（材料加工工程专业论文）znal合金羽毛状晶的形成及形貌研究.pdf

硕士学位论文 摘要 z n a i 系合金具有良好的铸造性能、优良的耐磨、减摩性能，是替代价格昂贵的铜 合金的理想材料。但研究中发现，在一定条件下，其组织出现较为发达的树枝状晶，即 为羽毛状晶，会严重消弱力学性能。本文针对羽毛状晶形成的条件，控制一定的温度梯 度，研究合金中各元素对羽毛状晶形成的影响，不仅会极大地丰富金属的凝固理论和晶 体的生长理论，具有重要的理论价值，而且是消除该形貌晶体，获得细小等轴晶，提高 材料力学性能的基础。 本文对z n 舢系合金中出现的羽毛状晶展开研究，分析了以z a 2 7 合金为参考的各 元素对z n - a 1 系合金生成羽毛状晶的影响，得出如下结果： 在z n a l 二元合金中，对不同组分的各试样，在7 5 0 下浇注，随着砧含量的降低， z n - a 1 二元合金的组织从最初的等轴晶粒依次变为发达的等轴晶、柱状晶、羽毛状晶、 柱状晶、等轴晶。即晶体的排列由杂乱变为整齐再到杂乱。从羽毛状晶的出现到羽毛状 晶的消失，二次枝晶的生长受元素影响，分别按两个、四个、六个方向生长。 在z n 2 7 a 1 的基础上，加入不同含量的c u 元素。随着c u 含量的增加，z n 2 7 a 1 合 金的微观组织从粗大的等轴晶依次变为二次枝晶发达的树枝晶、羽毛状晶、二次枝晶发 达的柱状晶。c u 相由弥散性分布逐渐变为富集于a a 1 枝晶臂上。c u 元素使z n 2 7 a 1 合金的组织排列更具方向性，减少了枝晶偏离热流方向的趋向。合金中羽毛状晶的生长 产生变化，枝晶主干受到抑制，二次枝晶、三次枝晶得到发展。 在以r = 3 0 1 x r n s 的凝固速率下，随着a l 含量的降低，z n 舢二元合金的定向凝固试 样，一次枝晶间距逐渐减小，二次枝晶间距也逐渐变小；z n 一砧合金定向凝固试样的择 优取向明显，随着含量的降低，合金组织的枝晶生长方向由含量为7 5 时的 晶向逐渐转变为砧含量为4 0 时的 晶向。 对z a 2 7 合金在不同浇注温度下的试样的e b s d 研究，得出：6 0 0 * ( 2 浇注的z a 2 7 试样中，a a 1 的二次枝晶生长方向以 为主。7 0 0 浇注的z a 2 7 试样中，a t a 1 的二 次枝晶生长方向以 为主。 关键词：z n a i 合金；a l 含量；羽毛状晶；定向凝固；e b s d z n a l 合金羽毛状品的形成及形貌研究 a b s t r a c t z n a 1a l l o y sh a v eg o o dc a s t i n gp r o p e r t i e s ，e x c e l l e n tw e a ra n df r i c t i o np r o p e r t i e s ，a l l i d e a la l t e r n a t i v et oe x p e n s i v ec o p p e ra l l o ym a t e r i a l s h o w e v e lt h ev e r yd e v e l o p e dc o l u m n a r d e n d r i t e s ，e s p e c i a l l yt h ef e a t h e r yc r y s t a l sf o r m e du n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，c a ns e r i o u s l y w e a k e nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i t so r g a n i z a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ef e a t h e r yc r y s t a l f o r m a t i o nc o n d i t i o n ss u c ha st e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，a l l o y i n ge l e m e n t sh a v eb e e ns t u d i e d ， w h i c hw i l ln o to n l ye n r i c hm e t a l s s o l i d i f i c a t i o nt h e o r ya n dc r y s t a lg r o w t ht h e o r y , b u ta l s o p r o v i d et h ef o u n d a t i o nt oe l i m i n a t et h ef e a t h e r yc r y s t a l sa n di m p r o v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b yf o r m i n gf i n ee q u i a x e dg r a i n s t h i st