稀土對ZL301 合金組織及性能的影響

萬 鋒，鄧進俊

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

隨著我國綜合國力的提升，航空航天事業得以迅猛發展，這也促進了輕質材料的高速發展。在追求高性能低能耗的交通汽車行業中，越來越多的汽車制造商選擇鋁合金取代傳統鋼材，從而實現節能高效的目的[1-3]。盡管鋁鎂合金的研究及應用較晚，但目前其發展及其迅速，特別是在航空航天及交通運輸等領域。ZL301 合金因其室溫下是單相固溶體,且合金表面有一層耐蝕性極好的尖晶石膜，因此其耐蝕性很好[4]。另因其主要添加合金元素為鎂，且添加量為10%左右，故其密度較一般鑄造鋁合金低。然而鑄造枝晶粗大導致合金的強度、塑性較差，制約其廣泛應用[5-9]。本研究利用添加稀土元素細化其鑄造組織，提升其力學性能，優化ZL301 合金的鑄造工藝。

1 試驗材料與方法

試驗采用的合金為商用ZL301 合金，其成分含量見表1。

表1 ZL301 鋁合金的化學成分（質量百分比，%）

試樣經750℃熔化后，通過鋁箔包覆質量分數分別為0.5%，1%的混合稀土，充分攪拌后靜置30min，而后經C2Cl6精煉后澆注。對鑄態試樣均進行400℃、8h 固溶處理，水淬冷卻。硬度測量使用萊州得川HB-3000 型布氏硬度計。使用導電樹脂鑲嵌樣品，然后用試樣經0.5%的氫氟酸腐蝕后，進行金相觀察。并利用金相分析軟件Image Pro 測算合金中α-Al相的晶粒平均直徑的變化來分析稀土的細化規律。

2 試驗結果及討論

2.1 稀土加入量對合金組織的影響

圖1a 為不同稀土加入量下的ZL301 合金的光學顯微組織。圖中可以看出未加入稀土的鑄態合金的微觀組織主要以樹枝狀的α-Al 為基體，在基體的晶界處存在著不連續分布的β 相，經Image Pro測量，其β 相的體積分數為1.5%，α-Al 的平均直徑約為177μm。而加入0.5%的稀土后，鑄態合金中的α-Al 基本呈現等軸狀，晶粒較為細小，經Image Pro 測量，其β 相的體積分數為1.9%，α-Al的平均直徑約為83μm。從金相統計結果看，α-Al 相發生了明顯的細化，由于晶界增多，晶界處的空位因此變多，這為β 相的析出提供幾何上的條件，因此其β 相的體積分數略有提升。加入1%的稀土后，鑄態合金中的α-Al 仍然保持等軸狀，但晶粒尺寸較為粗大，經Image Pro 測量，其β 相的體積分數為1.7%，α-Al的平均直徑約為125μm。從金相統計結果看，α-Al相較原始鑄態組織細化不明顯，且β 相的體積分數也變化不大。

圖1 不同稀土加入量下的ZL301 合金的光學顯微組織

圖2 為加入0.5%稀土的ZL301 合金的高倍放大組織。可以看出α-Al 相的等軸度較高，其形態近似為圓形或者橢圓形。β 相呈短桿狀近乎連續地分布在晶界處。連續分布的第二相對合金的高溫性能有積極的影響。

圖2 0.5%稀土加入量下的ZL301 合金的高倍組織

2.2 稀土加入及固溶處理對合金硬度的影響

通過對不同稀土加入量的ZL301 合金的布氏硬度測試，來檢驗合金元素添加對合金硬度的影響。如表2 所示。從表2 可以看出，在不同稀土加入量下，合金的硬度發生一定程度的提升，特別是在加入0.5%的稀土后合金的硬度提升至HB55，但提升不明顯。而經過400℃，8h 的固溶處理后合金的硬度提升了近20%，特別是在加入0.5%的稀土后固溶態合金的硬度提升至HB 67，其硬度為三組最高值。硬度值的變化清楚地表明，固溶處理是獲得最佳機械性能所必需的，因為強化的合金元素需要通過這一步的熱處理從才能溶入到固溶體中。

表2 稀土加入及固溶處理的合金硬度值

3 結論

（1）稀土元素的加入能夠有效地優化ZL301 合金組織，α-Al 相由鑄態的樹枝晶轉變為等軸晶，且明顯細化，晶粒平均直徑由177μm 降低至83μm。

（2）稀土元素的加入對ZL301 合金的硬度有一定影響，但是效果不明顯，而通過對稀土細化后的鑄態合金進行固溶處理，合金的硬度得到進一步提升，其峰值達到HB67。