简介概要

稀土对Zn-Al共晶合金超塑性的影响

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z2期

论文作者：石志强叶以富李世春王焕荣滕新营

文章页码：60 - 63

关键词：锌铝合金；超塑性；稀土

Key words：Zn-Al alloy； superplasticity； rare earth

摘要：采用恒速度法测量了稀土Zn 5Al共晶合金的塑性拉伸曲线 ,结合金相组织研究了稀土对其超塑性特性的影响。结果表明 :在Zn-5Al合金中添加0.05%～0.2 % (质量分数 ,下同 )的稀土Ce ,可提高合金超塑变形的延伸率 ,在 350℃以上进行超塑拉伸时 ,稀土抑制Zn向Al中的扩散和溶解 ,阻碍扩散溶解层达到饱和 ,有利于α/β相界的滑移 ,从而增强了Zn 5Al合金的超塑性效应。

Abstract: The superplastic deformation curves of Zn 5Al eutectic alloy containing small amounts of rare earths were measured, and the influence of rare earth on the superplasticity was discussed. The results show that the elongation of Zn-5Al eutectic alloy can be increased if less than 0.2% Ce were added, and the rare earth can refrain the diffusion and dissolution of Zn to Al and postpone the saturation of the diffusion solution zone above 350 ℃, and in such a way boost up α/β interface sliding and benefit the superplasticity.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.013

稀土对Zn-Al共晶合金超塑性的影响

石志强叶以富李世春王焕荣滕新营

山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室

华东理工大学环境与资源工程学院

石油大学机械与材料学院

山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室济南250061.石油大学机械与材料学院

东营257061

上海200237.山

摘要：

采用恒速度法测量了稀土Zn 5Al共晶合金的塑性拉伸曲线 , 结合金相组织研究了稀土对其超塑性特性的影响。结果表明 :在Zn 5Al合金中添加 0 .0 5 %～ 0 .2 % (质量分数 , 下同 ) 的稀土Ce , 可提高合金超塑变形的延伸率 , 在 35 0℃以上进行超塑拉伸时 , 稀土抑制Zn向Al中的扩散和溶解 , 阻碍扩散溶解层达到饱和 , 有利于α/ β相界的滑移 , 从而增强了Zn 5Al合金的超塑性效应。

关键词：

锌铝合金;超塑性;稀土;

中图分类号： TG136

收稿日期：2001-07-26

基金：国家自然科学基金资助项目 (5 98710 3 1;5 98710 2 5 );

Effect of rare earth on superplasticity of Zn-Al eutectic alloy

Abstract：

The superplastic deformation curves of Zn 5Al eutectic alloy containing small amounts of rare earths were measured, and the influence of rare earth on the superplasticity was discussed. The results show that the elongation of Zn 5Al eutectic alloy can be increased if less than 0.2% Ce were added, and the rare earth can refrain the diffusion and dissolution of Zn to Al and postpone the saturation of the diffusion solution zone above 350?℃, and in such a way boost up α/β interface sliding and benefit the superplasticity.

Keyword：

Zn Al alloy; superplasticity; rare earth;

Received： 2001-07-26

锌铝合金是一种工业上广泛应用的合金材料。 Zn-5Al共晶合金、不仅作为压铸合金和热浸镀及热喷涂合金得到广泛使用, 而且具有优良的超塑性能, 在超塑成型和超塑理论研究中受到人们的普遍重视 ^[1,2,3,4] 。在对超塑材料的研究中, 添加合金元素已成为获得良好超塑性的重要方法之一。实验表明, 在Zn-Al-Mg合金中添加适量混合稀土元素不仅可以细化晶粒、净化合金、改善工艺性能和使用性能, 而且可以提高合金的超塑性 ^[5,6,7] 。作者研究了稀土对Zn-5Al共晶合金超塑性的影响, 分析了含稀土元素的Zn-5Al共晶合金的超塑性机制。

1 实验

合金选用工业纯原料, 用中频感应炉熔炼。合金熔炼时先加锌, 待锌熔化后加入铝和镁, 稀土以Zn-Al-RE中间合金的方式加入, 静置10 min, 然后精炼去渣, 开始浇注。浇注温度为450～500 ℃, 铁模水冷, 铸锭尺寸为30 mm×400 mm×24 mm。将铸态板坯进行350 ℃, 8 h均匀化处理后, 进行多道次热轧, 总变形量为70%; 轧坯再经310 ℃, 4 h的均匀化退火后, 进行第二次轧制, 最后得到厚度为4 mm的板材。经线切割加工制得标距长为10 mm, 宽为2 mm, 厚为4 mm的超塑拉伸试样。

稀土Ce的添加量设计为0, 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.5%和1.0%, 熔炼完后经化学分析, 合金的实际成分如表1所示。

表1 Zn-5Al-Re合金成分 (%)

Table 1 Chemical composition of Zn-5Al-RE alloy (%)

Alloy	RE	Al	Mg	Zn
1	0.00	5.0	0.030	Bal.
2	0.05	4.8	0.027	Bal.
3	0.11	5.0	0.031	Bal.
4	0.16	5.4	0.029	Bal.
5	0.46	5.0	0.030	Bal.
6	0.61	5.3	0.032	Bal.

