RE对ZA-27合金组织和性能的影响

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1992.01.024 第14卷第1期 北京科技大学学报 Vol.14 No.1 1992年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan,1992 RE对忆A-27合金组织和性能的影响 韩青有·胡汉起·曾诚荫… 摘要：为进一步提高ZA-27合金的耐磨性，研究了RE对其组织和性能的影啊。实验 结果表明；RE使这种合金的品粒细化，二次枝品臂间距缩短，α相面积百分数略有增加。 加入RE量大于0,1%时，基体中出现含RE硬质点，其形貌陆RE加入量的提高而变化。RE 的上述行为使乙A-27合金的强度和硬度略有提高，韧性降低，在润滑条件下的耐磨性可大 辐度提高。 关键词：锌合金，耐磨性，稀土加入 Influences of RE on the Properties and Structure of ZA-27 Alloy Han Qingyou'Hu Hanqi.Zhen Chengyin'. ABSTARCT:In order to investigate the possibility of improving the wear resi- stance of ZA-27 alloy,the influence of RE on the properties and structure of alloy has been sludied,The experimental results show that RE refines gra- in size,shortens secondary dendrite arm spacings,increases the areal fraction of phase,When the RE addition is larger than 0.1%,hard phase containing RE appears in the metal matrix.The morphology of this phase varies with the increase of RE addition,The above mentioned behavior of RE enhances tensile strength and hardness slightly,decreases toughness and increeases wear re- sistance of ZA-27 alloy remarkably. KEY WORDS:zinc alloy,wear resistance,RE addition 1991-01-30收到初稿，1991-10-20收到修改稿 ◆北京科技大学(University of Science and Technology Beijing) ,,鞍钢机械制造公司(Anshan Iron and Stcel Complex) 42

第“ 番第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 了 封。 。 。 对 一 合金组织和性能的影响 韩青有 ’ 胡汉 起 ’ 曾诚 荫” 一，门 摘 要 为进 一步提高 一 合金 的耐磨性 ， 研究 了 对其组织和 性能的 影 响 。 实 验 结果表明 ， 使这 种合金 的晶粒 细化 ， 二次 枝晶 臂间距缩短 ， 。 相面 积百 分数略 有 增 加 。 加 入 量大于 。 写时 ， 基体 中出现含 硬 质点 ， 其形貌随 加人量 的提高而变化 。 的上述行为使 人 一 合金 的强 度和 硬 度略有提高 ， 韧性降低 ， 在润滑条件下 的耐磨 性 可 大 ‘ 辐度提高 。 关健词 锌合金 ， 耐磨性 ， 稀土加人 一 夕 ， ‘ ” 夕夕 二 一 ， 。 ， ， 。 ， 。 。 ， 一 ， ， 、 如 一 一 收到初稿 ， 一 一 收到修改 稿 北京科技大学 鞍钢机城制造公 司 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．01．024

