鈦加入量對(duì)鋅鋁銅鎂稀土合金組織和拉伸性能的影響

趙啟淞，起華榮，王 璐，王效琪，史慶南

（昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明650093）

0 引 言

ZA4－1合金由于流動(dòng)性好，可壓鑄出形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，已成為常用的壓鑄鋅合金。此外ZA4－1合金還可采用離心鑄造的方式生產(chǎn)圓筒形零件，如軸套、軸瓦等，但容易出現(xiàn)偏析等缺陷，使內(nèi)層與外層之間成分不均勻，從而影響產(chǎn)品的性能［1］。近年來(lái)，由于ZA4－1合金熔點(diǎn)低，成本低廉，不少企業(yè)采用硅橡膠模具借助離心鑄造的方式來(lái)生產(chǎn)首飾及精美工藝品，如戒指、耳飾、胸針等，但由于ZA4－1合金塑性較差，形狀復(fù)雜的飾品難于成型，廢品率較高，因此提高合金的塑韌性成為一個(gè)重要的課題。

稀土是一種重要的變質(zhì)劑，在鋅合金中加入適量的稀土，可降低合金中有害雜質(zhì)的作用，提高合金的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和沖擊韌性，改善合金的耐磨性和耐腐蝕性能［1］。其中在ZA4－1合金中添加0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的富鈰混合稀土能有效改善合金的綜合力學(xué)性能。鈦?zhàn)鳛橐环N細(xì)化劑，廣泛應(yīng)用于鋁合金、鎂合金及高鋁鋅合金等材料的鑄造中［2－4］，對(duì)細(xì)化合金晶粒、改善合金鑄造性能和力學(xué)性能具有顯著效果。但目前有關(guān)鈦加入量對(duì)稀土改性ZA4－1合金（鋅鋁銅鎂稀土合金）組織與性能的研究報(bào)道并不多，因此，作者采用硅橡膠模具，通過(guò)離心鑄造制備不同鈦加入量的鋅鋁銅鎂稀土合金，研究了加入量對(duì)組織和性能的影響，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料采用0號(hào)鋅錠、00號(hào)純鋁、1號(hào)電解銅、1號(hào)工業(yè)純鎂及稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的富鈰稀土鋁中間合金，鈦使用AD－75Ti劑。為操作方便，用原料先自制鋅銅和鋅鎂中間合金，中間合金成分為Zn－10Cu和Zn－2Mg（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%，下同）。根據(jù)合金的化學(xué)成分4.0Al，1.0Cu，0.06Mg，0.1Ce，余Zn，配制鋅鋁銅鎂稀土合金原料，每爐的原料質(zhì)量約3kg，原料精確到0.1g。在計(jì)算成分的過(guò)程中，已包含稀土及AD－75Ti劑的鋁含量。

將石墨坩堝在SXL－1200型箱式試驗(yàn)電爐中加熱至暗紅色，加入已稱量的鋅銅和鋅鎂中間合金及稀土于坩堝底部，然后加入剩余的鋁錠及約三分之二量的鋅錠，升溫至700℃，待合金完全融化后再加入AD－75Ti劑及剩余的鋅錠使鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%，0.12%，0.16%。當(dāng)所有金屬融化后，降溫至420℃靜置保溫10min，進(jìn)行攪拌、精煉、扒渣，精煉劑為HS－C8Q，然后采用硅橡膠模離心鑄造方式鑄造出GB／T 228－2002中的φ5mm的拉伸試樣和φ10mm的金相試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

組織分析在MM－4XC型光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行，腐蝕液為5%HF（體積分?jǐn)?shù)）；在島津AG－X100KN型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸速度為1mm·min－1；在PhilipsXL30ESEM－TMP型掃描電鏡上對(duì)拉伸斷口進(jìn)行形貌觀察，借助D／max－RC型X射線衍射儀（XRD）對(duì)合金進(jìn)行物相分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鈦加入量對(duì)顯微組織的影響

從圖1中可以看出，鈦的加入改變了合金的顯微組織。沒(méi)有加入鈦的鋅鋁銅鎂稀土合金組織中包含大量η－Zn和β－Al的共晶組織，共晶組織發(fā)達(dá)，共晶組織中有少量的先析出η相，雖然部分晶界較粗大，但η整體連成一片，沒(méi)有被晶界分隔開(kāi)來(lái)；當(dāng)加入0.08%的鈦后，組織中生成了粗大的晶粒，共晶組織η＋β和先析出η相交互生長(zhǎng)，有明顯的枝晶生成；鈦加入量達(dá)到0.12%后，晶粒得到細(xì)化，枝晶減少，部分先析出η相呈等軸狀，共晶組織無(wú)序分布在合金中，晶界變得細(xì)小明顯；鈦的加入量為0.16%時(shí)，先析出η相明顯粗大，共晶組織發(fā)達(dá)，部分未固溶的合金元素被推到晶界處，晶界明顯。