h e s i sh a ss t u d i e dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m so ft h ef e a t h e r yc r y s t a l s t h ee f f e c t so f a l l o y i n ge l e m e n t so fz a 2 7a l l o yo nt h i sk i n do fc r y s t a l sh a v ed i s c u s s e d t h er e s u r si n d i c a t e ： f o rt h ez n a ib i n a r ya l l o y s ，t h eg r a i n sc h a n g ef r o me q u i a x e dg r a i n si nt u r nt oc o l u m n a r d e n d r i t e s ，f e a t h e r yg r a i n s ，c o l u m n a rg r a i n sa n de q u i a x e dd e n d r i t e s 诵md e c r e a s i n gt h ea i c o n t e n t n a m e l y , t h eg r a i n sc h a n g ef r o mr a n d o m l yd i s t r i b u t e de q u i a x e dd e n d r i t e st o d i r e c t i o n a ll i n e dc o l u m n a rd e n d r i t e s ，a n da g a i nt or a n d o m l yd i s t r i b u t e de q u i a x e dd e n d r i t e t h eg r o w t hd i r e c t i o no fs e c o n d a r yd e n d d t i ca r mi sa f f e c t e db yt h ea l l o y i n ge l e m e n t s ，h a v i n g t h r e er e g i m e s ，t w o ，f o u ra n ds i xd i r e c t i o n s f o rt h ez n 一2 7 a 1a l l o y , i t sm i c r o s t r u c t u r ec h a n g e sf r o md e v e l o p e de q u i a x e dg r a i n si nt u r n o fd e n d r i t e s 诵t 1 1d e v e l o p e ds e c o n d a r yd e n d r i t i ca r m s ，f e a t h e r yg r a i n sa n dd e n d r i t e s 谢t 1 1 d e v e l o p e ds e c o n d a r yd e n d r i t i ca r m s t h ed i s t r i b u t i o no fc u - r i c hp h a s eg r a d u a l l yc h a n g ef r o m d i s p e r s i v ef o r mt oa g g l o m e r a t i o no nt h ec r y s t a ls u r f a c e s t h i sc h a n g el e a d st h ea r n l s g r o w t h d i r e c t i o nt oo r i e n t a t et oh e a tf l u xd i r e c t i o n w h e nt h eg r o w t ho fp r i m a r ya l m si sr e s t r a i n e d a n dt h o s eo fs e c o n d a r ya n dm i r da r m sa r ee n h a n c e d ，t h ee q u i a x e dg r a i n sf o r m u n d e rt h ec o n d i t i o no fd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ( as o l i d i f i c a t i o nr a t eo f3 0 n s ) ，b o t h t h ep r i m a r ya r mi n t e r v a la n ds e c o n d a r ya n t ii n t e r v a ld e c r e a s e 、 ，i t l ld e c r e a s i n ga 1c o n t e n to f z n a 1b i n a r ya l l o y t h ep r e f e r