ZA-27合金具有优良的机械性能。其强度、硬度、耐磨性等均优于锡青铜：12)，且成 本低、能耗少（熔点低）、无污染、铸造性能较好〔84，是一种有前途的工程材料。国内 一些厂家已用这种合金取代常温下使用的锡青铜件，取得了较大的经济效益。虽然ZA-27合 金具有较好的综合机械性能，但其单一性能仍需要有较大的提高。为此，本文探索了RE对 其组织和性能的影响，试图通过适量合金化，大幅度提高ZA-27合金的耐磨性，以取得较大 的经济效益。 1实验方法 (1)熔炼使用100kg中频感应炉，在石墨坩埚中将合金熔化。 装料顺序为：先加入铝锭和铝镁、铝铜中间合金，熔化后，再加人锌锭；待熔清后，用 钟罩压入千燥后的复合去气剂除气；最后加入铝稀土。炉内测温，550℃±10℃浇注。 (2)性能试验所有的性能试样均取自基尔试样，金属型铸造，铸型预热200℃，浇注 后20min,打开铸型空冷至室温。 拉力试验按GB228-76标准，冲击试验采用无缺口试样，按GB1817-79标准进行；耐磨 试验的对磨副材质为45钢，经锻压成毛坯，热处理调整其硬度为220HB左右。润滑剂选用中 极压油。 (3)金相试样制备与测试全部金相试样取自冲击试样。用扫描电镜观察断口及腐蚀后 的共析体层片组织，电子探针做微区分析，用图像分析仪测定相的面积百分数，RE硬质点 的面积百分数由网格法在500倍显微镜下测量。 2实验结果 实验用ZA-27合金的成分(%)为：A126-28,Cu1-2,Mg0.01-0.03,Fe≤0.1，Zn余 量。改变RE加入量以考案RE的作用。 在金属型条件下，含有RE的ZA-27合金的典型铸态组织为初生相、共析组织、共晶组 织及含RE硬度点相。初生a相以枝晶的形式出 200r 现；共折组织出现在枝晶边缘；枝晶及晶粒间 出现共晶组织，含RE硬质点群在基体中均匀 分布。 100 2.1RE对初晶a相的影响 在冲击试样中心部位等轴晶区测定晶粒大 0.10.20.30.40.50.6 小，以d表示，实验结果见图1。由图1可知， RE,% 随着RE量的增加，ZA-27合金的晶粒尺寸减 图1RB含量与品拉尺寸的关系 小，可见，RE可明显地细化晶粒（见图2)。 Fig.1 The relationship between grain 图像分析仪测试表明，随着RE含量提 size,d,and RE addition 高，合金组织中的初生4相的面积百分数F略有增加。 43

一 合金具有优 良的机械性能 。 其强 度 、 硬度 、 耐磨性等均优于锡 青 铜 “ ’ “ ’ ， 且成 本低 、 能 耗少 熔点低 、 无污染 、 铸造性能较好 〔 ’ ’ ， 一些厂 家 己用 这种合金取 代常温下使用 的锡青铜件 ， 是 一种有前途的工程 材 料 。 国内 取得 了较大的经济效益 。 虽然 一 合 金具有较好的综合机械性能 ， 但其单一性能 仍需要有较大的 提高 。 为此 ， 本文探 索 了 对 其组织和性能的影响 ， 的经 济效益 。 试图通 过适量合金化 ， 大幅度提高 一 合金的耐磨 性 ， 以取得较大 实 验 方 法 熔炼 使用 中频感应炉 ， 在 石墨柑拐中将合金熔化 。 装料顺序为 先加人铝 锭和铝镁 、 铝铜 中间合金 ， 熔化后 ， 钟罩压入 干燥后的 复合去气剂除气 再加入锌锭 待熔清后 ， 用 性能 试验 最后加入铝 稀土 。 炉内测温 ， 勃 ℃ 士 ℃ 浇注 。 所有的 性能试样均取 自基尔试样 后 初 ， 打开 铸型空 冷至室温 。 拉力试验按 一 标准 ， 金属型铸造 ， 铸型 预热 ℃ ， 浇 注 试验的对磨 副材质为 钢 ， 极 压油 。 冲击试验采用 无缺 口试样 ， 按 一 标准进 行 耐 磨 经锻 压成毛坯 ， 热处理调整其硬度 为 左右 。 润滑 剂选 用 中 金相试样制备与测 试 全部金相试样取 自冲击试样 。 的共析体层片组织 ， 电子探针做微区 分析 用图像分析仪侧定 的 面积百分数 由网格法在 倍显 微镜下 侧量 。 用 扫描 电镜观察断 口及 腐蚀 后 口 相的面积百 分数 ， 硬 质点 实 验 结 果 量 。 翼溉丈募器藻霭 ， 一 ’ “ ‘ 一 “ ， “ ‘ 。 · “ ‘ 一 “ · ” ‘ ， 簇。 · ‘ ， ‘ ” 余 织露氛篡既 ， 纂戛霜霆藻荔霆岔 “ 型堕铿缈竺乡兰竺些 、 “ 晶组 现 共折组织 出现在 枝晶边缘， 枝晶及晶粒间 出现共 晶组织 多 含 硬 质点群在 基体中均 匀 氛 分布 。 心 。 对初 昌 相 的影晌 在 冲击试样 中心部位等轴晶区 侧定晶粒大 小 ， 以 表示 ， 实验结果见 图 。 由 图 可 知 ， 随着 量的 增加 ， 一 合金的 晶粒尺寸 减 小 ， 可 见 ， 可 明显 地细 化 晶粒 见图 。 图像分析仪 测试表 明 ， 随 着 含 量 提 丫肠、 、 一 脚 口口 ， 绍 图 含量与晶拉尺寸己的关系 丁 众 主 ， 了， 高 ， 合金组织中的初生 相 的面积百分数 略有 增加

