（材料加工工程专业论文）易切削变形锌合金的研制及热处理研究.pdf

原创性声明 i i i ii ii ii ii ll lli ii ii ii y 1915 5 6 1 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：弪埠一 日期：_ 二址年上月型日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文从“以锌代铜”的主题出发，结合国家“十一五 科技支撑计划项目 ( 2 0 0 9 b a e 7 l b 0 0 ) ，进行易切削变形锌合金的研制及热处理研究。通过对试制 合金的显微组织、力学性能、切削性能、电镀性能等进行综合分析比较，得到力 学性能良好、切削性能优异的z n i o a l 1 0 c u - x b i - y s n 合金和力学性能、切削性 能良好的z n - 1 2 c u - o 5 b i 0 2 a 1 0 3 m n 0 0 5 t i 合金，并对获得的两种易切削锌合 金分别进行热处理研究，得出以下主要结论： ( 1 ) 低熔点的单质b i 相能显著提高z n - a 1 合金切削性能；b i 与m g 易形成 较高熔点的m 9 3 b i 2 相，对改善z n - a 1 合金切削性能不利，易切削z n - a 1 合金中 应尽量少添加或不添加m g ；单独添加少量s n 对改善z n - a 1 合金的切削性能效 果不明显；复合添加s n 和b i 能够显著提高z n - a 1 合金切削性能；本文自行研制 的z n 1 0 a 1 1 o c u - x b i - y s n 合金，具有良好的力学性能和优异的切削性能。 ( 2 ) 易切削z n - 1 0 a 1 1 o c u - x b i - y s n 合金铸锭较佳的均匀化热处理工艺为3 6 0 1 2 h ，随炉冷却；均匀化热处理可减少或消除合金中的枝晶偏析和非平衡【p 蜘】 共晶组织；合金均匀化退火后随炉冷却，可得到均匀的m 层片状和粒状共析组 织，合金强度虽然有所降低，但塑性显著升高。易切削变形z n - 1 0 a 1 1 o c u - x b i - y s n 合金较佳的固溶时效热处理工艺为3 5 0 3 0 m i n ，水冷+ 1 0 0 1 2 h ，空冷；经 过合理的固溶时效热处理后，合金中的m 胞状和粒状组织增多，层片状组织减 少，合金塑性提高。热处理不会降低易切削z n - 1 0 a 1 1 o c u - x b i - y s n 合金的切削 性能。 ( 3 ) b i 能改善z n c u 合金切削性能，但过量的b i 对合金力学性能和冷、 热加工性能不利，本文自行研制的z n - 1 2 c u - 0 1 m g 0 5 b i 0 2 a 1 0 3 m n 0 0 5 t i 合 金具有良好的切削性能和综合力学性能；含b i 易切削z n - c u 合金铸态的切削性 能比挤压态好，铸态易断屑，车屑较细小，挤压态则不易断屑，车屑呈螺旋状。 ( 4 ) 使z n 1 2 c u - 0 1 m g 0 5 b i 0 2 a 1 0 3 m n 0 0 5 t i 合金强度提高的较佳的热 处理工艺为3 5 0 3 0 m i n ，水冷。热处理后合金抗拉强度有所提高，但伸长率 明显下降，组织变得更均匀但晶粒有所长大。热处理对提高合金切削性能效果不 明显。 关键词：变形锌合金，切削性能，热处理，显微组织，力学性能 中南大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h ep r o j e c ti nt h en a t i o n a l s c i e n c e & t e c h n o l o g yp i l l a rp r o g r a md u r i n gt h ee l e v e n t hf i v e - y e a rp l a n p e r i o d ( 2 0 0 9 b a e 7 1b 0 0 ) f o rt h et h e m eo fr e p l a c i n gc o p p e rw i t hz i n c f r e e - c u r i n gd e f o r m a t i o nz i n ca l l o y sw e r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，a n d r e s e a r c h e so nt h e i rh e a t - t r e a