r e dg r o w t ho r i e n t a t i o ni sv e r yo b v i o u s t h eg r o w t hd i r e c t i o no f p r i m a r ya r m sc h a n g ef r o m t o w h e nt h ea 1c o n t e n td e c r e a s e st o4 0 f o rt h ez a 2 7a l l o y , t h eg r o w t hd i r e c t i o ni s b a s i c a l l yt h e a tt h ep o u t i n g t e m p e r a t u r eo f 6 0 0 b u tt h a ti st h e a t7 0 0 k e yw o r d s ：z n - a ia l l o y ；a ic o n t e n t ；f e a t h e r yd e n d r i t e ；d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ；e b s d i i 硕i ：学位论文 第1 章绪论 1 1z n a i 系合金的发展概况 z n - m 系合金的出现要归功于1 9 世纪末压铸机的发明，开始压铸机只生产铅、锡这 类低熔点合金，出于经济方面的考虑又发明出锌基压铸合金【l 】。锌合金的发展与冶炼工 业的发展密切相关。纯金属锌因溶解黑色金属、腐蚀钢铁压铸模而不适于压铸，加入铝 0 5 可明显抑制成渣的倾向，但此时含铝o 5 的新熔体流动性比纯锌熔体大为降低。 1 9 1 0 年加入s n 4 8 以提高锌合金的流动性，铜含量也高达3 以提高强度和硬度。由 于最初不了解控制s n 等元素的必要性，加s n 提高流动性就成了习惯。含s n 的合金使 用不久，人们就发现其尺寸、性能均不稳定，如在当时迅速发展的留声机工业中的压铸 件，服役几个月后便开始变形，严重的甚至碎裂。通过提高铝含量取消了s n 之后，以 z n a i 为基的合金算真正诞生。 经过一系列的研究【2 3 一，发现z n - a i 系合金中的这种性能不稳定与使用过程中发生 了晶间类型的腐蚀有关。而s n 、p b 显著加速这种腐蚀，更为值得注意的是s n 、p b 又是 锌中的主要杂质。由于当时炼锌工业的落后，所能得到的最纯的锌仅为9 9 9 0 0 。1 9 2 4 年 才从实验室中得到z n 9 9 9 9 3 的高纯锌，但当时用它进行有一定规模的生产是不可能 的，直到2 0 年代末z n 9 9 9 9 商品锌才供应市场。在高纯锌获得之前，促使人们去寻求 能改善z n - 合金耐蚀性的第三组元，发现m g 、c u 效果显著。在此之后，z n 舢合金 的发展过程实际就是随着锌品味的提高，铜、镁含量降低并作相应的调整的过程。从4 0 年代发现到z n - a i 合金具有超速性能，经过几十年的研究人们已基本掌握了生产工艺。 目前在英美日等国家以s p z 为牌号的超塑性锌合金材料己占领一定市场。 z n - a 1 系合金具有良好的铸造性能、优良的耐磨、减摩性能，是替代价格昂贵的铜 合金的理想材料，已广泛用于制造轴瓦、轴套、蜗轮蜗杆等减摩、耐磨零件【5 ，6 1 。在z n - m 系列合金中，高铝锌基合金z a 2 7 ( 舢约2 6 2 8 、c u 约1 8 2 5 、m g 约0 0 2 0 。0 4 ) 的综合力学性能最好，但由于凝固温度范围宽( 9 5 以上) 、熔点低( 共晶温度为3 8 5 ) ，铸件容易产生缩松、使用温度一般不能超过9 5 c ，且尺寸稳定性差，大大限制了 它的应用范剧7 弗】。 1 2z n a i 合金的特点 1 2 1z n 的晶体学性能 z n 是同素异晶型金属。在低于1 7 0 。c 时，以1 1 形式存在，在1 7 0 3 3 0 范围以b 形 式存在，在3 3 0 4 1 9 范围以q 形式存在3 1 。1 1 相具密排六方结构，因此室温下锌通常形 成六面体晶体，在断裂面出现结晶状。一般讲，锌的晶格常数a 和c 分别为0 2 6 6 5 n m z n a i 合金羽毛状品的形成及形貌研究 和0 4 9 4 7 n m ，c a 的理论值为1 8 5 6 。每个锌原子周围有1 2 个邻位原子，其中6 个原子 的间距为0 2 6 6 5 n m ，另外6 个为0 2 9 0 7 n m 。在六方基面中，原子之间的结合力要比层 间强。这就是锌各向异性的根源所在。在外力作用下，锌会发生形变。由于基面上的原 子要比层间原子距离近，即层间原子的结合弱，再在应力作用下，晶格将沿基面滑移。 在滑动中，只有部分晶格在运动。在室温以上，晶体倾向于沿( 1 0 1 0 ) 面滑动。在应力 作用下，锌的另一种变化是在( 1 0 1 2 ) 面形成孪晶。在形成孪晶时，孪晶基面与原始基 面呈9 4 0 角。由于孪晶造成的变形，在垂直于原始基面的方向减少了6 7 5 厚度。孪晶 发生后，新的基面导致滑移易于进行，这为进一步变形提供了条件。但是，对于多晶体 而言，情况稍微复杂 9 , 1 0 】。主要是晶粒边界对变形也起了作用。