稀土在锌铝铸造合金中的作用

边明勇

（新疆众和股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830013）

锌铝合金一般分为含铝8%的ZA-8、含铝12%的ZA-12和含铝27%的ZA-27三种铸造方式，其具有成本低、能耗低、无污染、性能优良、铸造性能耗等有点，是现代工业合金运用最为广泛的材料之一，在汽车零件制作、拖拉机零件以及模具、工艺装饰品之中的运用最为广泛，可替代某些铜合金、铝合金的铸件等。

含铝8%、12%和27%的三种铸造锌铝合金(即(ZA-8，ZA-12和ZA-27)具有机械性能优良、成本低、能耗少、无污染和铸造性能好等优点，是一种有前途的工程材料，可代替部分铜合金、铝合金和铸铁等。此类合金可用来制造减摩耐磨零件、汽车及拖拉机配件、模具、装饰工艺品及各种结构件。在锌铝合金铸造过程中运用稀土元素，将有效提高其工艺性能，提高其经济效益。因此，本文深入研究了稀土对ZA-8、ZA-12、0ZA-27的组织及性能影响，并结合相关研究，从工艺性能、显微组织、力学性能、摩擦磨损性能、抗腐蚀性能、减震性能以及尺寸稳定性等方面进行综合分析。

1 稀土对锌铝合金铸造

工艺性能的影响。

1.1 底缩

锌铝合金的一个显著特点是在凝固过程中铸件底部出现缩孔和缩松，称为地面缩松，特别是在大壁厚的ZA-27合金壳体中。微量元素Na、Li、K、Ca、Be、Sr的加入，在周期体系中，碱收缩可以减小或消除。在ZA-12和ZA-27中加入0.1%的混合稀土（Re）并不能消除地面收缩，但加入0.5～2.0%的稀土后，随着试棒下表面缩松程度和缩松深度的增加，上表面和下表面之间的铝含量降低，试验表明：只要稀土含量足够高，ZA-27的地面收缩和比重偏析倾向是可以控制的。

1.2 流动性

在锌铝合金铸造过程中添加0.1%稀土时，ZA-12和ZA-27合金的流动性降低，添加0.5%～2.0%稀土时流动性增加。从这两个结果可以看出，稀土对锌铝合金流动性的影响很难确定，因此稀土对锌铝合金流动性的影响还有待进一步研究[1]。

1.3 线收缩和热裂

当稀土含量小于2.0%时，对ZA-27合金的线性收缩没有影响。1%Re增加了ZA-12和ZA-27合金的热裂倾向。随着稀土含量的增加，ZA-27合金的抗热裂性能提高。稀土对锌铝合金热裂纹的影响有待进一步研究。

1.4 稀土吸收率及其变质衰退特性

在ZA-27合金中加入小于0.15%的Ce后，发现稀土元素的吸收率约为50%。改性剂的接触时间短（约10min），经过四次熔融试验，晶粒尺寸仅增加约6%，完全说明改性剂具有长期的效果。

2 稀土对锌铝合金显微组织的影响

2.1 变质细化作用

随着稀土添加量的增加，ZA-27合金初生相和二次枝晶晶粒尺寸逐渐减小，可接受范围在30%以上。这一现象表明稀土能自然细化晶粒。在ZA-27合金中加入稀土的效果相似，此外，稀土Re可以提高ZA-27合金的硬度。当稀土含量为0.04%～0.16%时，一次相变的二次枝晶变小，合金中铝基固溶体相趋于减少，一次相A中稀土的平衡系数K小于1。在凝固过程中，稀土在结晶前沿产生大量溶解富集，促进了枝晶的装饰，有利于枝晶的熔解和K角的传播。稀有化合物主要分布在晶界而非晶粒中，改性后的显微组织由细小的枝晶和细小的碎裂晶粒组成，而非平衡晶粒。因此，细晶和次生枝晶的细化可以用枝晶解离和次生小体的阻塞来描述[2]。从合金遗传的角度，有人认为是由于外来核的作用引起的细化和变质。稀土常以铝稀土中间合金的形式加入，锌铝合金液中确实存在熔点高于熔点的LaAi；这是一个新的连接。如果（001）REAL4//(001)α或（100)REAL4//(001)α，在（001）界面上新相与旧相的原子距离相差仅为8-9%，说明这些化合物可以作为初生晶体的晶核。细化变质作用机理有待进一步研究。

2.2 稀土存在的形式

在锌铝合金中加入少量混合金属，合金中不存在稀有键。对ZA-27合金壳层组织的显微分析表明，壳层的表面分布基本均匀。当稀土含量较大时，结构中会出现稀土化合物。稀土连接的形式为块状，规则块状占多数（如六边形、正方形等），其形状系数约为1，分布于原生变化区，即中性区。如果稀土量过大（如1.64%），稀土的分子式为ZA-27合金La，Fe；Re的化合物分子式为（La、Fe）Al4Zn8和（Re、Fe）Al4Zn8。在ZA-12合金中加入Re的时候，其化合分子式为（Re、Cu、Fe）Al4Zn5，经分析，可以确定存在以金属间化合物为基础的固体形式的稀有化合物。

2.3 与铁、铅的交互作用

在含涂层剂的ZA-8和ZA-12合金中加入0.5%Re，可使铅含量降低到标准值，分布更为均匀。如果稀有化合物的添加量较大（如0.1%），稀有铁化合物中的铁含量通常为1.0%～1.7%，远高于合金中的平均铁含量。由于锌铝合金对铁非常敏感，由于熔炼操作不当，容易形成针状的铁铝合金。因此，这对合金的强度非常不利。稀有化合物可以降低Feh13相的可能性；稀有化合物的形状系数约为1，对塑性和韧性的影响也相对减小[3]。