t m e n t p r o c e s s e s w e r ea l s oc o n d u c t e d m i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m a c h i n a b i l i t i e s a n dp l a t i n g p e r f o r m a n c e s o ft h et r i a l m a n u f a c t u r e a l l o y s w e r ec o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e d a n d c o m p a r e d z n - 10 a 1 - 1 o c u - x b i - y s na l l o y w i t h g o o d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n de x c e l l e n t m a c h i n a b i l i t y , a n d z n - 1 2 c u 一0 5 b i - 0 2 a 1 - 0 3 m n - 0 0 5 t iw i t hg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n d m a c h i n a b i l i t yw e r ef i n a l l yo b t a i n e d h e a tt r e a t m e n tp r o c e d u r e so f t h e a s c e r t a i n e da l l o y sw e r ea l s os t u d i e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a c h i n a b i l i t yo fz n a 1a l l o yc a nb ei m p r o v e do b v i o u s l yb y l o w - m e l t i n gb ip h a s e b ii se a s i l yt of o r mr e l a t i v e l yh i g h - m e l t i n gm g s b i 2 p h a s ew i t hm g i nt h ez n - a 1a l l o yw h i c hw i l ld e c r e a s ei t sm a c h i n a b i l i t y , s ot h e r es h o u l db el i t t l em gi nt h ef r e e c u t t i n gz n - a 1a l l o y t h ee f f e c to f a d d i n gas m a l la m o u n to fs ns e p a r a t e l yt oi m p r o v et h em a c h i n a b i l i t yo f z n - a ia l l o yi sn o to b v i o u s u s i n gt h ec o m b i n e da d d i t i o ns na n db ic a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h em a c h i n a b i l i t yo fz n - a ia l l o y s e l f - d e v e l o p e d z n - 1 0 a 1 - 1 o c u - x b i - y s na l l o y h a s g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n d e x c e l l e n tm a c h i n a b i l i t y ( 2 ) p r e f e r a b l eh o m o g e n i z a t i o nh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so ff r e e c u r i n g z n 一1 0 a i 1 o c u - x b i - y s na l l o yi sh e a t i n ga t3 6 0 f o r1 2h o u rf o l l o w e db y f u r n a