除孪生变形和滑移外， 在多晶体中还会出现扭曲。 锌晶体学的另一个很重要的方面是高温条件下原子在晶格中的易动性及纯锌在室 温条件下变形后的再结晶。加入某些合金元素如镉、铜等会形成锌固溶体，锌金属的再 结晶温度则会提高。对纯锌而言，几乎不发生加工硬化，因为再结晶会使加工造成的应 力得到松弛。由于锌恢复特性和加工硬化程度很小，因此其蠕变抗力或在长期作用下承 受变形的能力较小。这就是锌不能做工程材料的原因，但如果加入某些合金元素如t i 和c u 等，其蠕变抗力会增加许多倒1 1 , 1 2 j 。 1 2 2a 1 的晶体学性能及特点 铝一般呈面心立方晶格，这种品格从4 k 至熔点均很稳定。铝无同素异构转变，无 “延一脆 转变，因而具有优异的低温韧性，在低温下能保持良好的力学性能。铝的配 位数是1 2 ，晶胞带有4 个原子。在2 9 8 k 时，纯铝的单位晶格立方体的通用边长为 0 4 0 4 9 n m ，因此铝原子直径为0 2 8 6 0 n m ，原子体积为9 9 9 9 x 1 0 由m 3 g 原子。杂质对晶格 参数仅有微小的影响【1 3 l 训。 铝有多种优良性能决定了它有着极为广泛的用途 1 5 , 1 6 1 ： ( 1 ) 铝的密度小，仅为2 7 9 c m 3 ，虽然它比较软，但可以制成各种铝合金，这些合 金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造业。 ( 2 ) 铝的导电性仅次于银、铜，虽然它的导电率只有铜的2 3 ，但密度只有铜的1 3 ， 所以输送同量的电，铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力， 而且有一定的绝缘性，所以在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业有广泛的用途。 ( 3 ) 铝是热的良导体，它的导热能力比铁大3 倍，工业上用来制造各种热交换器、 散热材料和炊具等。 ( 4 ) 铝有较好的延展性。在1 0 0 1 5 0 时可制成0 0 1 n m 的铝箔。可广泛用于包装香 烟、糖果等，还可制成铝丝、铝条，并能轧制呈各种铝制品。 ( 5 ) 铝表面有一层致密的氧化膜，因而具有较好的耐蚀性。 ( 6 ) 它对光、热、电波的反射性好。这一特性可用于照明器具、反射镜、屋顶瓦板、 抛物面天线、冷藏库、投光器、冷暖器的隔热材料。 ( 7 ) 无磁性。铝是非磁性体，这一特性可用于船上用的罗盘、天线、操舵室的器具 2 硕十学位论文 等。 ( 8 ) 吸音性。铝对声音是非传播体，有吸收声波的性能。这一特性可用于室内天棚 板等。 ( 9 ) 耐低温。铝在温度低时，它的强度反而增加而无脆性，因此它是理想的低温装 置材料。这一特性可用于冷藏库、冷冻库、南极雪上车辆、氧及氢的生产装置。 1 2 3z n a 1 合金的冶金基础 1 2 3 1z n a 1 二元合金的相图分析 z n 一舢系平衡相图的研究已有1 0 0 多年的历史【l 刀，但至今还没有统一的认识。目前， 存在两种以上的z n a l 系平衡相图，最典型的两种相图如图1 1 ( a ) ( b ) 所示【1 8 】。 从图1 1 中可以看出，除了特殊点线的成分和温度稍有差别外，两者最大的区别在 于图1 1 ( b ) 中7 1 8 2 8 z n ，2 7 5 - 4 4 34 c 的区域内存在p ( z n a i ) 固溶体单相区。 在z n - a i 二元系中不存在金属间化合物，z n a l 之间形成几种固溶体【1 7 , 1 9 - 2 2 。 ( 1 ) q ( z n ) 相 它是少量触固溶于z n 中形成的以z n 为基的固溶体，呈密排六方结构；相的形成 途径有三个：一是共晶反应；二是共析转变；三是过饱和a 相的脱溶沉淀。 ( 2 ) q ( a 1 ) 相、伍( a 1 ) 相 它们都是z n 固溶于舢中形成的以砧为基的固溶体，面，t l , 立方结构，但z n 含量和 晶格常数差别较大。 ( 3 ) 1 3 ( z i 认1 ) 相 它是舢基固溶体或以z n a l 为基的有序固溶体，面心立方晶格。1 3 相只在中温区 ( 2 7 5 4 4 3 ) 存在，降温通过共析温度时将发生共析转变： 占 芒 三 芒 0 z n a l 合金羽毛状品的形成及形貌研究 ( b ) 图1 1 两种典型z n a l 二元相图 p _ a ( 灿) 却( z n ) 所以室温下不应存在1 3 相。但有研究表明，液态淬火或激冷可能降低共析转变温度， 扩大1 3 相区，使p 相转变不完全。由于q ( 舢) 相与p ( z n a l ) 相晶格结构相同，晶格参 数十分相近，而且精确测量铸态( 或激冷) 相结构和参数十分困难，这或许是导致p ( 姒1 ) 相是否存在，乃至存在两种相图的主要原因。 由图1 1 ( b ) 可以看出，该合金液态相互无限溶解，在相当宽的含z n 范围内，其 凝固区间很宽，共晶反应的成分和温度分别是9 4 z n 和3 8 0 ，共析反应的成分和温度 为7 8 z n 和2 7 5 ，在7 5 z n 和4 5 5 的合金中，发生包晶反应，仅相和t 1 相在合金中 沉淀析出是最重要的固态反应。