Ce对Zn_Al合金组织性能的影响

　　　　　　　　　　　　　　　　　　1998年9月

Vol.8　Suppl.1Sep.1998TheChineseJournalofNonferrousMetals

Ce对Zn-Al合金组织性能的影响

刘金水　谢贤清　蒋　冰　舒　震　肖汉宁

(湖南大学机械与汽车工程学院,长沙410082)

①

-Al合金(ZA27、ZA43)的力学性能、淬火时效特性及耐磨性的影响。结果摘　要　　研究了Ce对Zn表明,Ce能明显细化合金的铸态组织,提高其强度和塑性。当ZA27和ZA43中含Ce量分别为0.10%和0.15%时,获得最佳的力学性能。提出了Ce细化Zn-Al合金的机理,加Ce后成分过冷效应所引起的枝晶熔断脱落对细化α相起主要作用。

关键词　ZA合金　耐磨性　淬火时效　枝晶　成分过冷中图法分类号　TG292

　　作为新型的铸造合金,Zn-Al合金不但具有优良的铸造性能,较高的强度,而且具有廉价丰富的原材料和简便的熔铸工艺[1-3]。为了扩大其使用范围,它的塑性,刚度和耐磨性有待进一步提高。ZA27合金中加入稀土金属Ce可使其铸态组织细化,强度和韧性得到改善。但Ce对ZA43合金组织性能及时效特性的影响还少有文献报道。本文探讨了ZA27和ZA43中的最佳Ce含量,以及合金中Ce的存在形式以及它对合金微观结构和凝固过程的影响。

镜及RAX-10X射线衍射仪上进行微区成分分析和结构分析。

表1　合金的成分

Table1　Chemicalcompositionofalloys

Alloy

Al

Cu

Mg

Fe

Sn

Pb

ZA2726.5～27.52.0～2.50.015～0.0210.0210.00180.0016ZA4342.0～44.02.5～3.00.015～0.020.0250.00140.0017

(数据均为质量分数,剩余为锌含量。)

2　实验结果及讨论

2.1　力学性能和组织

表2为Ce对合金常温力学性能的影响。随合金中Ce含量的增加,合金的强度和塑性显著提高。ZA27中Ce含量为0.1%时,其强度和韧性均达到最大值,抗拉强度提高55MPa,延伸率提高4.1%。ZA43中Ce含量0.15%时,其强度和韧性达到最大值,抗拉强度提高75MPa,延伸率提高0.7%。当Ce含量在ZA27和ZA43中分别超过0.1%和0.15%时,许多含Ce复合化合物聚集在晶粒外沿,引起强度和韧性下降。

对ZA27和ZA43合金变质前后进行的金相分析表明,高铝锌合金的铸态组织为富Al的

1　试验方法

电阻炉内熔制Zn-Al合金,一定温度下,分别加入A1-50%Cu和Al-11.5%Ce的中间合

金,然后充分搅拌,滤渣,在600℃时浇注金属型试样,试验合金在350℃经48h固溶处理,于0℃水中淬火后,再进行等温时效。试验用的合金成分如表1所示。磨损试验在MHK-500型环形试验机上进行,试验用环由GCr15钢制成,试块尺寸为10mm×10mm×20mm,硬度为HRC58-62。抗拉试验在万能试验机上进行。使用MM-6型金相显微镜进行金相分析及显微硬度测量。在JSM-T200扫描电

①

收稿日期:1998-02-01;修回日期:1998-03-23　　刘金水,36岁,副教授,博士研究生第8卷增刊1　　　　　　　　　　　　　刘金水等:Ce对Zn-Al合金组织性能的影响·7·

表2　Ce对ZA27和ZA43合金力学性能的影响

对Ce细化晶粒起着主要作用。

表3　含Ce化合物的成分

Table2　VariationofmechanicalpropertieswiththecontentsofCeinZA27andZA43

ThecontentofCe/%

00.050.100.150.200.25

ZA27UTS

/MPa420438470435425418

EL/%

HB

UTS/MPa262285322347334316

ZA43

EL

HB/%1.51.7

9598

Table3　CompositionofCe

containedcompound

ElementsCeZnAlCu

Contents6.99～7.0767.68～70.2916.68～18.868.57～9.78

1.51033.11095.51123.61072.31051.8103

1.91022.21051.81051.6104

α相和分布于晶界的非平衡共晶组织。加Ce处理后,合金的铸态组织细化,α相枝晶变得细长,由发达的树枝晶转变为“碎块状”细晶粒

和少量细短枝晶(图1,图2)。电子探针微区分析结果表明,Ce的面分布是不均匀的,Ce在晶粒外沿富集(图3)。ZA43合金的相组成主要由α、η及ε相组成(图4)。富Al的α相呈发达的树枝状构成组织骨架,富Zn的η相和富Cu的ε相(CuZn4)主要以三元共晶体或粒状沿晶界分布。EDXA结果列于表3。