c ec o o l i n g h o m o g e n i z a t i o nh e a tt r e a t m e n tc a l lr e d u c eo re l i m i n a t e t h ed e n d r i t i cs e g r e g a t i o na n dn o n - e q u i l i b r i u m p h 】e u t e c t i cs t r u c t u r eo f z i n ca l l o y 砀ea l l o ya f t e rh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n gw i t ht h ef u m a c e c o o l i n gc a ng e tau n i f o r ma + r le u t e c t o i dl a m e l l a ra n dg r a n u l a rs t r u c t u r e ， a l t h o u g ht h es t r e n g t ho ft h ea l l o yd e c r e a s e s ，t h ep l a s t i c i t ys i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e s b e t t e rs o l u t i o na n da g i n gh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so ff r e e - c u r i n g d e f o r m a t i o nz n 一10 a 1 - 1 o c u - x b i - y s n a l l o y i s 35 0 c x 30 m i n ， w a t e r - c o o l i n g + 1o o x l2 h ，a i r - c o o l i n g a f t e rar e a s o n a b l es o l u t i o na n d a g i n gh e a tt r e a t m e n t ，a + r lc e l l u l a ra n dg r a n u l a rs t r u c t u r eo ft h ea l l o y 中南大学硕士学位论文 i n c r e a s e d a n dl a m e l l a rs t r u c t u r er e d u c e ，s oa st oi n c r e a s et h ep l a s t i c i t yo f t h ea l l o y h e a tt r e a t m e n tc a nn o tr e d u c et h em a c h i n a b i l i t yo ff r e e c u t t i n g z n 1o a l 1 o c u - x b i - y s na l l o y ( 3 ) b ic a ni m p r o v et h em a c h i n a b i l i t yo fz n - c ua l l o y , b u te x c e s sb i d o e sh a r mt ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o l d ，h o tf o r m a b i l i t yo ft h e a l l o y s e l f - d e v e l o p e dz n - 1 2 c u - 0 1 m g 0 5 b i 0 2 a 1 0 3 m n - 0 0 5 t ia l l o y h a sg o o dm a c h i n a b i l i t ya n dc o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s z n - c u a l l o yc o n t a i n i n gb ih a sb e t t e rm a c h i n a b i l i t yi nt h ec a s tc o n d i t i o nt h a ni n t h ee x t r u d e dc o n d i t i o n t h ec h i pi se a s i l yb r o k e na n ds m a l l e ri nt h ec a s t c o n