（材料加工工程专业论文）热处理对触变成形za27合金组织的影响.pdf

e f f e c t so fh e a tt r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r eo f t h i x o f o r m e dz a 2 7 a l l o y z h a oh a i j i n g b e ( t a i y u a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e n x i j u n a p r i l ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名赵泊衙 日期年乡月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。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。 作者签名： 赵：；钧新 导师签名： 抑1 毒 日期：1 1 年f 月1 4f 1 日期：f f 年石月，o 日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 锌基合金的发展概况及其特点1 1 1 1 锌基合金的发展概况1 1 1 2z a 2 7 合金的特点。1 1 2 半固态成形的研究现状及其应用3 1 2 1 半固态原料的制备3 1 2 2 半固态金属的特性4 1 2 3 成形工艺5 1 3 锌铝合金的热处理国内外研究现状6 1 4 本文研究的内容8 第2 章触变成形z a 2 7 合金的初始组织1 0 2 1 实验方法。1o 2 2 结果与讨论一1 l 2 2 1 金属型铸造z a 2 7 和触变成形z a 2 7 合金的组织差异1 1 2 2 2 触变成形z a 2 7 合金中相的分解组织1 9 2 2 3n 相、卢相的分解和共晶组织间的关系2 l 2 3 本章小结2 3 第3 章固溶处理对触变成形z a 2 7 合金组织的影响。2 4 3 1 实验方法2 4 3 2 结果与讨论2 5 3 2 1 固溶处理时间的影响2 5 3 2 2 固溶处理温度的影响3 9 3 3 本章小结4 4 第4 章时效处理对触变成形z a 2 7 合金组织的影响4 6 4 1 实验方法4 6 4 2 结果与讨论4 7 4 2 1 时效处理时间的影响4 7 4 2 2 时效温度对触变成形z a 2 7 合金的影响6 2 4 3 本章小结6 5 结论6 6 参考文献6 8 致 射7 1 硕七学位论文 詈i i。|1i | | 1 1 1i i i i i 鼍 摘要 通过s e m 、x r d 和e d s 对经5 年自然时效的触变成形z a 2 7 合金的微观组 织、热处理态组织、硬度进行了观察、测量，并与金属型铸造的进行了对比。结 果表明： 经触变成形后的z a 2 7 合金由近球状初生伍7 相颗粒和其间的二次凝固组织组 成。在自然时效过程中，声相发生胞状分解形成规则的共析a + 卵层片组织或不 规则的复杂形状组织，从一些层片区域逐渐向颗粒中心的低铝的反相区域生长为 粗大的层片组织，当其生长被口相中心的连续分解所阻挡时，胞状分解停止， 其芯部形成细小的仅+ 叩粒状组织。共晶组织主要为离异共晶及其中“蜂窝 状 棒状共晶。 在3 6 0 固溶处理中，触变成形和金属型铸造z a 2 7 合金随着固溶时间的增 加，n 相、叩相和少量的相逐渐转变为单一的相：仅相和卢相均是从层片组织_ 断续的层片组织一点状物合并生黼的过程；共晶组织从网状组织变粗化再 到断裂，之后变得越来越少，最后消失；组织的元素含量达到平衡时，a l 元素和 z n 元素w t 分别为2 8 2 、6 8 5 ；金属型z a 2 7 合金随着固溶时间的增加，组 织是由细小枝晶一粗大枝晶一大花瓣状组织一大小花瓣组织- - - d , 花瓣组织一零 星点状物一灰色组织的过程。金属型铸造和触变成形z a 2 7 合金在固溶处理过程 中，随着固溶时间的增加，硬度开始呈下降趋势，之后硬度开始急剧上升，然后 趋于平缓，大概固溶至u 2 4 h 时，硬度达到最大值，最后基体成为过饱和亚稳态时， 硬度开始下降。触变成形1 2 r a i n 达到最低值，金属型铸造则是3 0 m i n 至u 达最低值。 在3 4 0 、3 6 0 和3 8 0 下固溶时合金的硬度均是先下降后迅速上升，达到稳定。 随着温度的升高，硬度最低值越大，且达到最低值的时间越短；最后达到最大值 则均为为2 4 h 。 在1 5 0 。c 时效过程中，随着时效时间的延长，析出相数量不断增加，其形态 经历由细小颗粒状、块状与片层状共存到向晶内蔓延的片状组织。金属型z a 2 7 合金同触变成形z a 2 7 合金相似。触变成形z a 2 7 合金在时效处理后，其硬度均 是开始时迅速下降，之后变缓下降，达到稳定。