硼变质处理对Zn0_Al合金铸态组织和力学性能的影响.pdfVIP

新型高铝锌基合金是国外近几十年来迅速发展起 来的新型铸造非铁合金减磨材料，目前已形成zn-8% al （za8 ）、zn-12%a （za12 ） zn-27%al （za27 ） 三 大系列1-2。该系列合金因优良的力学性能和摩擦性能、 良好的耐大气腐蚀性能及对各种铸造方法的适应性而 受到人们广泛的重视。为了更进一步提高锌铝合金的 高温强度和耐磨性，人们研究和开发了含铝更高的锌 铝合金，如za333、za404、za435、za506等。对于 zn-al合金，由于凝固范围较宽，铸态组织中树枝晶比 较发达，造成组织粗化，影响力学性能和使用性能。 为细化铸造高铝锌合金的组织和提高力学性能，变质 处理是细化铸态组织的有效方法之一，关于锌铝合金 的变质处理，主要有稀土7、锑8、钛-硼及锶9等。本 文研究了硼变质处理对zn-50%al合金的组织和力学性 能影响，为该合金的变质处理提供试验依据。 1试验材料及试验条件 锌铝铸造合金试验材料的化学成分为50%al-1%cu- 0.5%mn （ 简称zn-50al% ）。试样的制备过程：先熔化 铝锭、al-cu、al-mn等中间合金，完全熔化后加入锌 锭，熔化后在720 时加入0.2%六氯乙烷进行精炼处 理，静置10 min，温度为700 时加入硼变质剂进行变 质处理，变质处理温度静置10 min后浇注金属型拉伸 试样模具，获得铸态拉伸试样。硼以kbf4的形式加入， 确定硼的加入量分别为：0.04%、0.08%、0.12%、 0.16%、0.20%。用nikno neiphot-30型显微镜进行 组织观察，组织腐蚀液为0.5%氢氟酸水溶液。拉伸试 验设备为cmt型电子万能材料试验机。 程巨强，刘志学 （ 西安工业大学材料与化工学院，陕西西安 710032 ） 摘要：研究了硼变质处理及变质处理后保温时间对铸造zn-50%al合金组织和力学性能的影响。结果表明，zn-50%al 合金铸态枝晶发达，组织粗大，组织由初生相、包围在相外缘的+共析组织组成。加入一定量的硼变质处理后， 可以细化铸造zn-50%al合金的组织，铸造组织由树枝状变为细小的等轴晶，硼加入量范围在0.04%0.08%，变质效果 较好，可以改善材料的力学性能。硼变质处理后随熔体保温时间的延长，存在变质衰退的现象，保温60 min以内浇注， 可保持较好细化效果。 关键词：硼；铸态zn-50%al合金；变质处理；组织；力学性能 中图分类号：tg146.1+1文献标识码：a文章编号：1001-4977 （ 2010 ） 08-0838-03 cheng ju-qiang, liu zhi-xue （ college of materials science and chemical engineering, xian technological university, xian 710032, shaanxi, china ） 硼变质处理对zn- 50%al合金铸态组织和 力学性能的影响 effects of boron modification on as-cast microstructure and mechanical properties of zn-50%al alloy 收稿日期：2010-04-12收到初稿，2010-05-31收到修订稿。 作者简介：程巨强 （ 1963-） ，男，博士，教授，主要从事高强度钢铁材料及有色合金耐磨材料的研究、开发与应用工作。e- mail： abstract：effects of boron modification and holding time after modification on as-cast microstructure and mechanical properties of zn-50%al alloy were studied. it is found that as-cast microstructure of zn-50% alloy consists of coarse （al ）solid solution phase and + eutectoid structure which distributes around the （al ）phase. a certain amount of boron addition can refine the as-cast microstructure of zn-50%al alloy and change the microstructure of phases from coarse dendrite into refined equiaxed crystal grain. the better refining effect can be obtained when the addition of boron is from 0.04% to 0.08% and the mechanical properties of zn-50%al alloy can be improved. the modification effects of boron on the zn-50%al alloy fade with increasing of holding time, therefore the holding time should be controlled less than 60 min. key words：boron; as-cast zn-50%al alloy; modification; microstructure; mechanical property aug. 2010 vol.59no.8 铸造 foundry 838 2试验结果及分析 2.1硼变质处理zn- 50%al合金的力学性能和组织 图1是硼加入量对铸态zn-50al%合金力学性能的影 响。从图可以看出，随着硼加入量的增加，铸态试验材 料抗拉强度增加，当硼加入量在0.04%0.08%时强度较 高，当硼含量为0.08%时，抗拉强度出现峰值。伸长率 和拉伸强度变化趋势一致，在硼加入量为0.04%0.08% 时伸长率较高。