d i t i o n b u tt h ec h i pi sn o te a s i l yb r o k e na n dh e l i c a l 1 i k ei nt h e e x t r u d e dc o n d i t i o n ( 4 ) p r e f e r a b l eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s st oi m p r o v et h es t r e n g t ho f z n 1 2 c u 0 1 m g 0 5 b i 0 2 a 1 0 3 m n 0 0 5 t ia l l o y i s3 5 0 x 3 0 m i n w a t e r - c o o l i n g a f t e rh e a tt r e a t m e n tt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ea l l o y i n c r e a s e s b u tt h ee l o n g a t i o nd e c r e a s e s t h es t r u c t u r eh a sb e c o m em o r e u n i f o r l t lb u ta c c o m p a n i e sw i t hg r a i ng r o w t h h e a tt r e a t m e n tc a nn o t i m p r o v et h em a c h i n a b i l i t yo ft h ea l l o yo b v i o u s l y k e yw o r d s ：d e f o r m a t i o n z i n c a l l o y , m a c h i n a b i l i t y , h e a tt r e a t m e n t ， m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s r i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 第一章文献综述1 1 1 锌及锌合金概述1 1 1 1 锌的基本性质1 1 1 2 锌资源及锌的应用2 1 1 3 锌合金的发展2 1 2 锌合金的组织与性能概况5 1 2 1z n a i 合金组织与性能特点5 1 2 2z n c u 合金组织与性能特点。7 1 2 3 合金元素对锌合金的影响9 1 3 变形锌合金的研究进展及其应用1 0 1 4 材料的切削性能及影响因素1 2 1 4 1 影响材料切削性能的因素。1 2 1 4 2 易切削合金研究现状及切削机理1 3 1 5 本课题来源及主要研究内容15 第二章试验过程及方法。1 6 2 1 材料制备及实验工艺流程1 6 2 1 1 熔铸17 2 1 2 锯头锯尾车皮1 7 2 1 3 挤压17 2 1 4 热处理1 7 2 2 组织性能检测18 2 2 1 化学成分分析18 2 2 2 力学性能测试18 2 2 3 差热分析18 2 2 4 切削性能测试1 9 2 2 5 组织结构分析1 9 第三章易切削变形z n a i 合金的研制及热处理研究。2 1 3 1 易切削变形z n - a i 合金第一轮试制2 1 3 1 1 合金成分设计2 1 3 1 2 切削性能测试2 2 3 1 3 室温力学性能测试2 3 3 1 4 铸态金相组织2 4 3 1 5x 射线衍射分析。2 4 3 1 6 扫描电镜观察2 6 3 1 7 差热分析2 9 3 1 8 电镀预处理和电镀试验2 9 中南大学硕士学位论文 目录 3 2 易切削变形z n - a 1 合金第二轮试制3 0 3 2 1 合金成分设计。3 0 3 2 2 切削性能测试。31 3 2 3 室温力学性能测试3 4 3 2 4 扫描电镜观察3 5 3 2 5x 射线衍射分析3 8 3 2 6 差热分析3 9 3 3 易切削z n a 1 合金均匀化热处理研究4 0 3 3 1 热处理对合金硬度的影响4 0 3 3 2 热处理对合金显微组织的影响4 1 3 3 3 力学性能测试结果4 3 3 3 4 钻屑形貌分析4 4 3 4 易切削z n a 1 合金固溶时效热处理研究4 4 3 4 1 硬度测试结果与分析4 4 3 4 2x 射线衍射分析4 6 3 4 3 显微组织分析4 7 3 4 4 室温力学性能5 3 3 4 5 切削性能5 3 3 5 本章小结5 4 第四章易切削变形z n c u 合金的研制及热处理研究5 5 4 1 易切削变形z n - c u 合金成分设计5 5 4 2 室温力学性能测试5 5 4 3 切削性能测试5 6 4 4 合金组织结构分析5 8 4 4 1x 射线衍射分析5 8 4 4 2 金相组织观察5 8 4 4 3 扫描电镜观察5 9 4 5 易切削变形z n c u 合金热处理研究6 2 4 5 1 热处理对合金硬度的影响。