稀土變質(zhì)對(duì)ZA40合金組織和性能的影響

何順榮，朱健平，江 宇

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥 230009；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥 230027）

稀土變質(zhì)對(duì)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(xué)，安徽合肥 230009；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥 230027）

研究了鑭鈰混合稀土(RE)變質(zhì)對(duì)ZA40合金組織、力學(xué)性能及耐磨性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加適量混合鑭鈰稀土能促使合金的晶粒細(xì)化，抑制共晶硅的生長(zhǎng)。RE加入量為0.15%時(shí)合金的力學(xué)性能明顯提高，稀土對(duì)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(zhuǎn)變。合金在干摩擦條件下耐磨性得到提高，在300N載荷時(shí)磨損量?jī)H10.1mg，比ZA27合金降低了近65%。

稀土；ZA40合金；變質(zhì)；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(dāng)合金中鋁含量超過27%后，合金的力學(xué)性能和耐磨性優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)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(shí)其存在形式為細(xì)針狀的硅顆粒。Parsad[6]研究結(jié)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(shí)ZA40合金相當(dāng)于達(dá)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(duì)基體的割裂作用增大，增加了裂紋敏感性[5]。所以，設(shè)法細(xì)化初晶硅或抑制共晶硅生長(zhǎng)并使之細(xì)化，均能有效地提高合金力學(xué)性能和耐磨性能。稀土在ZA27合金中的變質(zhì)作用也有很多報(bào)道，但對(duì)稀土的變質(zhì)效果目前存在異議，稀土對(duì)ZA40合金中硅的變質(zhì)作用目前還罕見報(bào)道。本文以含有3%Si的鋅鋁鎂銅合金為對(duì)象，探討加入0.05%～0.25%wt的鑭鈰混合稀土（RE）后，對(duì)合金的微觀組織、力學(xué)性能和耐磨性能的影響。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料采用 Zn(＞99.99%)，Al(＞99.6%)，Al－50%Cu，Al－20%Si，Mg(＞99.8%)，Re(La30%,Ce70%,雜質(zhì)＜1%)配制，在井式石墨坩堝電阻爐中熔煉。試驗(yàn)合金成分見表1。在680℃～700℃用塊狀混合鑭鈰稀土變質(zhì)處理10min后，快速澆注入預(yù)熱至150℃金屬模具中，試樣自然冷卻。微觀組織采用光學(xué)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(jì)上使用直徑5mm的淬火鋼球在250kg載荷作用下保持30s進(jìn)行測(cè)試。拉伸試樣為?10mm×60mm,拉伸速率2mm/s。耐磨性試驗(yàn)在M－200型環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。摩擦副是外圓半徑R×20mm的45號(hào)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(yù)磨至Ra=0.8。試驗(yàn)載荷為200N、300N，轉(zhuǎn)速200r/min，試驗(yàn)時(shí)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(jìn)行微區(qū)能譜分析（EDS）。

表1 ZA40合金的化學(xué)成分及機(jī)械性能

3 試驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)，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(xì)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(xì)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(shù)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(dāng)稀土加入量為0.25%時(shí)，稀土的細(xì)化作用相對(duì)減弱，硅顆粒由聚集長(zhǎng)大趨勢(shì)。硅元素在合金中的形態(tài)對(duì)合金力學(xué)性能及耐磨性有明顯的影響。

3.2 合金的力學(xué)性能及耐磨性

不同稀土含量對(duì)合金力學(xué)性能的影響如表1所示。稀土加入量為0.15%時(shí)力學(xué)性能最好。在室溫下，抗拉強(qiáng)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(duì)合金硬度的影響最大，對(duì)抗拉強(qiáng)度影響最小。隨稀土含量的增加，合金抗拉強(qiáng)度、延伸率及硬度都呈先增大后減小趨勢(shì)。這與合金基體中硅的形貌變化密切相關(guān)，稀土變質(zhì)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(duì)合金基體的割裂作用。