触变成形z a 2 7 合金的硬度最低 值高于金属型铸造合金。金属型铸造合金时效开始时曲线斜率较大，之后硬度低 于触变成形合金；随着时效温度的提高，析出相的数量和尺寸增加。时效温度越 高，硬度达到最低值的时间则越小。 关键词：z a 2 7 合金；固溶处理；时效处理；力学性能；触变成形 热处理对触变成形z a 2 7 合金组织的影响 e li l l l a b s t r a c t t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dh a r d n e s sv a l u e so f t h i x o f o r m e dz a 2 7a l l o y si nn a t u r a l l y a g e ds t a t ef o r5y e a r sa n dh e a tt r e a t e ds t a t ew e r eo b s e r v e da n de x a m i n e db yo p t i c a l m i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n dx r a yd i f f r a c t i o n t h er e s u l t sa r e s h o w na sf o l l o w i n g s ： t h em i c r o s t r u t u r eo fa s - t h i x o f o r m e da l l o yi s c o m p o s e do fa l u m i n u m - r i c ha 7 d e n d r i t e sa n di n t e r d e n d r i t i cs e c o n d a r i l ys o l i d i f i e ds t r u c t u r e s o nc o o l i n ga f t e rc a s t i n g a n ds u b s e q u e n tn a t u r a la g i n g ，t h epp h a s ed e c o m p o s e se u t e c t o i d a l l yi n t ow e l l f o r m e d l a m e l l a eo faa n dr lo ri r r e g u l a r l yc o m p l e xm o r p h o l o g i e s s o m ec o a r s el a m e l l a r c o l o n i e ss p r e a df r o mt h ee d g e so ft h ep r i m a r yp a r t i c l e st o w a r d st h ec e n t e r a - p h a s e c o r e s 、历t 1 1l o w - a l u m i n i u m t h eg r o w t ho ft h e s el a m e l l a ei sa l w a y sr e t a r d e db yt h e c o n t i n u o u sd e c o m p o s i t i o no ft h ec e n t e r 仅p h a s ea n dt h ec e n t e rc o r e sd e c o m p o s ei n t o t h em i x t u r eo ff m ez i n c r i c hr lp h a s ei na na l u m i n u mm a t r i x t h ee u t e c t i cs t r u c t u r e s a r em a i n l yd o m i n a t e db yd i v o r c e de u t e c t i ca n dh o n e y c o m br o d l i k ee u t e c t i c i ns o m e r e g i o n st h e ya p p e a ri na ni r r e g u l a rl a m e l l a rf o r m d u r i n gs o l u t i o nt r e a t m e n ta t3 6 0 c ，t h ea ，瑁a n d p h a s e st r a n s f o r mi n t ot h e u n i q u ef lp h a s ep a r t i c l e sf o rt h et h i x o f o r m i n ga n dp e r m a n e n tm o l dc a s t i n ga l l o y s t h e a p h a s ea n d 夕p h a s ea l le