6 2 4 5 2 热处理对合金金相组织的影响6 2 4 5 3 室温力学性能测试6 4 4 5 4 车屑形貌分析6 5 4 5 5x 射线衍射分析6 5 4 5 6 扫描电镜观察6 6 4 6 本章小结6 7 第五章结论6 8 参考文献。6 9 致谢7 4 攻读学位期间主要的研究成果。7 5 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 近年来，由于铜价格的不断上涨以及环保等问题，加速开发铜及铜合金替代 材料，以满足现代工业的需求，引起了广大研究者和产业界的关注【l 胡。以锌为 基体加入其他元素生产的锌合金具有熔点低，铸造性能优异，力学性能良好，生 产工艺流程短，能耗小，原材料价格低廉等优点，是部分铜合金的理想替代材料， 成为目前国内外研究的热点【5 邶】。 1 1 锌及锌合金概述 1 1 1 锌的基本性质 锌属于周期表中第四周期第二副族的元素，原子序数3 0 ，相对原子质量6 5 。 锌具有比较低的熔点( 4 1 9 5 ) 和沸点( 9 0 7 ) 。纯锌为银白色金属，室温下 密度7 1 4 9 e m 3 ，高于铝而略低于铜，性较脆。 锌和镁、a 钛一样具有密排六方结构，晶体结构对锌的塑性变形及性能各向 异性的产生有重要作用。理想的密排六方结构之轴比为1 6 3 3 ，而锌具有更高的 c a 值，e a = 1 8 5 6 ，因此锌在热膨胀、电阻、导热系数等许多方面均表现出明显 的各向异性【1 1 。锌的线膨胀系数比许多常用的工程金属高，表明锌及锌合金高温 性能差，因此在温度变化较大和对材料尺寸精度要求高的情况下，锌的使用受到 限制。由于e a 值较大，密排六方结构的z n 只有一个滑移面( 0 0 0 1 ) ，滑移系统 ( 0 0 0 1 ) ，所以其塑性较差【u 】。 纯锌的再结晶温度在室温或室温以下，即它在室温下就能发生再结晶。室温 下锌的原子迁移率使得锌难以产生“加工硬化 。锌中添加少量镉或铜后形成的 固溶体后其再结晶温度高于纯锌的再结晶温度。 铅、铁、锡、镉等元素是锌中常见的杂质。铅对锌的压力加工性能无明显影 响，对印刷用锌板酸蚀有好的影响，在热镀锌中也常添加铅，但铅含量的增加会 降低锌的硬度。f e 、s b 、s n 、b i 等杂质则对锌的冷、热变形性能有不利影响， 应严格限制。 锌的标准电极电位为0 7 6 v ，它对碳、铁以及许多其它金属均呈阳极，故与 其它金属接触时，锌作为牺牲阳极先受腐蚀从而保护了电位高的金属。锌的这种 电化学保护作用在工业上得到了广泛的应用。如铁镀锌即可防止铁的腐蚀。 不同纯度的锌在大气环境中的腐蚀速度变化不大，但是当锌中的铅、锡、镉 等杂质含量增大时，其在热水及水蒸气中的腐蚀速度将显著增加，此外，合金元 素如c u 、m g 等对锌的耐蚀性能，特别是在热水及水蒸气中的耐腐蚀性能也有明 显影响u j 。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 2 锌资源及锌的应用 锌在地壳中多以硫化物形式存在，主要矿物是闪锌矿( z n s ) ，这种硫化矿 的形成过程中会伴有f e s 固溶体( n z n s m f e s ) 。硫化矿的地表部分还常有氧化 矿，如菱锌矿( z n c 0 3 ) 、硅锌矿( 硒s i 0 4 ) 等【1 2 1 。自然界中已发现8 0 多种含 锌矿物，尽管矿物种类多，但能作为炼锌原料的有工业生产价值的矿物只有几种， 如闪锌矿、菱锌矿、红锌矿( z n o ) 等，目前主要使用的是闪锌矿。 世界锌资源较多，在有色金属中锌的矿物储量、产量和用量仅次于铝和铜， 居第三位。而我国锌资源不但储量多，居世界前列，品味也高 1 5 , 1 2 1 。 锌的用途广泛，在国民经济中占有重要的地位。锌的主要用途如下： 1 ) 镀锌由于锌具有在大气和其他环境中较好的耐蚀性，其最重要的应用是 用于钢铁的防腐蚀，钢材上镀锌所消耗的锌量占了锌应用的最大部分，约为总消 耗量的5 0 t l , l a 】。 2 ) 锌基合金包括铸造锌合金和变形锌合金，其中铸造锌合金是目前使用最 为广泛的锌基合金。由于具有熔点低、铸造性能优异、能耗小等优点，铸造锌合 金在模具、日用五金、汽车工业等方面获得了广泛应用。