀裂紋源，由解理斷面中部向四周放射的河流花樣及些許凹陷，這些都是準解理斷裂機制的典型表現。合金鑄態(tài)下斷口表面部分區(qū)域呈韌性斷裂，部分區(qū)域是脆性斷裂，呈現出混合型斷裂特征。文獻資料[9]表明，單一的鋅鋁合金拉伸斷口成暗灰色、纖維狀，有大量的撕裂棱和韌窩存在。含有一定量的硅時，合金斷裂表面特征逐漸轉變成混合型斷裂特征。當稀土含量為0.15%時，合金斷口韌窩增多且增大，韌窩周圍有較多的片層組織。這表明韌性斷裂部分有所增多，與合金的抗拉強度和延伸率提高相對應。另外，在斷口表面還可觀察到二次擴展裂紋。我們認為這是由于硅顆粒的作用所致。在外應力作用下，硅顆粒首先承受載荷而易于發(fā)生脫落或碎裂，并使裂紋沿晶界擴展而導致沿晶斷裂，形成大量的解理斷裂表面[10]。

為進一步分析稀土變質硅顆粒對合金力學性能的影響，對導致斷裂的關鍵部位做了局部放大和EDS分析，如圖3所示。對于0.05%RE的合金，從圖3中A和B處得到的圖譜b和圖譜c,可以看出除了Al和Zn元素峰外，還有很明顯的Si元素峰存在，結合金相圖1（a）可推測鑄態(tài)拉伸斷口處的裂紋主要產生在共晶硅相附近。由拉伸斷口可見，大部分硅相顆粒均發(fā)生了不同程度的裂紋或碎裂，裂紋自硅顆粒內向外，沿晶界擴展并導致試樣沿晶斷裂。由于硅相的顯微硬度較高而塑性差，故而降低了鋅鋁合金的抗拉強度和塑性，這也說明了脆性的硅相為裂紋源的中心。由圖3的e和f能譜分析知，含有0.15%RE時合金脆性斷裂面底部硅含量相對于0.05%RE時要少。稀土可以抑制細針狀共晶硅生長，硅相主要以塊狀初晶硅形式析出，硅相形貌的變化增強了與基體相的融合作用，拉伸時基體的塑性變形增大，消耗大量的塑性變形能，小塊狀的硅相也能消耗大量的變形能，阻礙沿晶斷裂[11]。

3.4 磨損表面形貌分析

圖4為含0.15%RE的鑄態(tài)ZA40在不同載荷下磨損表面形貌的SEM圖像。室溫下，200N載荷時ZA40合金磨損后試樣表面出現明顯的磨痕，并且有連續(xù)的、寬且深的犁溝，有明顯的黑白區(qū)域分界；300N載荷時磨損痕跡并不明顯，呈斷續(xù)狀分布，磨損表面有剝落的豆狀凹坑，磨損比較嚴重。對黑白區(qū)域放大后取點做EDS分析，如表3所示。結果表明黑色區(qū)域的氧原子百分比要大于白色區(qū)域的，據此認為此時摩擦表面形成了致密的氧化物復合層。300N載荷時磨損表面除氧元素的含量比200N載荷高外，還多出了Cr元素。很顯然，此元素是摩擦副45#鋼中的，是在摩擦過程中脫落并粘附在磨損試樣上的。

稀土原子半徑與鋅和鋁相差較大，其主要以化合物的形態(tài)存在于合金中，對改善鋅鋁合金的綜合性能有很重要的作用。稀土的加入促進晶粒細化，并顯著提高合金的硬度，起到防止與偶合件發(fā)生粘著的作用。同時，合金表面能形成一層含有鋅、鋁、鎂等元素的厚而且牢固的氧化膜，這層氧化膜含有碳，它與油有親和作用，因而能增強自潤滑性,也防止了粘著及咬焊。

表3 鑄態(tài)ZA40合金干摩擦磨損表面EDS分析

4 結論

（1）ZA40合金加入0.15%混合鑭鈰稀土時變質效果最佳。稀土變質細化α樹枝晶，抑制共晶硅析出，促使硅顆粒呈塊狀初晶硅析出。

（2）混合鑭鈰稀土對ZA40合金抗拉強度影響最小，延伸率其次，對硬度影響最大，硬度由112.8HBS上升到150.2HBS，提高了40.6%。

（3）鑄態(tài)ZA40合金拉伸斷口是典型的準解理斷裂，隨稀土含量增加韌性斷裂傾向增加，合金耐磨性大幅提高。

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The Influence of Rare Earth on Microstructure and Performance of ZA40 Alloys

HE ShunRong1,2,ZHU JianPing1,JIANG Yu1
(1.School of Materials Science and Engineering of HFUT,Hefei 230009,Anhui China;2.Department of Thermal Science and Energy Engineering of USTC,Hefei 230027,Anhui China)

The microstructure,mechanics properties and wear resistance of mixed RE modified ZA40 alloy have been studied.Experimental results showed that proper amount of RE addition could promote grain refinement and inhibit the growth of eutectic silicon.With a 0.15%RE addition,the mechanics properties of ZA40 alloy significantly improved,the brittle fracture tensile cross－section turned to ductile－brittle mixed fracture,the dry wear resistance improved.

Rare earth;ZA40 Alloy;Modification;Wear resistance

TG146.2+1;

A；

1006－9658（2012）02－0039-4

2012－02－13

稿件編號：1202－010

何順榮（1960－），男，副教授，碩士生導師，主要研究方向：先進材料制備及其性能