x p e r i e n c e as i m i l a r p r o c e s sp r o c e s s ：l a m e l l a e _ d i s c o n t i n u o u sl a m e l l a e d o t - l i k ef o r m u n i f o r mg r e ys t r u c t u r e t h ee u t e c f i c s t r u c t u r e sc h a n g ef r o mt h eo r i g i n a ln e ts h a p et od i s c o n t i n u o u sa n dc o a r s en e ts h a p e a n df i n a l l yd i s a p p e a r t h ec o n c e n t r a t i o n so fa la n dz ni nt h e p h a s ei sa b o u t2 8 2 、 6 8 5 r e s p e c t i v e l yw h e ni tr e a c h e st h ef i n a le q u i l i b r i u ms t a t e t h em i c r o s t r c t u r eo f p e r m a n e n tm o l dc a s t i n gz a 2 7a l l o yc h a n g e si nt u r no fs m a l ld e n d r i t e s ，c o a r s e d e n d r i t e s ，p e t a l l i k em i c r o s t r u c t u r e ，d o t - l i k e 野p h a s ed i s t r i b u t e di ng r a ym a t r i xa n d u n i f o r mg r e ys t r u c t u r e w i t ht h ei n c r e a s ei ns o l u t i o nt i m e ，t h eh a r d n e s sv a l u e so ft h e t h i x o r o m e da n dp e r m a n e n tm o l dc a s t i n gz a 2 7a l l o y sa l lf i r s td e c r e a s e ，t h e ns h a r p l y i n c r e a s ea n df m a u yt e n dt oam i l dw a y w h e ns o l u t i o n z e df o r2 4kt h eh e a r d n e s si s u pt oap e a kv a l u ea n dt h eh a r d n e s sb e g a i nd e c r e a s i n gw h e nt h em a t r i xb e c o m ei n t oa u n i q u es a t u r a t e d8p h a s e t h eh a r d n e s so ft h et h x i f o r m e da l l o yr e a c h e st h em i n i n l u n v a l u ew h e nh e a t e df o r12w h i l et h a to ft h ep e r m n a n tm o u l dc a s t i n ga l l o yr e a c h e si t s m i n i m u nv a l u ew h e nh e a t e df o r3 0 m i n a st h es o l u t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h e m i n i m u nh a r d n e s si n c r e a s e sa st h es e q u e n c eo ft h ea l l o y sh e a t e da t3 4 0 ，3 6 0 a n d38 0 ，a n dt h en e e d e dt i m ed e c r e a s e si nt h es a m es e q u e n c e t h en e e d e dt i m et o r e a c ht h em a x i m u mv a l u e si sa l la p p r o x i m a t e l y2 4 h i i 硕士学位论文 d u r i n ga g i n ga t 15 0 ，t h ea m o u n t so fp r e c i p i t a t e daa n d 