变形锌合金主要用作槽 板、屋面板和其它建筑用板，它在某些国家应用很广泛，尤其在欧洲。 3 ) 合金元素锌能与多种有色金属形成合金，如z n 与c u 构成黄铜，z n 与 c u 、s n 构成青铜，z n 与c u 、s n 、p b 用作耐磨合金。 4 ) 化学等工业用锌如氧化锌是橡胶和轮胎工业必不可少的添加剂，也可用 作油漆的颜料，其在电子、化妆品、医药等许多领域也有重要的应用；硫酸锌在 医疗上可用作收敛剂，工业上用于人造纤维、电解工业、电镀、无机颜料等；氯 化锌还可用作木材防腐剂等。 5 ) 锌粉可用作防腐涂料；在冶金行业中，通常加锌粉以除去镉、铜等杂质； 锌粉还可作为锌电池的活性材料等【l 】。 1 1 3 锌合金的发展 经过几十年的发展，锌合金在国内外应用日益广泛。由于具有熔点低，铸造 性能优异，力学性能良好，生产工艺流程短，能耗小，原材料价格低廉等优点， 锌合金的研究及应用引起了广大研究者和产业界的关注。目前，作为部分铜合金、 铸铁替代材料的锌合金在日用五金、槽板、屋面板、汽车工业等方面获得了广泛 应用【1 2 1 。 锌合金的分类有多种方法，一般可以按合金的成分、加工方式、性能及用途 来分类。 1 ) 按合金的成分 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 锌合金按成分可分为四类，即z n - a 1 合金、z n c u 合金、z n p b 合金和z n - p b a i 合金。z n 鲇合金一般还含有少量的c u 、m g 以提高合金的强度，改善合金的耐 蚀性能。z nc u 合金一般还含有少量h ，即z n - c u - t i 合金，该合金具有较好的 抗蠕变性能，加入少量合金元素c r 可进一步改善合金的抗蠕变性能。z n p b 合 金和z n - p b a 1 合金则主要用于镀锌行业、制作电池壳、小五金等。 2 ) 按加工方式 锌合金按加工方法主要分为铸造锌合金和变形锌合金。铸造锌合金使用较为 广泛，其按铸造方法的不同又分为压力铸造锌合金、重力铸造锌合金、流变铸造 锌合金等，压铸锌合金是最早的实用锌合金。变形锌合金按照加工方法可分为轧 制锌合金、挤压锌合金和拉拔锌合金。z n a 1 和z n - c u - t i 合金不但可以直接铸造， 还可以进行变形加工，因此使用较为广泛。 3 ) 按性能和用途 抗蠕变锌合金。主要是z n - c u - t i 合金，它比z a m a k 压铸锌合金和z a 重 力铸造锌合金有更强的抗蠕变性能。 超塑性锌合金。主要是z n a 1 合金，它在超塑性条件下，能够呈现出极 高的伸长率，用于制造形状复杂的零部件，是目前最具竞争力的超塑性材料之一。 美国、日本和英国对超塑性锌合金的研究早在上世纪7 0 年代已开始，目前，该 材料在机械、电子、汽车等领域已获得一定应用。 模具锌合金。该合金化学成分接近于z n a 1 c u 三元合金的共晶点，其特 点是制造工艺简单，加工流程短，重熔性好，成本低等。锌合金模具也被称为简 易模具，它与其他快速制作的模具相比，具有应用范围广、寿命较高等优点。 耐磨锌合金。主要是用作轴承材料的高铝锌基合金，该合金具有机械性 能良好，对润滑油亲合力较强，自润滑性好，磨擦系数低，磨损小，使用寿命长 等特点。 防腐锌合金。即锌合金作为牺牲阳极用于船舶、埋地金属管道、储罐等 钢结构的阴极保护和用作热浸镀、喷镀等用的锌合金。 结构锌合金。比如可以用于制造结构件的z n a 1 、z n c u - t i 合金等。作 为结构锌合金，目前高强度z n - a 1 合金的应用较多，而早期的z n - 4 a 1 压铸合金 也得到了广泛应用【l 】。 1 1 3 1z n a 1 合金的发展 1 9 世纪末，由于压铸机的发明，出现了最早的锌基压铸合金，其化学成分 为：z n 6 s n 3 c u - 0 5 a l 。该合金强度低，性脆，但尺寸稳定性好，主要用来代替 部分的锡基压铸产品。但由于冶炼技术的限制，早期的锌基合金杂质含量较高， 性能不佳，存在比较严重的晶间腐蚀和老化问题。随着冶炼技术的进步，人们发 3 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 现在锌合金中加入微量的镁，并严格控制p b 、s n 、c d 等杂质的含量，合金抗晶 间腐蚀能力大大提高，其应用范围也逐渐扩大。 美国新泽西锌公司研制出z n - 4 a i 3 c u 合金，即第一个标准化的锌压铸合金。 该合金成分选择在共晶点附近，机械性能、压铸性能和流动性能均较好。