(a)RE=0 (b)RE=0,1% (c)RE=0,39% 图2含和不含稀土的ZA-27合金的结构 Fig.2 The macrostructure of ZA-27 alloy with or without RE addition 在试样中心部位实测二次枝晶臂间距d2发 1G 现，稀土使二次臂间距较为明显地降低。 RE对F、d,的影响见图2、图3。当RE 20 含量超过0.2%时，增加RE含量作用不大。 80r 2.2RE对共析组织的影响 10 RE对共析组织的影响见图4。实验结果 60 0.10.20.30.40.3 表明，RE使共析组织层片间距减小。 RE,% 图3RE对：相面积百分数F、二次 2.3含RE硬质点 技品臂间距d2的影响 当RE加入量超过0.1%时，在ZA-27合金 Fig.3 The inflaence of RE the area fraction of a phase f and on the 基体中出现含RE硬质点。JEOL电子探针微区 secondary dendrite arm spacings, 分析表明，该硬质点为RE与A1、Zn等元素的 da 金属间化合物。共化学成分为(%)：Zn77.57, (a)RE=0% (b)RE=0.1% (c)RB=0.39% 图4RB对共析纽织层间距的影响 Fig.4 The of RE on the eutectoid structure of ZA-27 alloy A113,17,Cu1.93,RE7,34,显微硬度为HV=156,这种硬质点群在基体中均匀分布。图5 44

间 二 鑫髦赞 图 含 和 不含稀土 的 一 合金 的结 构 ，， 一 在试样 中心部位 实测 二次枝 晶臂间距 发 现 ， 稀土 使二次臂 间距较为 明显 地降低 。 对 、 的影响见 图 、 图 。 当 含量 超过 时 ， 增加 含量作用 不大 。 〔〕 巨泛 少 胡 叭 叭 对 共析组 织 的影响 对 共析组织 的影响见 图 。 实 验结 果 表 明 ， 使共析组 织层片 间距减小 。 厂 一，， 叫下 ‘ 函吞石 一 心 州， ，曰 巴曰加产 罗 卜 一－ 一 甲一 侧 含 硬 质点 当 加人 量 超 过 时 ， 在 一 合 金 基体 中出现含 硬 质点 。 电子 探针 微 区 分析表 明 ， 该硬 质点为 与 、 等元素 的 金属 间化 合 物 。 其化 学成分为 ， 飞 口 口 多 斗 乡 日 ， 形 图 对 ‘ 相面 积百 分数 、 二次 枝晶臂间距窟 的影 响 〔习 弓 ，殉 二 一 。 叫 ， ， 。 图 」 对共析纽 织 层间距 的影 响 一 了 ， 显 微硬度为 ， 这种硬 质点群在墓体中均匀分布 。 图