叩p h a s eo ft h e t h i x o f o r m e da l l o yi n c r e a s ea s t h ea g e i n gt i m ei n c r e a s e sa n dt h em i c r o s t r c u t u r e m o r p h o l o g ye x p e r i e n c e st h i sp r o c e s s ，f r o mt h eg r a n u l a rf o r mt oc o e x i s t e n c eo fl u m p a n dl a m e l l a ea n dl a m e l l a rs t r u c t u r e sw h i c hs p r e a dt o w a r d st h ew h o l eg r a i n s 1 1 l e p e r m a n e n tm o m dc a s t i n ga l l o yh a sas i m i l a rp r o c e s st ot h et h i x o f o r m e da l l o y t h e h a r d n e s sv a u l eo ft h et h i x o f o r m e aa l l o yf i r s ts h a r p l yd e c r e a s e sa n df i n a l l yt e n d st oa c o n s t a n t 1 1 1 em i n u m u mh a r d n e s sv a l u e so ft h et h i x o f o r m e da l l o y sa r ea l w a y sh i g h e r t h a nt h o s eo ft h ep e r m a n e n tm o u l dc a s t i n ga l l o y s 。功ea m o u n ta n ds i z eo ft h e p r e c i p i t a t e dp r o d u c t si n c r e a s e 、析t l lr i s i n gt h ea g e i n gt e m p e r a t u r e 1 1 1 et i m et h a tt h e h a r d n e s sr e a c h e sm i l i e u l 1v a l u ed e c r e a s e sa st h et h et e m p e r a t u r er i s e s k e yw o r d s ：z a 2 7 a l l o y ；s o l u t i o nt r e a l m e n t ；a g i n gt r e a t m e n t ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； t h i x o f o r m i n g i i i 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 锌基合金的发展概况及其特点 1 1 1 锌基合金的发展概况 锌合金出现于本世纪初期，并作为锡和铅的代用品用于制造印刷铅字，为这 种用途而开发的最早的一种锌基合金含s n 6 、c u 5 、a 1 0 5 。但是，早期的 锌合金存在许多缺点，如易于晶间腐蚀、过早失效以及在潮湿环境下易开裂等， 因而人们难以想象锌及其合金也能成为性能优良的工程材料。随着新冶炼技术的 进步以及人们对锌合金的大量深入研究，改善锌合金的缺陷已成为现实。上世纪 3 0 年代左右，美国新泽西锌合金公司研制出了z a m a k 3 和z a m a k 5 锌铝压铸合 金l l j 。在战前和二次世界大战期间，德国由于铜资源紧缺，而用重力铸造锌铝合 金代替铜制造轴承材料。锌铝合金熔点低、机械性能好，因而在压铸工业中得到 了广泛地应用。上个世纪6 0 年代末到7 0 年代，先后由美国和加拿大研制出了 z a l 2 、z a 2 7 和z a 8 等合金，构成锌铝合金系列【2 】。此后，在世界范围内，人 们开始研究、开发锌铝合金，一些国家还将锌铝合金列入国家标准1 3 j 。我国于上 个世纪8 0 年代初，对这一系列锌铝合金开始试验研究，且有较快发展。 z n a 1 合金具有许多优良的特性，比如密度较低、热导率和电导率适中、极 限抗拉强度高、耐磨性好、承载性好、无磁性以及碰撞时不产生火花等，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【】。同时，z n 舢合金熔点低、耗能少、成本低廉、成型方便且无污染， 适用于多种铸造方法，故而具有很强的市场竞争力，对其研究和应用也在不断地 深入和发展，其中z a 2 7 合金是在锌铝系列合金中综合性能最好的，也是锌铝合 金研究的热点之一p 。 