加入硼变质处理提高强度和伸长率的原 因与硼变质处理可以细化试验材料铸态组织有关。 图2是zn-50al%合金未加变质剂和加入不同含量 的硼变质处理后铸态试样的组织。参考al-zn二元相图 及试验材料的化学成分，zn-50al%合金凝固过程：先 从液相中析出相，随着温度的下降，相在不断地长 大，由于非平衡凝固，相之间的剩余液体在495 发 生l+共晶反应，冷却到275 相发生+共 析反应，因此，金属型铸造zn-50al%合金铸态组织为 、+共析组织和少量的富铜及富锰相。组织中白色 相为相，黑色为+共析组织。从图2可以看出，未 加硼变质处理的铸态组织呈树枝状，枝晶比较发达， 虽然在金属铸型中凝固，具有很高的凝固冷却速度， 但未进行变质处理的铸态组织枝晶较长较粗，组织粗 大。加入不同含量的硼变质处理后，组织有不同程度 的细化。硼加入量在0.04%0.08%时，组织中粗大的树 枝晶消除，变为均匀细小的等轴晶，组织细化效果最 好。当硼的加入量超过0.08%时，铸态zn-50al%合金 的枝晶又开始逐渐变长和粗化，出现过变质现象。因 此，细化铸态zn-50al%合金组织的最佳硼加入量为 0.04%0.08%。加入硼组织细化的原因为，硼加入熔体中 会与铝液中铝发生反应：2kbf4+3alalb2+2alf3+kf， 反应产物中alb2质点可作为非自发形核核心，利于等 轴晶的形成，起到细化枝晶作用。另一方面，一定量 的硼加入熔体中造成相枝晶析出的过冷度减小10，减 少相的生长速度，使相圆钝，分枝减少、细化相 枝晶。过量的加入硼在铝液中形成硼的化合物会发生 集聚、长大，失去非自发形核的作用，同时过量的硼 富集在相生长前沿，造成较大的成分过冷，增加枝晶 的生长，相变粗，出现过变质现象。 图2不同含硼量的zn-50%al合金铸态组织 fig. 2 as-cast microstructure of zn-50%al alloy with different amount of boron （ a ） 0.0%b（ b ） 0.04%b（ c ） 0.08%b （ d ） 0.12%b（ e ） 0.16%b（ f ） 0.20%b 2.2变质保温时间对zn- 50%al组织和力学性能影响 图3是加入0.08%b变质处理后700 保温不同的 时间zn-50%al合金的抗拉强度。从图中看出，变质后 保温60 min以内，随保温时间的延长，强度增加，在 铸造 程巨强等： 硼变质处理对zn- 50%al合金铸态组织和力学性能的影响839 30 min到60 min保温强度最高，超过60 min保温，随 保温时间的延长，强度指标下降。伸长率在60 min以 内保温变化不大，超过60 min保温伸长率减小。强 度、伸长率随保温时间延长而降低，这与变质出现衰 退、组织长大和粗化有关。 图4是zn-50%al合金加入0.08%b变质处理后不同 时间保温的显微组织。从图4可以看出，保温60 min以 内，铸造合金的组织保持细化，具有良好的细化效果， 这是因为采用盐类细化剂时，反应生成的质点尺寸较 小，弥散分布，长期悬浮在熔体中，具有较强的抗衰 退能力。随着保温时间延长，组织枝晶变长，组织粗 化，出现变质衰退，保温120 min组织中枝晶长度较 长而粗化，变质细化效果消失 （ 图4d ）。变质处理时随 保温时间的延长，变质效果衰退的原因为：延长保温 时间，变质元素的烧损加剧，浓度降低，形成的有效 形核质点数目减少，有效形核质点的减少与形核质点 积聚长大成为夹杂物而失效有关，在zn-50al%合金中 变质元素形成的质点主要为alb2化合物，随着变质温 度保温时间的延长，alb2会产生溶解、长大或沉淀， 有效的晶核数减少，引起变质衰退。因此，硼变质处 理的熔体，保持较高的强度和良好变质细化效果的保 温时间应控制在60 min以内。 图4硼变质处理后不同的保温时间zn-al%50合金铸态组织 fig. 4 as-cast microstructures of modified zn-al%50 alloys at different holding time （ a ） 保温10 min（ b ） 保温30 min（ c ） 保温60 min（ d ） 保温120 min 3结论 （ 1 ） zn-50%al铸造合金加入一定量的硼进行变质 处理，可以使铸态粗大的枝晶变成短小的片状或等轴 晶，细化铸态组织，提高合金的力学性能。硼加入量 在0.04%0.08%时铸态强度和伸长率较高，变质细化效 果较好。 （ 2 ） 硼变质处理后，熔体保温时间在60 min以内， 合金具有良好的细化变质效果和较高的抗拉强度，超 过60 min保温，铸态组织开始粗化，抗拉强度和伸长 率降低，出现变质衰退现象。 参考文献： 1gervais e，barnhurst r j，loong c a. analysis of selected properties of za alloys j. journal of metals，1985，37 （ 11 ）：43-47. 2陆伟，严彪. 铸造锌铝合金的研究进展及其应用 j. 上海金属， 2004，25 （ 1 ）：13-17. 3耿浩然，马家骥，贾均. zas35高强韧锌基耐磨合金的研制 j. 特 种铸造及有色合金，1999 （ 1 ）：64-66. 4许晓磊，于志伟，史雅琴，等. znal40合金时效过程中组织结构 变化的跟踪观察 j. 电子显微学报，2002，21 （ 4 ）：442-445. 5李祥，薛涛，刘荣佩，等. re对za43合金组织、力学性能及抗磨 性的影响 j. 特种铸造及有色合金，2007，27 （ 5 ）：402-403. 6程巨强. 金属型铸造zn-50%al合金组织和力学性能研究 j. 特种 铸造及有色合金，2006，26 （ 7 ）：452-454. 7黄俊，袁中岳，张忠明，等. 稀土变质高锌铝合金的组织和性能 j. 热加工工艺，2002 （ 1 ）：6-8. 8亓效刚，孙高祚，耿浩然，等. 锑对za27 合金性能与组织的影响 j. 铸造，2003，52 （ 10 ）：758-761. 9kurnaz s can，sevik hseyin1，trk ahmet，et al. the effect of ti-bandsronthemechanicalb