既然Ce在ZA27、ZA43合金中形成的复合化合物分布于晶粒外沿而不是晶粒中心,说明这种化合物不是异质晶核。另一方面,加Ce后,α相由发达的树枝晶转变为碎块状的晶粒[4,5],因此,可以认为枝晶分枝的熔断脱落

2.2　高铝锌合金时效特性及过饱和α相分解

关于Zn-Al合金过饱和固溶体在时效过程中沉淀析出物特征的研究,对合金的进一步开发十分重要。图5、6分别表示两种试验合金经350℃、48h固溶处理后于0℃水淬后150℃时HV的变化。由时效曲线可见ZA27和ZA43合金呈明显的时效硬化过程。ZA27合金时效至25min左右出现硬度最大值HV171。Ce加速试验合金的时效硬化,含0.1%Ce的ZA27和含0.15%Ce的ZA43分别时效到10、15min时出现硬度最大值HV190和HV185。形成共格的球形GP区是欠时效状态特征,硬度的峰值对应于球形GP区与共格或部分共格的亚稳过渡相α″的混合状态,最后形成与基体非共格的平衡相η时,则达到过时效状态,导致硬度下降。Ce在α固溶体中的固溶

图1　ZA43合金的铸态组织

Fig.1　As-castmicrostructuresofZA43alloy

(a)—WithoutCe;(b)—With0.15%Ce·8·中国有色金属学报　　　　　　　　　　　　　　　　　1998年9月

图2　ZA27合金的铸态组织

Fig.2　As-castmicrostructuresofZA27alloy

(a)—WithoutCe;(b)—With0.10%Ce

图4　合金的X射线衍射图谱

图3　含CeZA43的铈复合化合物

Fig.4　X-raydiffractionpatternsofZA43alloy

(a)—ZA43alloy;(b)—ZA43alloycontaining0.15%Ce

Fig.3　ChemicalcompoundinZA43withCe度非常小,时效时Ce促使过冷α相以更快的

速度形成GP区,使时效过程出现硬度峰值的时间缩短。

Zn-Al合金相变的重要特点是平稳的混合间隙(α′+α″)位于(α+η)两相区内[7](图7)。快速冷却时共析转变受到抑制,α固溶体被过冷至共析温度以下的亚稳混合间隙(α′+α″)两相区内发生Spinodal分解,同时形成GP区。由于应变能不大,GP区主要按界面能最小原则而呈球状。GP区为预脱溶产物,在脱溶过程中会逐渐变为稳定相,其脱溶顺序为:

富Zn球形GP区※α′正方※面心立方α′※η。图5　ZA27合金淬火时效曲线

Fig.5　Quench-agingcurvesofZA272.3　耐磨性第8卷增刊1　　　　　　　　　　　　　刘金水等:Ce对Zn-Al合金组织性能的影响·9·

在固定的摩擦速度及润滑条件下进行连续润滑试验以测定材料的耐磨性,试验时的滑动速度为2.58m/s,润滑方式为连续润滑,润滑油流速为480cm/min。以试块上的磨痕宽度来比较不同材料的耐磨性。图7,图8和图9分别为磨损试验结果。

3

影响的经验规律,当原子半径差的相对值大于15%时,只能形成固溶度很小的固溶体。Ce的原子半径为1.825 ,锌,铝的原子半径分别为1.25 和1.431 ,铈与铝、锌的原子半径差的相对值分别达到27%和46%。因此,Ce在锌、铝中的溶解度极小,均不超过0.05%。

图6　ZA43合金淬火时效曲线

Fig.6　Quench-agingcurvesofZA43

图8　Ce对ZA27合金磨损特性的影响

Fig.8　EffectofCeonweartrackwidthof

ZA27alloy

图7　锌-铝相图

[6]

Fig.7　Zinc-aluminumphasediagram

[6]

在试验条件下,锌合金的磨痕宽度随载荷增加而缓慢增大,这主要与磨擦界面温度升高导致界面层软化和润滑剂粘度降低有关。合金

中加入Ce使合金的铸态组织细化,α相枝晶变得细长,由发达的树枝晶转变为“碎块状”细晶粒和少量细短枝晶,使组织更细密,硬相分布更均匀、细小。同时含Ce复合化合物质点在磨擦副中可提供支承作用,对提高合金的耐磨性有一定的效果。2.4　Ce的细化机理