3 稀土对锌铝合金

3.1 强度与硬度

在锌铝合金中加入稀土有利于提高其强度和硬度，无论是对ZA-8、ZA-12和ZA-27合金，还是对金属或砂型合金，添加稀土都有利于提高其强度和硬度，La或Ce可使铸件强度提高10mpa～50mpa，硬度提高10%，强度和硬度的提高是显微组织精加工和稀土硬度提高的结果。喷入一定量的yzo3颗粒可提高20%；CEO喷涂：颗粒也能使硬度提高N%。

3.2 高温力学性能

锌铝合金的耐高温性能较差，严重影响了其应用范围。如何提高这种性能是锌铝合金的研究热点。将yzo3和稀土颗粒喷入ZA-12合金中，结果表明，YZO3颗粒的形成率为6.33%；在机械加工试验台的条件下，添加A12O3颗粒可使AB值提高16.89%。更重要的是，在Zn-Al合金中注入Re，可以明显提高合金的高温蠕变性能。特别是在较低的恒载荷（51mpa）下，金的高温蠕变断裂时间增加了1.5倍，平均蠕变速度降低了30%[4]。

4 稀土对锌铝合金其它性能的影响

4.1 摩擦磨损性能

与ZQSn6-6-3等青铜件相比，锌铝合金耐磨件具有很大的优势。稀土的加入提高了ZA-27合金的自润滑性能。低速润滑使含稀土的ZA-27合金的耐磨性明显高于不含稀土和ZQSn6-6-3的ZA-27合金，摩擦系数和摩擦力矩也有所降低。5%Re比不含Re的ZA-27合金低40%～8%，添加0.5%Re可使ZA-8和ZA-12合金的磨损率分别降低16%。摩擦力矩和摩擦系数降低8%。含稀土的Zn-Al合金摩擦磨损性能的改善主要是由于合金组织的细化和稀土硬点的存在。

4.2 抗蚀性能

锌铝合金在pH＜6.0或pH＞11.5的水溶液中腐蚀速率较高，结果表明：0.06%Re可使ZA-27合金在2%NaOH溶液中的腐蚀速率降低39%，在3%NaCl溶液中的腐蚀速率降低40%，在2%HCl溶液中的腐蚀速率降低15%。结果表明，0.06%稀土使ZA-27合金的腐蚀量、晶间腐蚀深度和硬度分别提高了32%和45%。在94c中加入24%的稀土可以减少蒸汽环境，对于95℃下的ZA-8和ZA-12合金，加入5%稀土的水蒸气湿度可以提高其耐晶间腐蚀性能[5]。其次，ZA-27合金的耐蚀性只有当La或Re含量大于0，15%时才能提高，总之，一定量的稀土能提高锌铝合金在中性或碱性溶液和水蒸气中的耐蚀性，但对酸性溶液中使用的锌铝合金零件极为不利。

4.3 减振性能

铸态ZA-27合金在频率5～几百Hz、温度40℃～80℃的条件下具有良好的减振性能，用共振法研究了稀土装饰对ZA-27合金减振性能的影响。本文认为锌合金的还原是一种动态滞后机制，相交叉点和晶界对锌的还原起着重要作用[6]。

4.4 尺寸稳定性能

ZA-27和ZA-27+0.06%Re的对比试验结果表明，在0.6%Re后，ZA-27+0.06%的添加量优于ZA-27+0.06%，而在无需再指示的情况下，Re比ZA-27合金低20小时27%，Re能提高ZA-27合金的尺寸稳定性。认为稀土对Cu的抑制作用减弱，而饱和Q相在室温下作为铸造组织而降低。

5 总结

以上讨论表明，稀土在锌铝鸽铸造合金中作用的研究才刚刚起步。由于数据比较零散，在实际应用中还存在一些困难。即使是在室温下的力学性能、摩擦磨损性能等方面的研究。

对于Zn-Al合金的显微组织，应重视稀土的细化和变质以及稀土与有害杂质的相互作用。通过锌铝铸造合金的显微组织研究稀土的细化变质规律，找出合适的拉拔方法和最佳添加量。同时可以与秦结合，如果稀土能消除铁、铅、锡等有害杂质的有害影响，无疑将改善锌铝合金的性能，放宽污染限制，选择更便宜的铝块和锌块，降低生产成本。此外，研究稀土对Zn-Al合金在不同时效过程中组织转变的影响，对于制定合理的热处理制度具有重要意义。

在室温力学性能方面，应重点研究微量稀土对锌铝合金塑性和韧性的改善作用。一般认为ZA-27重力合金a375～400MPa，a＞10%，AK＞6oj/emz，KL的性能为。利用稀土改善75℃～150℃锌铝合金的高温力学性能具有重要意义。此时稀土的加入量较高，应考虑Mn、Si、Ni和CuO的连接加入。稀土对锌铝合金耐蚀性、摩擦磨损性能影响的研究有待进一步提高。在耐蚀性方面，稀土对盐雾、发动机冷却液、切削冷却液的作用有待进一步提高。调查了城市污水、各种工业大气、润滑油和清洁剂。在摩擦磨损性能方面，有必要进一步研究稀土对构件干摩擦磨损性能和贮存材料贮存性能的影响。同时，还应深入研究稀土的阻尼性能。锌铝合金的可行性和焊接性是需要进一步研究的几个领域。锌铝合金铸件和型材通常需要镀锌、电解甚至物理蒸发。锌铝合金胶水涂在刀具上，但用制冷剂很难恢复切削屑。锌铝合金中含有一定量的稀有化合物，可以改善合金的易裂变性。最后，除了以铝土矿为主的混合稀土外，认为对个别轻稀土元素如镧、铝土矿和重稀土元素的研究也具有一定的价值。