表2 稀土含量ZA40合金摩擦系數(shù)及磨損量的影響

對(duì)不同稀土含量的ZA40合金在不同載荷下的摩擦系數(shù)及磨損量進(jìn)行測(cè)試，如表2所示。從表中可以看到，當(dāng)載荷一定時(shí)，隨稀土含量的增加，試驗(yàn)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(shí)，盡管摩擦系數(shù)減小了，其在重載荷作用下的磨損量劇增，耐磨性降低。當(dāng)稀土含量為0.15%時(shí)，隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)和磨損量變化程度均最小，摩損過程穩(wěn)定，在300N載荷時(shí)磨損量?jī)H10.1mg。而根據(jù)文獻(xiàn)[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(zhì)的ZA40合金的磨損量較ZA27要小許多。由此可知，稀土變質(zhì)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(qiáng)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(jī)理，對(duì)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(diǎn)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(zhǔn)解理斷裂機(jī)制的典型表現(xiàn)。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(xiàn)出混合型斷裂特征。文獻(xiàn)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(shí)，合金斷裂表面特征逐漸轉(zhuǎn)變成混合型斷裂特征。當(dāng)稀土含量為0.15%時(shí)，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(qiáng)度和延伸率提高相對(duì)應(yīng)。另外，在斷口表面還可觀察到二次擴(kuò)展裂紋。我們認(rèn)為這是由于硅顆粒的作用所致。在外應(yīng)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(kuò)展而導(dǎo)致沿晶斷裂，形成大量的解理斷裂表面[10]。

為進(jìn)一步分析稀土變質(zhì)硅顆粒對(duì)合金力學(xué)性能的影響，對(duì)導(dǎo)致斷裂的關(guān)鍵部位做了局部放大和EDS分析，如圖3所示。對(duì)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(jié)合金相圖1（a）可推測(cè)鑄態(tài)拉伸斷口處的裂紋主要產(chǎn)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(nèi)向外，沿晶界擴(kuò)展并導(dǎo)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(qiáng)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(shí)合金脆性斷裂面底部硅含量相對(duì)于0.05%RE時(shí)要少。稀土可以抑制細(xì)針狀共晶硅生長(zhǎng)，硅相主要以塊狀初晶硅形式析出，硅相形貌的變化增強(qiáng)了與基體相的融合作用，拉伸時(shí)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(shí)ZA40合金磨損后試樣表面出現(xiàn)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(shí)磨損痕跡并不明顯，呈斷續(xù)狀分布，磨損表面有剝落的豆?fàn)畎伎?，磨損比較嚴(yán)重。對(duì)黑白區(qū)域放大后取點(diǎn)做EDS分析，如表3所示。結(jié)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(jù)此認(rèn)為此時(shí)摩擦表面形成了致密的氧化物復(fù)合層。300N載荷時(shí)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(duì)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(jìn)晶粒細(xì)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(shí)，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(qiáng)自潤(rùn)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(jié)論

（1）ZA40合金加入0.15%混合鑭鈰稀土?xí)r變質(zhì)效果最佳。稀土變質(zhì)細(xì)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(duì)ZA40合金抗拉強(qiáng)度影響最小，延伸率其次，對(duì)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(zhǔn)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。

[1]T.Savaskan,M.S.Turhal.Relationships between cooling rate,copper content and mechanical properties of monotectoid based Zn Al Cu alloys[J].Materials Characterization，2003，51：259～270.

[2]Prasad BK.Wear response of a zinc－based alloy containing silicon as influenced by material microstructure and test conditions.Mater Sci Eng A 2004，367:63～73.

[3]B.K.Prasad,A.K.Patwardhan,A.H.Yegneswaran.Microstructure and Property Characterization of a Modified Zinc－Base Alloy and Comparison with Bearing Alloys[J].Journal of Materials Engineering and Performance，1998，7(1)：130～135.

[4]Temel Savaskan，Alev Aydiner.Effects of silicon content on the mechanical and tribological properties of monotectoid－based zinc aluminium–silicon alloys[J].Wear，2004，257：377～388.

[5]Temel Savaskan，Osman Bican.Effects of silicon content on the micro－structuralfeaturesand mechanicaland slidingwear properties of Zn 40Al 2Cu (0 5)Si alloys[J].Materials Science and Engineering，2005，A 404：259～269.

[6]Prasad B K.Effects of partially substituting copper by silicon on the physical,mechanical,and wear properties of a Zn－37.5%Al based alloy[J].Materials Characterization，2000，44：300～308.

[7]MiroslavBabic,SlobodanMitrovic,BranislavJeremic.The influence of heat treatment on the sliding wear behavior of a ZA－27 alloy[J].Tribology International，2010，43：16～21.

[8]Yasin Alemdag，Temel Savaskan.Effects of silicon content on the mechanical properties and lubricated wear behaviour of Al－40Zn－3Cu－(0－5)Si alloys[J].Tribol.Lett，2008，29：221～227.

[9]游志勇，趙浩峰，李建春，等.Zn－Al－Si合金的斷裂特性研究[J].鑄造技術(shù)，2009，30（7）：892～895.

[10]趙浩峰，永蓮，饒群力.球團(tuán)硅相增強(qiáng)ZA35合金基復(fù)合材料及其耐磨性[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1998，8（1）：172～176.

[11]趙浩峰，張鳳林，趙沛廉.稀土化合物增強(qiáng)ZA27合金耐磨性的研究[J].中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，1999，17（3）：227～230.

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(hào)：1202－010

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