锌铝合金凝固及冷却过程发生的相变主要有【l 刃j ： 初晶转变：l 一仅 包晶转变：l _ ( 1 4 a 1 ) + 0 t ( 3 0 a 1 ) _ b ( 2 8 a i ) 共晶转变：l ( 5 1 舢) - - ，q ( 1 i a 1 ) + i z ( 1 7 2 a 1 ) 调幅分解：a ( a 1 ) _ a l + a 2 共析转变： 3 ( 2 2 a 1 ) - - - ，a ( 6 8 4 a 1 ) 加( 9 3 4 z n ) 由于典型的z a 2 7 为过共晶成分的合金，在通常凝固条件下先从液相中析出富舢 初生a 相，并且由于结晶温度范围很宽，初生a 相一般生长成树枝晶状；当温度降至 4 4 3 时，发生包晶反应，包晶转变结束后，初生a 相并未完全消失，液相也仍有剩余 并继续转变为p 相。随温度的降低，液相成分逐渐移向共晶点，从而使剩余液相转变为 沿b 相晶界分布的网状共晶体( p 加) 组织。z a 2 7 合金中含有一定量的c u ，故非平衡凝 固组织中存在三相共晶体( 1 1 + d + ) 【1 刃】。 由于结晶温度范围宽和先析出相与液相枝晶的密度相差大，而引起富铝枝晶相的上 浮，其上浮速度可达5 - 2 1 m m s ，当固相占到5 0 时，枝晶上浮受到抑制。将会导致严 4 硕仁学位论文 重偏析，使铸件产生底缩等缺缺陷。在非平衡凝固条件，富舢的0 t 初生枝晶相内部存 在严重的晶内偏析，先析出部分和后析出部分中所含铝量差别较大，包晶转变也不可能 进行完全，使理论上的单相b 组织变成了c a + 1 3 ) 两相组织，另外，当发生共晶转变时， 由于发达的树枝晶已经把残留的共晶成分的合金液隔离开，共晶反应发生时得不到补 缩，容易产生缩松和缩孔等缺陷。要获得良好的综合性能就必须解决这些问题。 在铸造锌铝合金的研究中发现【2 4 , 2 5 j ，铝与一定比例的锌熔合会改善流动性、细化铸 件晶粒结构而提高力学性能。在z n 二a 1 二元系中，可形成两个固溶体( 几乎是纯锌) 和 q 固溶体，变化固溶体以舢为基，溶解锌可达8 5 ( 所以以铝为基的固溶体可达8 3 z n 而仅有1 7 a 1 ) 。在一定的温度范围和浓度范围，固溶体可分解为两个同样晶体结构但 多锌( a 2 ) 和少锌( a 1 ) 的固溶体。与相图对应，a 固溶体在2 7 5 发生偏析转变a _ q 1 邯， 同时锌在铝中溶解度从2 7 5 随温度降低而急剧下降。因此含5 1 0 a i 锌合金的组织是 亚共析合金p + 共析体( 叶p ) 。当快速冷却时，偏析转变可能不进行。a 2 相过冷至室温， 该不稳定组织将发生变化( 过冷的眈相分解) ，因而导致制品尺寸的变化。 1 2 3 2z n a 1 c u 三元合金的相分析 由于存在两种典型的z n a 1 二元合金相图，对应的也存在两种z n a 1 c u 三元系合 金相图，其本质区别也在于是否存在1 3 ( z n a l ) 相。图1 2 中( a ) ( b ) 是舢c u z n 三 元系合金两种典型相图【2 6 ，2 7 2 引，从相图中可以看出，( a ) 中缺少2 、7 两个特殊点及其反 应。另外，c u - z n 化合物的分子式存在差别，前者为c u z n 4 ，后者为c u z n 5 。 c u 的加入使z n - a 1 二元系中在有a 、p 、r l 相基础上出现了一些含c u 的新相。 ( 1 ) 相【2 9 ，3 0 】 相是由c u 和z n 形成的化合物，有的文献写为c u z n 5 ，有的写为c u z n 3 ，大部分 文献写为c u z n 4 ，它属于密排六方结构，成分为7 8 8 7 z n ，能溶解约5 a 1 。当不含铝， 含8 2 z n 时，相的晶格常数为a = 0 2 7 4 0 n m ，c = 0 4 2 9 0 n m ，硬度h v l5 0 ，比a 相和b 相高很多。通常，当合金铝含量较低时，相电极电位较高，光学显微镜下呈白色。当 合金中铝含量较高时，相电极电位低于0 t 相，光学显微镜下呈浅棕色。 ( 2 ) 0 相 它的分子式通常认为是c u a l 2 ，能溶解2 - 3 z n 。该相属于四方晶系，晶格常数为 a = 0 6 0 6 6 n m ，c = 0 4 8 7 4 n m ，密度为4 3 4 9 ，c m 3 ，硬度h v 4 0 0 6 0 0 。0 相的存在成分大致为 5 2 5 5 3 9 c u 。当合金局部区域a i 、c u 含量较高时，可能形成0 相，它往往呈针状， 使合金变脆。 ( 3 ) t 相( 或1 7 相) 其分子式为c u s z n 2 a 1 3 ( 6 0 1 c u ，2 4 7 z n ) ，属立方晶系，品格常数为 a - - - 0 2 9 1 0 0 2 9 4 0 n m ，含锌量增加，晶格常数增大。t 相存在的成分范围为5 6 5 8 c u ， 10 3 0 z n 。 ( 4 ) t 相 其分子式可能为c u 3 z n a l 3 ( 5 6 7 c u ，1 9 2 z n ) ，属于变形的体心立方结构，硬度 z n a l 合金羽毛状品的形成及形貌研究 秀 。 