但该合 金仍有较大的晶间腐蚀倾向，而m g 对于提高锌合金的抗晶间腐蚀能力比较有 效，因此在z n - 4 a 1 3 c u 合金基础上加入0 1 的m g ，出现了z a m a k 2 商业压铸 合金。铜含量较高的z a m a k 2 合金时效过程中易发生膨胀，尺寸变化较为严重， 强度降低。于是出现了不含铜的化学成分为z n 4 a 1 0 1 m g 的z a m a k 3 合金。m g 虽然能提高锌合金的抗晶间腐蚀能力含量太高，但容易使铸件产生热裂，因此 z a m a k 2 和z a m a k 3 合金中的m g 含量分别降为0 0 3 和0 0 4 。后来又出现了不 含镁的z a m a k 4 合金，其特点是铸造性能好，生产效率高。降低了m g 含量的 z a m a k 3 合金强度不够理想，于是开始寻找铜和镁含量的最佳配比，1 9 3 2 年出现 z n - 4 a 1 1 c u - 0 0 3 m g 合金，即z a m a k 5 合金。同年又研制出不含镁的z n - 4 a i 1 2 5 c u 合金，即z a m a k 6 合金，它主要用于代替z a m a k 4 合金。至此，z n - a 1 压铸合金 全部标准化，锌合金真正进入了市场。压铸锌合金的发展是随着锌中杂质含量不 断降低，合金中主要合金元素灿、c u 、m g 作相应调整的过程【l ，1 4 1 。 重力铸造锌合金的出现最早在德国，二战期间，为解决铜资源紧缺的问题， 德国开始使用重力铸造锌合金作为轴承材料替代青铜。自此以后，欧洲的一些公 司相继应用这种合金，取得了令人满意的效果，锌基合金也逐渐被人所重视。后 来随着国际性的铜、锡资源紧张，锌的研究与应用开始转向重力铸造锌合金。1 9 6 2 年新泽西锌公司研制出成分为z n - 1 2 a i 0 7 5 c u - 0 0 1 5 m g 的i l z r 0 1 2 合金。后来 加拿大n o r a n d a 采矿研究中心将i l z r 0 1 2 合金中的铝含量从1 2 降低为1 1 ， 并命名z a l 2 合金，铝含量经过调整后，合金的冲击韧性得到明显提高，并在加 拿大、美国等国家很快打开了市场。为了能与黄铜等材料作有效竞争，n o r a n d a 采矿研究中心在开发z a l 2 合金后，又相继研制出z a 8 和z a 2 7 重力铸造锌合金， 从而形成了铸造锌合金( z a ) 系歹【1 引。美国材料与试验学会1 9 8 4 年将其列入 a s t m 标准，之后世界范围内出现了研究开发高铝锌合金熟潮，锌合金也在加拿 大、美国、英国、澳大利亚、日本等国家迅速打开市场【l 引。重力铸造锌合金不 仅是铸造锌合金的补充和完善，也使锌合金更具竞争力。 z n a 1 合金还是工业上发现较早、具有竞争力的超塑性材料之一，其中最具 代表性、应用最为广泛的是z n 2 2 a 1 共析合金。超塑性锌合金在工业上应用有 许多明显的优点：( 1 ) 常温下，其强度与黄铜、低碳钢相近，可部分替代铝合金 和铜合金；( 2 ) 合金成形温度较低( 2 5 0 左右) ，在该温度下塑性好( 6 值高达 1 5 0 0 以上) ，填充性好，形状复杂的零件也可一次成形：( 3 ) 具有塑料无法比 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 拟的不易燃性、无毒、抗有机溶液腐蚀等优点，且废品易于回收，可循环使用。 因此，超塑性z n - a l 合金在机械、电子、电器、汽车和建筑等工业上取得了广泛 应用【1 6 】。随着超塑性机理的掌握、加工技术的进步和合金性能的进一步改善， 超塑性z n a l 合金的应用将具有更广阔的前景。 1 1 3 2z n c u t i 合金的发展 z n c u - t i 合金的出现较早，由于压铸z n a l 合金在高温使用时，存在持久强 度低，抗蠕变性能差等问题，德国在上世纪4 0 年代初发现添加少量合金元素n 可以明显改善锌的抗蠕变性能，同时添加c u 和n 还可获得较好的综合性能。 到6 0 年代，z n c u - t i 合金的研究工作进展进一步加快。国际铅锌研究协会 在2 0 世纪6 0 年代中期首先研制出了z n - ( 1 0 - i 5 ) c u ( 0 2 5 枷3 ) t i 合金，当时称 为1 4 0 合金，后来合金的成分得到了进一步改进，即在z n ( 1 肚1 5 ) c u - ( o 2 5 加3 ) t i 合金的基础上添加了0 1 加2 的c r 以改善了合金的断裂韧性，改进的合金被 称为1 6 4 合金。z n - c u - t i 合金的抗蠕变性能明显高于z n 砧合金，因此也被称为 抗蠕变锌合金。 