根据形成一次固溶体时原子尺寸对固溶度图9　Ce对ZA43合金磨损特性的影响

Fig.9　EffectofCeonweartrackwidth

ofZA43alloy

Ce的原子半径大,在合金中固溶量极小(k<<1),即属于所谓“表面活性元素”。晶体生长时富集在相界面上。多元系结晶时平界面

稳定的条件是:界面处的实际温度梯度应等于或大于液相线温度梯度。例如,对于Zn-Al-Ce三元合金系,成分过冷判据可表示为[8]

·10·中国有色金属学报　　　　　　　　　　　　　　　　　1998年9月

mAlCAl1-KAl)0(

G/R≥-KAlDAl

mCeCCe1-KCe)0(

KCeDCe

式中　G———界面前沿液体中的温度梯度;K———晶体的生长速度;mAl———含Ce量为CCeAl-Ce状态图液相面的斜率;0时,Zn-mCe———含Al量为

CAl0

时,Zn-Al-Ce状态图液

lCe相面的斜率;CA——分别为合金中Al,0,C0—

改善耐磨性、抗拉强度和塑性。Ce富集在α相

的边缘,以Ce、Zn、Al、Cu复合化合物的形式存在。

(2)Ce加速ZA27和ZA43的淬火-时效过程。(3)Ce在ZA27和ZA43合金中的成分过冷效应所引起的枝晶分枝熔断对细化晶粒起主要作用。

REFERENCES

1　SkenaziAFetal.Metall,1983,(9):898-902.2　LiBJ,ChaoGG.MetallurgicalAndMaterials

Transactions,A,1996,27A:809.

3　ZhangFuquan(张福全)andShuZhen(舒　震).SpecialCasting&NonferrousAlloys(特种铸造及有色合金),1992,(2):1-4.

4　HoughttonMEandMarrayMT.MetalsForum,

1984,6(4):217.

5　GerraisEetal.AFSTransactions,1980,88:183-194.

6　LiBJandChaoCG.MetallurgicalandMaterials

TransactionsA.1996,V27A:809-817.

7　ShuZhen(舒　震),LiuJinshui(刘金水)andYuanBing(袁　斌).JournalofHunanUniversity(湖南大学学报),1994,21(3):47-52.

8　FlemingsMC.SolidificationProcessing,NewYork:

McGraw-Hill.1974:31-92,154-176.

Ce的初始含量;KAl,KCe———分别为Al,Ce的平衡分配系数;DAl,DCe———分别为Al,Ce在

液相中的扩散系数。

对于含Al量一定的合金,平界面稳定的临界温度梯度将随合金中含Ce量的增大而增大。而在G/R一定的条件下,Zn-Al合金中的成分过冷也将随合金中含Ce量的增大而增大。成分过冷的大小影响晶体的生长方式,它的增大导致枝晶生长。晶体呈枝晶生长时,其分枝常出现细的缩颈,缩颈处曲率大,熔点低而薄弱,故易熔断、脱落而被液流卷入内部。由于液体内部温度起伏,脱落的晶体在下沉或上浮过程中可能产生晶体增殖,从而起到细化晶粒的作用。

3　结论

(1)Ce可显著细化ZA27和ZA43的组织,

INFLUENCEOFCERIUMONMICROSTRUCTURESANDPROPERTIESOFZINC-ALUMINUMALLOYS

LiuJinshui,XieXianqing,JiangBin,ShuZhenandXiaoHanning

CollegeofMechanicalandAutomobileEngineering,

HunanUniversity,Changsha410082,P.R.China

ABSTRACT　Theeffectsofceriumonmechanicalproperties,quench-agingandwearresistanceofzinc-aluminumalloys

(ZA27,ZA43)wereinvestigated.Ceriumcanobviouslyrefineas-castmicrostructureandimprovebothstrengthandduc-tilityofthealloy.Thebestmechanicalpropertieswereobtainedat0.10%CeinZA27and0.15%inZA43.Itissug-gestedthatthegrainrefinementofthezincalloysbyceriumisrelatedtoagrainmultiplicationmechanismbyremeltingofthedendritearmscausedbytheconstitutionalsupercoolingeffectofcerium.

Keywords　ZAalloy　wearresistance　quench-aging　dendriticbranches(编辑　朱忠国)