1 1 2z a 2 7 合金的特点 z a 2 7 合金是锌铝系列合金中性能最好的，应用也最广泛，但是锌铝合金也 不能应用于任何场合，也有其不足的地方，因此，了解和掌握锌铝合金尤其是 z a 2 7 合金的性能特点至关重要的，能够充分发挥锌铝合金的优势和潜力，获得 最大的经济效益和社会效益。 1 1 2 1z a 2 7 的优点 ( 1 ) z a 2 7 具有较高的室温强度和硬度。这是由于z a 2 7 合金中延性的仅相 具有较强承载能力，瑁、相硬度高。z a 2 7 的抗拉强度超过几乎所有有色合金， 熟处理对触变成形z a 2 7 合金组织的影响 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 】。 ( 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( 密排六方结构的叩相具有固体自润滑 特性) ，较高的承载能力和较高的耐磨性，因此被广泛的应用于耐磨材料【8 】。 ( 3 ) 良好的减振性能。z a 2 7 合金的减振性能随温度升高和频率下降明显增 大，比较适合制做汽车发动机减振零部件。z a 2 7 合金具有较高的阻尼性，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是变 形，吸收一部分振动能并将其转化为热能或其他能量而耗散掉。 ( 4 ) 抗腐蚀能力强。z a 2 7 在盐雾中的抗腐蚀能力最好，其耐碱性比铝好。 在大气中锌具有良好的耐蚀性，因此金属锌被大量用于工业表面镀锌。 ( 5 ) 良好的铸造成型性能。z a 2 7 合金的流动性好，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 合金可用于压力铸造，永久 型铸造，砂型铸造，挤压铸造，半固态铸造，离心铸造。 ( 6 ) 良好的经济效应。工艺简单，熔化能耗低，成品率高，加工方便，制 造成本低，污染小，使用寿命长。z a 2 7 合金熔点较低，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。原材料成本较低。z a 2 7 合金的 密度约为5 - 6 3 ( g cr n 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l 3 的原材料。z a2 7 合金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【2 j 。 ( 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【2 ，纠j 。 除以上之外，z a 2 7 还具有良好的无线电屏蔽性及电磁性，非磁性及非火 花性，优异的导电导热性等优点。 1 1 2 2z a 2 7 的缺点 虽然z a 2 7 合金具有众多的优点，但也存在一些问题，阻碍了z a 2 7 合金进 一步的应用【1 0 】：z a 2 7 合金存在严重的偏析，富锌相与富铝相的密度差较大( 铝 的密度为2 6 9 9 c m 3 ，锌的密度为7 1 2 9 c m 3 ) ，凝固时液体中析出的富铝相比重 比液体小，而且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，且上部缺锌富铝，造成比重偏析，也存在严重的 微观偏析。z a 2 7 合金存在分散性气孔及底缩，为典型的糊状凝固，易产生分散 性气孔，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 【l l 】。z a 2 7 合金凝固温度范围较宽，是典型的糊状凝固，极易产生分散性缩孔。 2 硕士学位论文 比重偏析造成的自上而下的凝固顺序使得补缩难于实现，从而造成底缩。除此之 外，z a 2 7 合金在铸造时，还会有缩松、夹杂和气孔等。缩松是z a 2 7 合金在不 同铸造工艺中具有共有特征，也是z a 2 7 合金的典型问题。 半固态成形技术为生产提供了重要的优势，比如降低宏观偏析和孔隙度和较 低的成型力度；从材料成形的角度看，半固态成形是减少或消除缩松很有效的方 法。因此，为了提高z a 2 7 合金的力学性能，半固态成形技术是有用的。 1 2 半固态成形的研究现状及其应用 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院的f l e m i n g s 教授在研究材料热裂时 发现了一个有趣的现象，而半固态金属成形正是基于此发现而发展起来的一种新 型的金属成形工艺i l 加1 3 l 。当时，f l e m i n g s 和他的同事们发现当金属凝固的同时 加以剧烈搅拌，就能得到一种特殊的非枝晶结构，金属凝固组织由通常的枝状晶 变成球状的等轴晶；当固相分数相当大时，外筒旋转所需的力矩仍旧很小，即合 金在此状态下仍表现出很小的变形、流动抗力。