由于具备可以和铜合金、铝合金相媲美的机械性能，z n - c u - t i 合金作为一种 结构材料在欧美获得了广泛应用，主要用于生产板、带材，其次为挤压制品，少 量用作压铸件。目前，该合金在建筑、机械、仪器仪表、运输等领域已获得大量 应用，并且其应用领域正在不断扩大【1 7 1 。 1 2 锌合金的组织与性能概况 l 。2 1z n a 1 合金组织与性能特点 目前，常用的z n - a 1 二元合金相图如图1 1 所示【1 8 】，该合金液态无限互溶， 而在固态下有限互溶，在相当宽的含锌范围内，其具有较大的凝固区间。锌铝合 金凝固及冷却过程发生的相变主要有： 初晶转变3l - 毗； 包晶转变：“l4 a l 汁。邸乞a 1 ) p ( 2 8 a 1 ) ； 共晶转变：1 a d 玛呕t i 削卜瞰l7 删) ： 调幅分解：哦a 1 ) 垡塑啼a i ( 越1 ) _ _ 0 1 2 ( a 1 2 ) 共析转变：敝2 2 a 玲三掣一a ( 鹋4 a l 卜q ( 9 3 4 z n ) 锌铝合金是以z n 和a 1 两种元素为主，c u 、m g 等为辅的多元合金，合金 中可能会形成以下几种主要的相： 5 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 弋卜- - - l 、 i 囊1 一 4 移。! h - ， “e 口】i ( 一 t - v a j 一磊二囊n 篙9 鼍 i 。 r - 1 r - 鼻嘲 越 加钟 豹 翮 图1 - 1z n - a 1 二元相图【1 8 】 ( 1 ) t l ( z n ) 相：少量a 1 固溶到z n 中，形成的z n 基固溶体，h c p 结构。n 相的形成途径包括共晶反应、共析转变和过饱和a 相的脱溶沉淀。 ( 2 ) 畎越) 、a 1 ( 越) 、睨( 砧) 、a ( 烈) 相：不同含量的z n 固溶到越中，形成 的灿基固溶体，f c c 结构。 ( 3 ) p 相：以舢为基的固溶体或以z n a i 为基的有序固溶体，f c c 结构。b 相只在4 4 3 c - - - 2 7 5 c 中温区存在，温度降低到共析温度点时发生p _ a ( 舢) 加( z n ) 共析转变，因此理论上室温下不应存在p 相，但快速冷却时d 相转变可能不完全。 a 相与1 3 相晶格结构相同，晶格参数相近，给精确测量带来困难，这也许就是d 相是否存在，以及长期以来存在两种z n - a 1 二元相图的主要原因。 ( 4 ) 相：是z n 与c u 形成的化合物，h c p 结构，有文献写作c u z n 3 或c u z n 5 ， 而大多数文献则写为c l l 2 粗。 常用的锌铝合金主要有三个牌号：z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 ，其化学成分及性能 如表1 1 所剥1 1 】。 表1 - 1 常用锌铝合金主要成分及性能【1 l 】 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 z a 8 与z a l 2 合金均属于亚共晶合金，凝固时首先从液态中析出p 相。在 3 8 2 时剩余液体进行共晶转变，形成( p 加) 共晶体。随后冷却过程中，b 相发生 共析转变，形成细小的片状或粒状的共析组织。z a 8 合金的优点是凝固温度范围 比较窄、流动性良好，但其硬度和抗拉强度等低于z a l 2 合金和z a 2 7 合金。z a l 2 合金强度和塑性适中，是一种用途较为广泛的z n a 1 合金。但因其高温性能和抗 蠕变性能不如z a 2 7 合金，故z a l 2 合金工作温度应低于1 0 0 。 乙心7 合金平衡条件下凝固时，首先析出的是富铝的高温a 相。在4 4 3 时， a 相与剩余液相发生包晶反应，在初生a 相边缘形成p 相。快速通过共析反应温 度后，b 相转变为片状或粒状的共析组织。而高温a 相在基体中，转变成为低温 的( o t + r 1 ) 。若凝固时，冷却速度较快，包晶反应不完全，剩余液体富锌，凝固组 织中还会出现共晶体。若合金中含有铜，则可在组织中观察到发现含铜化合物8 相。富铜相在枝晶间隙中形核并长大，因而一般相总是位于晶界附近。z a 2 7 合金综合性能较好，其在具备良好塑性和韧性的同时，强度也超过了许多常用的 铸造有色合金，并且其工作温度可以放宽到1 5 0 左右。乙墟7 也是目前研究最 多的锌合金，z a 2 7 合金微观组织研究1 6 , 1 9 1 、合金化和变质处理【2 0 五1 1 、热处理【7 2 2 、 其他成型工掣2 3 。2 5 1 、耐蚀性能研究1 2 6 】等