o 菇 ， ? ? a vj 8 0 叠。石 5 0 s o 矗辽) 芒嘞 端 o 辎a l = ； 绘5 0 趵葛 一t c 面再若、甫丽耐3 5 , 2 历 i o ，7 0 石8 0 9 0 d 。矗 罩2 il o 拍3 0 o 菇5 d 2 矗含量 o ( b ) 图1 2a i - z n c u 三元系合金典型相图 为h v 6 5 0 。从图1 2 ( b ) 中可以看出，t 相位于一个相区的两端，t 相靠近c u z n 侧， t 相靠近a i c u 侧。当微区成分发生变化时，可能形成t 相、t 相或者两者之间的结构。 1 2 4z n a 1 系合金的特点 锌铝铸造合金具有良好的力学性能和耐磨耐蚀性能、密度较低、热导率和电导率适 中、极限抗拉强度高、耐磨性好、承载性好、无磁性、碰撞时不产生火花、减振降噪性 能好和成本较低，越来越广泛地应用于各个领域，并带来显著的经济效益1 1 2 , 2 5 , 3 1 j 。锌铝 合金以其低能耗、无污染、原材料丰富以及良好的力学性能、工艺性能和机械加工性能 等一系列优点，已经成为广泛应用的合金材料。由该合金体系制造的铸件主要用在五个 方面：一是构件类，如用于造纸机械、纺织机械、制砖机械、筑路机械、冶金机械、起 重机械、印刷机械、塑料机械及矿山机械等的配件；二是轴瓦、轴承、滑板及滑块等； 三是汽车、拖拉机配件；四是模具类，如铸塑模、吹塑模、压型模、冲裁模；五是装饰 6 硕l ：学位论文 工艺品。最近1 0 年来，锌铝合金在汽车、模具和玩具等行业倍受青睐，已经成为研究 和开发的热点。锌铝系列合金种类越来越多，锌铝合金的应用范围越来越广0 2 , 3 3 1 。 锌铝合金的基本性质和特点： ( 1 ) 具有良好的轴承性能。z a 1 2 合金及z a 2 7 合金与青铜轴瓦合金比较表明， 锌铝合金具有较低的摩擦因数、较高的承载能力、较高的耐磨性。由于单位体积锌合金 的成本要比铜合金低很多，因此，这种材料制作的轴承具有良好的经济性。 ( 2 ) 成本低、能量消耗少及污染小。由矿石提供炼锌的过程能耗较小，而在制成 铸件时熔化的能耗也较低。另外在铸造生产中不会产生任何有毒的合金污染物或废料。 生产每吨锌铸件的耗电约为1 3 0 度，生产每吨铜铸件的耗电约为3 2 0 度，生产每吨铝铸 件的耗电约为4 0 0 度，生产每吨钢铸件的耗电约为5 0 0 度，可见锌生产耗电最低。另外 工装成本也较低，在压铸时铸造锌合金的金属模具置换及维修成本可以忽略不计。因此， 铸造新合金的生产成本仅为铜合金的1 3 。 ( 3 ) 生产周期短。锌金属熔化潜热比铝低，传递到磨具上的热量较少，因而铸造 周期变短。 ( 4 ) 机加工性能好。可进行粗、精车，精车零件表面光洁，呈光亮的银白色，也 可以进行研磨加工。 ( 5 ) 优越的表面质量。锌合金可以经受各种防蚀表面处理。 ( 6 ) 良好的耐蚀性。在普通大气中锌具有良好的耐蚀性，而且锌的耐蚀性还可以 通过各种表面处理加以提高。 ( 7 ) 较高的导电导热性。锌铸造合金通常在导电导热性方面与铝合金相同，但要 比铜压铸件高几倍。因此它可以代替铜基或铝基合金用在要求导电导热的场合。 ( 8 ) 良好的铸造性能。锌合金优越的铸造性能可以使其铸造较薄的铸件，例如最 小壁厚2 m m ，最小铸出孔l m m 。而且这种合金适用于多种造型材料，如砂型、石膏型、 硅橡胶型及金属型。 ( 9 ) 非磁性及非火花性。非磁性使锌合金可用于制造电子元件以及受磁场干扰的 精密零件。锌合金的非火花性使其可用于制造在有可能爆炸的场合工作的零件。但是注 意z a 2 7 合金与锈蚀铁或钢碰撞时会产生火花。 ( 1 0 ) 良好的电磁性及无线电屏蔽性【3 4 ，3 5 1 。 1 3z a 2 7 合金的特点 在z n 砧系合金中，z a 2 7 合金因其优异的性能而受到大家的关注。其所含成分质 量分数为：a 1 ( 2 6 2 8 ) 、c u ( 2 0 - 2 5 ) 、m g ( 0 0 1 0 0 2 ) ，其余为z n 。 1 3 1z a 2 7 中各元素的作用 其中： ( 1 ) 铝的作用【3 6 1 7 z n a 1 合金羽毛状品的形成及形貌研究 铝是高铝锌基合金中首要的合金元素，它可以改变初生相的种类、数量和晶间共晶 体的数量，从而影响到合金的力学性能和铸造缺陷。微量铝( 0 0 2 ) 即能减轻锌的氧化倾 向，提高铸锭表面质量；0 1 铝即能抑制f e z n 7 化合物的形成，减轻铸锭脆性，还能减 轻z n 对铁模壁的侵蚀作用。微量铝还有细化晶粒和提高强度的作用。当铝含量在6 1 0 范围内时，随着铝含量的增加，合金的抗拉强度显著增加；当a l 含量在2 2 3 0 范围， 不含铜时，合金的抗拉强度随铝含量的增大呈线性增大，延伸率随铝含量的增加，在 舢含量为2 6 时出现峰值，超过或低于2 6 时延伸率下降。含铜为2 5 时，随铝含量 的增加抗拉强度增大，铝大于2 5 2 7 以后，抗拉强度基本不变，延伸率的变化与不含 铜时类似，在2 5 2 7 时出现极大值。此外，铝含量的增加还会加重比重偏析和疏松倾 向。 ( 2 ) c u 的作用【3 7 】 在高铝锌合金中，c u 的作用主要表现在：一是固溶强化合金；二是形成金属间化 合物相( c u z n 4 ) ；三是减缓合金共析转变速度。 铜可溶于富铝相和富锌相中，使合金产生固溶强化，c u 在z a 2 7 合金中的最大固溶 度为1 2 1 3 c u ，超过此含量将析出相。随c u 含量的增加，合金抗拉强度增加，在 2 5 c u 时出现最大值，超过2 5 c u 后抗拉强度随之下降。就整体而言，合金的伸长率 下降。1 2 5 含量正是z a 2 7 合金最大固溶量，合金中c u 含量小于1 2 5 则固溶强化不 足；合金中c u 含量大于1 2 5 则出现沿界分布的弱脆相相。所以，1 2 5 c u 是个关 键含量。在研究热处理工艺时发现，c u 含量高的z a 2 7 合金会出现不稳定现象。当c u 含量控制在1 2 5 时，热处理十分稳定。试验中还发现，当合金中c u 含量大于1 2 5 时，一旦晶界大量出现相，由于相与基体a ( a 1 ) 在电极电位上的差异，会促使晶间腐 蚀，使合金的抗蚀性能变差。 当铜含量低于1 2 5 时，还可提高合金的抗晶间腐蚀能力和高温蠕变性能。当铜含 量较高时，由于铜能阻碍锌铝合金的共析转变，使铸件冷却过程中共析转变难以充分进 行，从而过量的铜可引起铸件尺寸的不稳定。 ( 3 ) m g 的作用1 2 6 1 镁在纯锌中的溶解度很小，在2 7 5 时还不到0 0 1 ，镁在锌铝合金中的固溶度也 不大，室温下镁的固溶度仅为0 0 0 5 ，一般不会超过0 0 2 。只有当镁过量时才会形成 z n m 9 2 为基的金属间化合物或含锌铝铜镁的复杂化合物。但即使这么微量的镁也能起到 固溶强化、提高强度和硬度的作用。同时镁还能防止晶间腐蚀、延缓锌铝合金的共析转 变。锌铝合金的镁量很低，一般不宜超过0 0 2 0 0 3 ，过高的镁量不但会降低合金的塑 性和蠕变强度，还会增加合金的热裂和冷裂敏感性；同时锌铝合金中的铜、镁还降低了 合金的阻尼性能。 1 3 2z a 2 7 合金的凝固特点 平衡条件下凝固，首先从液相中析出富铝高温o i 相【1 9 ，2 引。在4 4 3 。c 时a ，相与剩余液 相进行包晶反应，形成1 3 相。p 相是在o i 初生相的边缘形成。如果在随后的冷却中快速 8 硕f ：学位论文 通过共析反应温度，p 相会转变呈片状或准粒状仅加共析组织。而高温f t ，相也会在基体 中分解出细小的富锌相。在i f 相内还会出现一种过渡相f t m ，其含铝3 0 2 w t 或1 4 8 w t ， 具有面心立方结构。含1 4 8 0 d t o o a l 的品格常数为0 3 9 5 0 n r n 。高温n ，相转变成低温咖 相有两种模式，一种是连续分解，即 0 t - - * 0 t + t x ，m _ a 乜寸a ，m _ 咖 ( 式l 1 ) 式( 1 1 ) 中，q 7 r l i i 为菱形富锌相，有共格应力迫使面心立方畸变而形成，a 为面心 立方晶格，是富铝相，其成分与a ，m 平衡。另外一种是直接在a 7 晶界处生成a ，m 乜，然 后在随后的时效中一起转变成咖。至于进行哪种转变，取决于合金的成分、冷却速度 及时效温度等。在近于共析成分的合金中，p 相的分解也类似于a 。1 1 相并不是直接与a ，m 相一起由p 相分解形成，而是通过伍，m 相形成的。冷却速度不同，d 相固态转变产物的 形态片层结构不断分枝达到的，偶尔也通过界面新片层的形成达到。如果合金在凝固时， 冷却速度较快，包晶反应不完全，剩余液体富锌，凝固组织中会出现共晶体。共晶液相 是以薄层将包有p 相的f t 初生枝晶分开的。在共晶反应时，共晶体中的b 相成分与包晶 反应的p 相成分不同。前者含铝约为1 9 0 d t ，而后者含铝约为3 0 0 0 t 。如果合金中含铜， 组织中必然会出现含铜化合物。在观察组织中，发现 1 相中有两种含铜化合物，一种是 相，另一种是t 相。由眦_ t 加可以看出，相在2 6 8 一下不稳定，要转变成t ， 相。t 相含z n l 2 c o t 、c u 5 8 c o t 、a 1 3 0 0 d t ；相含铜1 5 0 a t 。相向t 相转变，必然涉 及元素原子的扩散即铝向t 1 相的迁移，或者相再固溶，铜通过”相扩散至q 相。由于 这种转变需要的原子扩散路程较长，加之相与锌基体具有类似的晶体结构及很小的晶 格错配度，导致介稳定相在室温能长期保存下来。另外，铜的存在，对合金的凝固过 程也有较大影响。 含2 c u 的z a 2 7 合金的一次结晶的平衡组织应为单相a ，但是由于结晶时出现枝 晶偏析，残余液相中的z n 和c u 发生富集，凝固末期发生二元共晶和三元共晶反应。这 时的结晶过程如下： l a ，+ l _ 仅+ ( q + ) + l _ a + ( a + ) + ( a + + p )( 式卜2 ) 富c u 相在三元共晶反应前析出，在枝晶间隙中生核并长大，因而一般相总是 位于晶界附近。但是富f e 的f e a l 3 总是存在于原始枝晶内。实际上这种c u 及z n 的偏 聚，一方面造成了实际固相线下降，会使共晶转变线终点由含铝1 7 2 c o t 延长至含铝 5 0 0 ) t 以上。