经研究发现这一独特的性能归功 于其奇特的球状非枝晶组织。具有这种特殊结构的部分凝固金属具有高粘度浆体 的特性，并可以用传统的铸造工艺如压铸成形，或在高固相含量时通过压力加工 工艺如锻造、挤压、轧制成形。麻省理工的研究者们很快发现金属在半固态状态 下成形的潜在优点，半固态成形技术因而逐渐发展起来。 半固态铸造工艺技术经历了将近4 0 年的研究与发展【1 2 1 3 1 ，己取得了长足的 进步。由于采用该技术生产的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点，因此 具有较强的生命力。除军事装备上的应用以外，开始主要集中用于各种车的部件 上，如用于汽车轮毂，可提高性能、减轻重量、降低废品率。此后，逐渐在其它 领域中获得应用，生产高性能和近净成型的部件。其中半固态金属铸造工艺的成 型机械也相继推出。目前已经研制生产出了从6 0 0 0l 洲到2 0 0 0 0k n 的半固态铸造 用压铸机，成形件重量可达7 k g p f l , 上。在美国和欧洲，该项工艺技术的应用较为 广泛。半固态铸造工艺被认为是2 1 世纪最具发展前途的近净成型和新材料制备技 术之一。其中压力铸造作为一种终形或近终形的成形方法，具有生产效率高、经 济指标优良、压铸件尺寸精度高和互换性好等特点，在制造业获得了广泛应用和 迅速发展，压铸件已经成为许多产品的重要组成部分1 1 4 1 。 1 2 1 半固态原料的制备 制备半固态合金的方法有很多，除了机械搅拌法外，又开发了电磁搅拌法( 见 图1 1 b ) ，应变诱发熔化激活法( s i m a ) 、半固态等温热处理法、超声波法、 振动法、循环等温法、机械冷却滚动法、控制合金浇注温度法、喷射沉积法等【1 5 1 6 1 a 机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法【13 1 ，基本上分为两种类型，一 种是一套由同心带齿内外筒组成的搅拌装置( 外筒旋转，内筒静止) ，这样使得 热处理对触变成形z a 2 7 合金组织的影响 初生的树枝晶被破碎而成为颗粒状；另一种是在熔融的金属中插入一根搅拌棒进 行搅动。 ， 电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，使金属液在洛伦磁 力的作用下产生运动，以达到对金属液搅拌的目的。 应变诱发熔体激活法( s n v t a ) 是将传统铸锭经过预变形，如进行挤压，滚 压等热加工制成半成品的棒料，这时其显微组织具有强烈地拉长形变结构，而后 加热到固液两相区适当保温一段时间，此时被拉长了的晶粒变成了细小的颗粒， 随后快速冷却获得非枝晶组织铸锭。 将微量元素加入到常规铸锭中，获得细小等轴晶的合金，而后加热到半固态 温度，保温一段时间，便获得了理想的适合半固态成形的组织，此方法称为半固 态等温热处理法。 制备非枝晶锭料的方法还有很多，如超声波法、机械冷却滚动法、喷射沉积 法、振动法、控制合金浇注温度法、循环等温法等【l5 ，1 6 j 。 上述几种半固态原料的制备方法各有其优缺点。通过分析对比可以看出，对 锌铝合金来说，半固态等温热处理法是一种较好的半固态原料制备方法。该方法 操作简单、过程较易被控制，亦便于进行实验观察。另外，半固态等温热处理法 工艺简单、效率较高，有较好的发展前景。因此，本研究采用的是半固态等温热 处理法进行材料的触变成形。 1 2 2 半固态金属的特性 半固态金属的内部特征是固液相混合共存，在晶粒的边界存在金属液体， 根据固相分数的不同，气状态也不同。半固态金属的金属学和力学特点主要有八 个方面【l7 。，如下： ( 1 ) 由于固液共存，在固液界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。 因此溶质元素局部的浓度不断变化。 ( 2 ) 由于晶粒间或固相粒子之间夹有液相成分，固相粒子间几乎没有结合力， 因此，其宏观流动变形抗力较低。 ( 3 ) 随固相率的降低，呈现黏性流体特征，在微小的外力作用下即可很容易 的变形流动。 ( 4 ) 当固相率在极限值( 约7 5 ) 以下时，浆料可进行搅拌，并可以很容 易地混入异种材料的粉末、纤维等。 ( 5 ) 由于固相粒子之间几乎无结合力，在特定的部位虽然很容易分离，但由 于液相成分存在，又可很容易地将分离的部位连接成一体。尤其是液相成分很活 跃，不仅是半固态金属间的结合，而且与一般固态金属也易形成很好的结合。 ( 6 ) 即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难以加工性的材料，也可通过半熔融状态 在低加工下进行成形加工。 4 硕士学位论文 ( 7 ) 当施加外力时，存在液相成分和固相成分分别流动的情况。