2.2 鈦加入量對(duì)拉伸性能的影響

從圖2中可以看出，鈦對(duì)合金的拉伸性能有較大的影響。當(dāng)在合金中加入0.08%的鈦后，合金的抗拉強(qiáng)度急劇降低，從沒(méi)加入時(shí)的310MPa降低到260MPa，降低了16.1%，但伸長(zhǎng)率略有升高；當(dāng)鈦加入量為0.12%時(shí)，抗拉強(qiáng)度略有提高，為285MPa，但伸長(zhǎng)率得到較大改善，從未加入鈦時(shí)的4%提高到7%，提高了75%；當(dāng)鈦加入量達(dá)到0.16%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率又都有不同程度的降低，綜合性能下降。所以鋅鋁銅鎂稀土合金中鈦的加入量以0.12%為宜。

2.3 鈦加入量對(duì)斷口形貌的影響

由圖3可見(jiàn)，沒(méi)加鈦時(shí)鋅鋁銅鎂稀土合金的斷口主要由解理面和韌窩組成；加入0.08%的鈦后，合金斷口形貌發(fā)生了較大變化，斷口中包含了大量的韌窩和解理面，還有少量的裂紋；鈦的加入量為0.12%時(shí)，斷裂形式變?yōu)榇┚嗔?，合金中的解理面增加，晶粒沿各個(gè)方向斷裂，晶界處有少量的韌窩形成；當(dāng)鈦添加量為0.16%時(shí)，斷口中韌窩減少，晶粒斷裂方向較平整。

2.4 影響機(jī)理

鈦在鋅中的溶解度較小，加入微量的鈦就能細(xì)化合金的晶粒，提高其力學(xué)性能。鈦在882℃下具有密排六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（晶胞參數(shù)ɑ＝0.295 3nm，c＝0.472 9nm［5］），與 熔 體 中 的 鋅 （ɑ ＝0.266 49nm，c＝0.494 68nm）具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，鈦熔點(diǎn)較高，在合金凝固過(guò)程中，鈦?zhàn)鳛楫愘|(zhì)形核點(diǎn)促進(jìn)先析出η相形核，改變了合金的凝固方式，細(xì)化了合金晶粒［6］。從圖4可見(jiàn)，加入0.12%Ti后，鈦與鋅鋁銅鎂稀土合金熔體中的鋁生成Al2Ti和 Al1＋xTi1－x，Al2Ti和 Al1＋xTi1－x又可與熔體中剩余的鋁發(fā)生包晶反應(yīng)生成α－Al，起到促進(jìn)形核的作用，同時(shí)此析出相分布在晶界上，抑制了晶粒長(zhǎng)大。

在鋅鋁銅鎂稀土合金中加入0.08%的鈦，改變了合金的顯微組織，合金中共晶組織減少，使合金的伸長(zhǎng)率略有提高，但由于鑄造時(shí)產(chǎn)生了熱裂紋，使合金的抗拉強(qiáng)度大幅下降。當(dāng)加入0.12%的鈦后，熔體中的異質(zhì)核心增加，凝固過(guò)程中形核率提高，使合金的晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，合金在變形過(guò)程中晶粒間受力更均勻，晶界的增多使位錯(cuò)滑移困難，提高了合金的伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度［7－8］。由于鈦在鋅中的溶解度較低，在300℃時(shí)僅有0.007% ～0.015%，當(dāng)鈦的加入量為0.16%時(shí)，過(guò)量的鈦以雜質(zhì)的形式在晶界上富集，使晶界變得粗大，惡化了合金性能，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都有不同程度的降低。

圖4 加入0.12%鈦的鋅鋁銅鎂稀土合金的XRD譜Fig.4 XRD pattern of Zn－Al－Cu－Mg－RE－0.12%Ti alloy

3 結(jié) 論

（1）在硅橡膠模離心鑄造鋅鋁銅鎂稀土合金中加入鈦能促進(jìn)先析出η－Zn相的形核，還能與熔體中的鋁形成Al2Ti和 Al1＋xTi1－x相，分布在晶界上，抑制了共晶組織的生成。

（2）在合金中添加0.08%的鈦后，合金的抗拉強(qiáng)度從310MPa降低到260MPa，降低了16.1%；若鈦加入量為0.12%，抗拉強(qiáng)度雖降為285MPa，但伸長(zhǎng)率從4%提高到7%，提高了75%；隨著鈦含量的進(jìn)一步增加，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都有不同程度的降低。

（3）在硅橡膠模離心鑄造鋅鋁銅鎂稀土合金中，鈦的最佳加入量為0.12%。

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