这就是z a 2 7 一次结晶组织中出现共晶组织的原因。 1 3 3z a 2 7 合金的性能特点 ( 1 ) z a 2 7 具有较高的室温强度和硬度 3 , 4 , 8 1 。这是由于z a 2 7 合金中延性的a 相具 有较强承载能力，卟相硬度高。z a 2 7 的抗拉强度超过几乎所有有色合金，蠕变强度 也很高。z a 2 7 合金的比重远小于铜合金和黑色金属，可以达到较高的比强度。 ( 2 ) 良好的摩擦磨损性能。高硬度的相质点分布于质软的基体中构成了软基硬 质结构特征( 具有该结构特征的材料为典型的耐磨材料) 。与青铜轴瓦合金比较表明， z a 2 7 具有较低的摩擦系数( 密排六方结构的1 1 相具有固体自润滑特性) ，较高的承载能 9 z n a 1 合金羽毛状品的形成及形貌研究 力和较高的耐磨性，因此被广泛的应用于耐磨材料。 ( 3 ) 制造成本低，耗能小。z a 2 7 熔点较低，因而在熔化过程中熔化耗能少，且合金 元素烧损少、氧化轻、吸气少。由于z n 的价格便宜，所以制备z a 2 7 的原材料成本较 低。z a 2 7 的密度约为5 - 6 3 ( g c m 3 ) ，小于黑色金属，只有铜合金的2 3 ，当用高铝锌合 金代替铜合金时，可以节省1 3 的原材料。如果再考虑熔化耗能少、机械加工费用较低， 用高铝锌合金代替铜合金具有十分可观的经济效益。z a 2 7 可以采用少余量或无余量铸 造成形，省去或大大降低机械加工量，从而降低机加工费用。 ( 4 ) 抗腐蚀能力强。z a 2 7 在盐雾中的抗腐蚀能力最好，其耐碱性超过铝。锌在大 气中具有良好的耐蚀性，因此金属锌被大量用于工业表面镀锌。 ( 5 ) 良好的成型性能。z a 2 7 流动性好，尤其是在高温时，其流动性非常好，可以 铸造较薄的铸件，例如最小壁厚为2 m m ，最小铸出孔为l m m 。z a 2 7 可用于砂型铸造， 永久型铸造，压力铸造，半固态铸造，挤压铸造，离心铸造。 ( 6 ) 良好的减震性能。z a 2 7 的减振性能随温度升高和频率下降明显增大，很适合 制做汽车发动机减振零部件。z a 2 7 具有较高的阻尼性，当受到周期性外力作用发生振 动时，其微观构造中的相界面将发生粘滞流动或变形，吸收一部分振动能并将其转化为 热能或其它能量而耗散掉。 ( 7 ) 一定条件下具有良好的超塑性。可将超塑变形与成形相结合使成形零件的组 织致密化，达到提高塑性的目的。 除此之外，z a 2 7 还具有良好的无线电屏蔽性，非磁性及非火花性，优异的导电、 导热性能等优点。但是z a 2 7 合金也有其不可避免的缺点 3 , 4 , 8 1 ： ( 1 ) 宏观偏析严重。z a 2 7 合金组成相的密度差较大( 铝的密度为2 6 9 9 c m 3 ，锌 的密度为7 1 2 9 c m 3 。故富锌相与富铝相的密度差较大) ，凝固时液体中析出的富铝相的 比重比液体小，加上z a 2 7 合金的凝固温度区间( 1 1 2 ) 较大，因而富铝相有足够时 间上浮，铸件下部缺铝富锌，而上部缺锌富铝，造成比重偏析。另外，z a 2 7 也存在微 观偏析。 ( 2 ) 高温性能差。构成z a 2 7 合金的主要元素( 锌和铝) 熔点低，因此温度高于 1 5 0 后，z a 2 7 合金的抗拉强度大幅下降，耐磨性、蠕变性也降低。 ( 3 ) 分散性气孑l 及底缩。z a 2 7 合金凝固温度范围宽，为典型的糊状凝固，易产生 分散性缩孔。比重偏析造成的自上而下的凝固顺序使补缩难于实现，从而造成底缩。 ( 4 ) 尺寸稳定性差，尤其是热稳定性差( 有较大的热膨胀系数) ，易发生老化。四 相反应q + 一t ，加的转变速度在温度高于1 0 0 ( 2 后加快，从而造成工件尺寸变化和老化。 可见，z a 2 7 合金虽然具有诸多优越的性能，但其自身的缺点不容忽视。因此，如 何合理的利用材料，发挥其优点便成为人们研究的重点。 材料复合化是提高材料高温性能的有效手段1 3 】。在金属中复合或原位生成高温稳定 性好的组分颗粒，制成颗粒增强的复合材料是提高高温力学性能和改善尺寸稳定性最常 用的方法。对于z n a 1 基合金来说，在熔炼时添加高熔点的s i 元素，凝固中原位生成 s i 颗粒，制得s i 颗粒增强的z a 2 7 复合材料。硅是一种常用的高效增强相，不仅能够提 1 0 硕士学位论文 高其高温力学性能，而且还能提高其尺寸稳定性。此外，添加s i 元素还可进一步提高 其耐磨性能。 1 4 羽毛状晶的研究现状 1 4 1 羽毛状晶的发现 羽毛状晶( f e a t h e r yg r a i n s ) 又称之为层状晶，亦称之为双晶、孪晶、放射状晶、玄 武岩状晶、花边状组织等，属于孪晶的一种( g r o w t ht w i n ) 1 2 2 1 。最初发现于铝合金中， 是完全不同于常见柱状晶和树枝晶的一种异常晶粒，之所以称之为羽毛晶是羽毛状晶在 二维金相中其形貌与羽毛相似1 3 引。后来在c u 、t i 合金中也有发现。羽毛状晶是在一定 条件下得到的一种铸造组织。它是由许多羽毛状晶群组成的。每个羽毛晶呈细长而扁平 状，由取向不同的两晶粒和一条笔直的双晶面组成。由于羽毛状晶具有强烈