为硬质点的照片，由照片可见，RE=0.22%时，硬质点为椭圆形当RE=0.39%时，其形 状为多角形和四方形。 (a)RB=0% (b)RE=0.22% (c)RE=0.39% 图5RE与硬质点形态的关系 Fig,5 The relation between RE addition and the morphology of intermetallic compound 利用网格法测定含RE硬质点相的面积百 分数F,并测量了硬质点的尺寸♂，结果见图 6所示，RE含量提高，硬质点的直径增大， 20 od 析出的硬质点的数量增多。 15 2,4RE对a相及共晶组织的元素含量及显微硬 10 度的影响 0.20.50.40.50.6 RE对：相及共晶组织中元素含量及显微硬 RE, 度的影响见表1。由显微硬度的数据可见，含 阁6RB与硬质点的直径8及面积 RE试样的a相与共晶组织显微硬度的比值约为 百分数F的关系 3,而不含RE试样的比值约为5。显微硬度的 Fig.6 The relafion between RE addition 匹配改变了。 and-cht size,8,the are fracfion of intermetallics 2.5RE对ZA-27合金性能的影购 表1“相及共晶组织的微区成分及显微硬度 Table 1 The composition and the hardness of a phase and eutectic structure 元张/% 纽织 RE量/% HV Al Zn Mg Cu Fe RE 47 52 0 1.2 0.08 60 a相 0.05 48 51 0 1 0.01 <0.01 58 0 0.9 95 0.013 4 0.08 0 13 共晶 0.05 1,0 93 0,013 6 0 0.017 17 45

为硬 质点的照片 ， 由照片可 见 ， 它二 时 ， 硬 质点为椭圆难 当 。 时 ， 其 形 状为 多 角形和 四 方形 。 二 。 纬 二 图 与硬 质点形态 的关系 弋粤臼 弘仍 利 用 网格法 测定含 硬 质点相的 面积百 分数 ， 并测 量 了硬 质点的尺寸 ， 结果见 图 所示 ， 含 量提高 ， 硬 质点 的直径增大 ， 析 出的硬 质点的数量增多 。 看 对 相 及 共 晶组 织 的元 素 含量 及 显 微硬 度的影 响 对 相及共 晶组 织 中元素含量及显微硬 度 的影响 见表 。 由显微硬 度的 数据可 见 ， 含 试样 的 相与 共 晶组织 显 微硬 度的 比值约 为 ， 而 不含 试样 的 比值 约为 。 显 微硬 度 的 匹配 改变 了 。 厂 月白 户 之 之 〕 乡 口 夺 口 以巨 ， 阁 与硬 质点的直径占及面 积 百分数 万的关系 丁 一 ， 占 ， 对 一 合 金性 能的影 响 表 相 及 共 晶组 织的微 区 成分 及 显微硬 度 元 素 纽 织 量 。 。 。 。 。 共 晶 。 。 。 。 。 尸， 一 一 圈 阅 一 一 口 一 一 哪 一 一 一 一 川 一 一