超塑拉伸实验在自制的恒速度拉伸机上进行, 温度控制精度为±2 ℃, 变形温度分别取330 ℃, 350 ℃和370 ℃, 在每种温度均以4种不同的拉伸速度 (对应的应变速率分别为1.8×10^-2 /s, 2.0×10^-2 /s, 2.8×10^-2 /s和3.2×10^-2 /s) 对不同稀土含量的6种试样进行超塑拉伸。再结晶退火试样的金相组织观察在XJL-05立式金相显微镜下进行, TEM试样经机械减薄后再用离子减薄到所需厚度在H-800透射电镜下进行微观组织分析。

2 结果和讨论

2.1 稀土Zn-Al共晶合金超塑性拉伸结果

图1～3是在330 ℃, 350 ℃和370 ℃不同应变速率下拉伸时, 延伸率与稀土含量的关系。温度大于350 ℃, RE含量为0.05%～0.2%时, 可明显提高Zn-5Al合金的超塑性。

2.2 稀土增强Zn-5Al合金超塑性的机理

研究表明 ^[8] , Zn-Al合金 (ZA27、 ZA43) 中加入稀土元素Ce可使其铸态组织细化, 强度和韧性得到改善。 Ce中Zn中的溶解度非常小, 即使在熔点 (421 ℃) 也不到0.01%。稀土加入到Zn-5Al合金中, 主要是以化合物的形式存在, 随RE量的增加, 铸态组织中的共晶团尺寸明显减小, 并且当RE超过0.16%后, 组织中出现了边界平直、形状规则的稀土化合物相, RE含量越多, 稀土化合物相越多 (如图4所示) 。经X射线衍射分析表明, Zn-5Al合金中存在的稀土化合物相主要是Al₂CeZn₂和CeZn₃ ^[9] 。

图1 Zn-5Al合金330 ℃时的超塑性拉伸结果

Fig.1 Dependence of elogation on RE content of Zn-5Al alloy at 330 ℃

□—1.8×10^-2/s; △—2.0×10^-2/s; ◇—2.8×10^-2/s; ×—3.2×10^-2/s

图2 Zn-5Al合金350 ℃时的超塑性拉伸结果

Fig.2 Dependence of elogation on RE content of Zn-5Al alloy at 350 ℃

□—1.8×10^-2/s; △—2.0×10^-2/s; ◇—2.8×10^-2/s; ×—3.2×10^-2/s

图3 Zn-5Al合金370 ℃时的超塑性拉伸结果

Fig.3 Dependence of elogation on RE content of Zn-5Al alloy at 370 ℃

□—1.8×10^-2/s; △—2.0×10^-2/s; ◇—2.8×10^-2/s; ×—3.2×10^-²/s

图4 稀土化合物在Zn-5Al合金中的形态 (TEM)

Fig.4 TEM micrograph of Zn-5Al alloy with RE compounds

图5是1^#, 2^#, 4^#合金经350 ℃, 1 h再结晶后的组织。由图5可见, 只要添加0.05%的稀土, 就能很明显地细化Zn-5Al的再结晶组织。

文献 [ 10] 的研究表明, 细小的动态再结晶晶粒和良好的组织稳定性可使Al-Mg合金超塑变形初期的空洞发生弥合, 并能在大应变量下实现低空洞率的超塑变形, 增强合金的超塑效应。文献 [ 6] 的研究表明, 单相合金Al-4Zn-Mg的超塑变形方式是晶界滑移, 添加稀土后形成的化合物主要存在于晶界上, 通过添加稀土后能起到细化晶粒、增加晶界的作用, 稀土化合物粒子在再结晶过程中能阻碍晶界的迁移, 从而在超塑变形过程中使晶粒更加稳定; 而且变形温度越高, 应变速率越大, 稀土的超塑性增强效应越明显。

图5 稀土对Zn-5Al合金组织 (350 ℃, 1 h) 的影响

Fig.5 Influence of RE on microstructure of Zn-5Al alloy annealing at 350 ℃ for 1 h

(a) —Zn-5Al; (b) —Zn-5Al-0.05RE; (c) —Zn-5Al-0.16RE

Zn-5Al合金是双相合金 (α+β) , 超塑性变形的方式主要是α/β界面间的扩散-溶解层的滑移, α/β界面间形成的不饱和的扩散—溶解层不利于α/β的滑移 ^[9] 。 TEM观察表明, 稀土在Zn-5Al合金中的存在形式不同于Al-4Zn-Mg合金, 稀土化合物粒子主要存在于晶内, 而α/β相界上很少发现稀土化合物, 其影响再结晶的过程不同于Al-4Zn-Mg的情况。

双相合金在Zn-5Al在超塑变形中的恢复和再结晶过程将涉及到原子的扩散和溶解, 这时稀土是通过抑制Zn往Al中的扩散和溶解来阻碍Zn-5Al晶粒的长大。文献 [ 9] 的研究表明: 在Zn-5Al合金的超塑变形中, α/β相界的滑移受控于α/β相界间形成的扩散-溶解层α′, α/β间的扩散-溶解层α′较薄并且达到饱和时, 对α/β相界的滑移有利, 可获得较高的超塑性。在370 ℃超塑变形时, 无稀土的1^#试样的延伸率平均约1000%, 而添加稀土的2^#和3^#试样的延伸率为2 500%。对于1^#合金, 370 ℃时, 由于温度高, Zn的扩散能力强, α/β界面的扩散-溶解层厚, 不利于α/β的滑移。对于添加稀土的2^#和3^#合金, 由于稀土对Zn的扩散的抑制, α/β间的扩散-溶解层较薄并且没有达到饱和, 有利于α/β的滑移, 表现出较好的超塑性。当加入的稀土含量过多 (超过0.2%) , 会使稀土在Zn-5Al合金中的偏析程度加剧, 从而导致稀土化合物粒子在基体中的分布不均匀, 同时尺寸变大, 弥散度降低, 在超塑变形中会早地在粒子的边界产生空洞和微裂纹, 降低合金的超塑性。