表2RE量与机械性能 Table 2 RE addition and the mechanical properties of ZA-27 alloy RE量/% 性 能 0.05 0.10 0.15 0.20 o/(N/mm2) 350.5 356.7 364.6 359.7 367.5 81% 7.5 7.5 5.8 4.5 3.8 ax/(N.m/cm2) 83.3 13.7 60.8 59.8 61.7 HB 105.0 108.0 111.5 112.0 109.0 表3耐磨实验数据表 Tahle3 Experimental data of wear resistance of ZA-27 alloys. RB量 磨擦副硬度 润滑油 正压力 磨损事 磨擦系数 磨擦力矩 /% /HB /(drop/min) /N /(mg/10s) /(Nm) 0 226 1/10 1600 8.59 0.216 0.6-0.9 0.04 229 1/9 1800 1.35 0.139 0.8-0.1 0.20 226 1/8 1600 1.19 0.128 0.5-0.6 根据上述对组织的实验结果分析，在RE含量小于0.25%条件下实测了RE与性能的关 系，见表2。可见，加入RE后，抗拉强度提高10~20N,HB略有提高，但延伸率及冲击韧 性却降低了。 耐磨性能实验结果见表3，由表可见，加入RE后，合金的耐磨性大幅度提高，磨擦系 数减小。 3讨 论 3.1RE对ZA-27合金组织的影响 实验事实证明，RE细化了a相晶粒；减小了二次枝晶臂间距，并使a相的面积百分数增 加，这与RE的特性有关。由A1-RE相图c8)可查得，RE在A1中的平衡分配系数为0.005数量 级。因此，在凝固过程中，RE在结晶前沿造成极大的溶质富集，促使技晶形成缩脖，有利 于枝晶熔断、游离，使晶粒增殖()，故K值小，意味着该元素具有强的晶粒细化能力) 和较强的细化二次臂间距的能力(9)。在ZA-27合金中，a相性质与AI合金类似，皆为面心立 方结构。对c相的电子探针分析表明，枝品中RE含量<0.01%，故RE在此合金中的K,值和 A中处于同一数量级。显然，RE细化晶粒及细化二次枝晶臂的机制可用枝晶游离及阻碍二 次臂粗化来描述。 当合金中RE量超过010%时，析出硬质点相。而粗大硬质点本身对凝固过程影响不大， 故RE量大于0.10%后，图1、图3的曲线趋于平稳。所以欲细化组织，加入0,10%RE较为合 适。 46

表 亡皿与机械性能 五 垃 一 工 量 性 能 。 。 。 。 ‘ 乙 沁 。 一 。 。 。 。 。 。 一 。 。 一 一 。 。 一 。 一 。 一 。 表 耐磨 实验数据表 犯 、罕 一 。 量 磨擦副硬度 润滑油 正压 力 磨损率 几 八 右 磨擦系数 那 磨鸽力矩 。 。 八 。 。 一 。 。 。 。 一 。 。 一 。 。 一 。 目，曰山勺‘匀 匕介曰 根据上述对组织的实验结果分析 ， 在 含量小于 。 条件下实测 了 与 性 能 的 关 系 ， 见表 。 可 见 ， 加人 后 ， 抗拉强度 提高 ， 略有提高 ， 但延伸率及冲 击 韧 性却降低了 。 耐磨性能实验结果见表 ， 由表可 见 ， 加人 后 ， 合金的耐磨性大幅度提 高 ， 磨 擦 系 数减小 。 讨 论 对 一 合金组织的影晌 实验事实证明 ， 细化了“ 相晶粒 减小 了二次枝晶臂间距 ， 并使 相 的 面积百 分 数 增 加 ， 这与 的 特性有关 。 由 卜 相 图 〔 “ ’ 可 查得 ， 在 中的平衡分配系数为 数量 级 。 因此 ， 在 凝 固过程中 ， 在结 晶前沿造 成极大的溶质富 集 ， 促使枝 晶形 成缩 脖 ， 有 利 于枝晶熔断 、 游离 ， 使 晶粒增殖 〔 ’ ， 故 。 值小 ， 意味 着该元素具有强的晶粒细化 能 力 〔 ， 和较强的细化二次臂 间距的能力 〔 。 ’ 。 在 一 合金中 ， 相性质与 合金类似 ， 皆 为面乙立 方结构 。 对 口相的 电子探针分析表 明 ， 枝晶中 含量 ， 故 在 此合金中的 。值 和 中处于 同一数量级 。 显然 ， 细化晶粒及细化二次枝 晶臂的机制可 用 枝晶游离及阻 碍 二 次臂粗化来描述 。 当合金中 量超过。 肠时 ， 析 出硬 质点相 。 而粗 大硬 质点本身对 凝固 过程影响 不大 ， 故 量大于。 后 ， 图 、 图 的 曲线趋于平稳 。 所 以欲 细化组织 ， 加入 。 片 较为 合 适