虽然施加外 力的方法和当时边界约束的条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先进行流 动的倾向性或是可能性。 ( 8 ) 上述现象在固相率很高( 或是很低) 或加工速度较高的情况下都很难发生， 主要是在中间固相率范围或低加工速度情况下较显著。 1 2 3 成形工艺 半固态成形可分为流变成形和触变成形两种，经加热熔炼的合金原料液体通 过电磁搅拌、机械搅拌或其他复合搅拌，在结晶凝固过程中形成半固态浆料。 1 2 3 1 流变铸造 流变铸造( 或流变成形) 是指将凝固过程中的金属强烈搅拌，当达到一定固 相分数时，直接压入模具腔，或对半固态浆料进行直接轧制、挤压的一种方法【1 3 ， 1 8 1 。流变铸造必须是浆料制备和压力成形同时进行，且两工位的距离不能太远， 否则，由于经搅拌后的半固态浆料很难储存和搬运，该方法很难实现，因而此方 法在实际生产中很少应用。 1 2 3 2 触变铸造 感成 台金 铸摸 t 馨 誊围态坯料制造装置b ) 半蹰态坯辩惜半固态坯科下科 ( d ) 坯料l i ；加热 e 坯料输送罕班铸醴各国警固巷瓜铸威形 图1 1 触变铸造工艺示意图【1 5 】 触变铸造( 或触变成形) 是指把经在固液温度区间搅拌的金属先制成非枝 5 热处理对触变成形z a 2 7 合金组织的影响 晶锭料，然后根据所做零件的大小截成小的坯料，再将坯料重新加热到半固态温 度后压入模具的方法【1 9 , 2 0 l 。即将固体材料加热到所要求的半固态之后放入容器 内，再用活塞通过喷嘴高速压入模具内填充凝固得到制品的方法。在这种情况下， 充型前坯料的固相率和流变铸造大致相当或者略高一些。其中半固态金属在一定 条件下因静止状态而呈较大的粘性，保持固态形状，若在此时施加剪力，其粘度 将大大降低，流动性恢复。触变铸造就是有效地利用了半固态金属所特有的触变 性进行半固态金属成形的成形方法，触变成形技术一般分为三个工艺过程非枝晶 锭料的制备( a 、b 和c ) 、二次加热( 部分重熔d ) 和触变成形( e 和f ) ，见图1 2 。 以前的普通压铸工艺有一个缺点是液态金属射出时空气卷进制品中形成气 泡或是产生缩松，在半固态压铸时，通过控制半固态金属的粘度和固相率，进行 调整，可以抑制气泡和缩松的产生，因此可以加工普通压铸工艺难以成形的制品， 并可以经热处理达到高品质化，从而有可能应用到重要零件上，并可以制造锻造 难以成形的复杂形状制品。触变铸造最显著的特点是变形坯料在压铸前呈半固 态，射出时产生的剪力又可以使坯料具有充型所需要的良好流动性，这样，和普 通压铸和流变铸造相比，触变铸造就有可能大幅度提高生产率【2 。 触变成型是一个新颖的合金加工技术，结合了铸造和锻造的因素。这一新 的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形 抗力比固态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能质量要求高的零 件，所以，国外有的专家将半固态加工称为2 1 世纪最有前途的材料成形加工方 法 2 2 , 2 3 1 。众所周知，一个部件的最终性能取决于它的微观结构，微观组织又由加 工工艺和随后的热处理所决定 2 4 1 ，而触变成形材料的优点就是可以通过热处理 进一步提高性能，本文主要就是分析时效了5 年的触变成形z a 2 7 合金的微观组 织，并通过热处理提高其力学性能，分析组织演变以及硬度的变化，为z a 2 7 合 金的后期研究奠定基础。 1 3 锌铝合金的热处理国内外研究现状 众所周知，一个部件的最终性能取决于它的微观结构，微观组织又由加工工 艺和随后的热处理所决定 2 4 1 。z a 合金的微观组织在铸造、随后的冷却和时效过 程中都发生了复杂的变化。近些年来，对室温和加热温度的铸造z a 合金力学性 能做了大量研究，但只有- - d , 部分文章是关于组织和性能的关系。关于z a 合金 在室温和一定温度时效后微观组织的研究很少。目前国外研究最多的是 m r d u r m a n ，国内研究的人有朱耀华、陈体军和徐小磊等。 国外研究最多的是m r d u r m a n ，“压铸z a 2 7 的微观组织”是他发表于s c i 上的一篇文章，用s e m 和t e m 对金属型铸造并经5 年自然时效的z a 2 7 合金的 微观组织进行了观察。本论文研究的也是自然时效5 年的z a 2 7 合金，不同的是 与m r d u r m a n 是对金属型铸造z a 2 7 合金的微观组织进行了观察，而本文则是对 6 硕十学位论文 触变成形z a 2 7 合金的微观组织进行了观察。 朱耀华研究的大多是z a 2 2 合金，主要是z a 2 2 在热处理下的相变和拉伸 蠕变下、激光下与超精密加工下的z a 2 2 合金微观组织的演变和相变。虽然研究 的是z a 2 2 合金，但是也给本文提供了很多有用的材料。 陈体军教授研究过很多关于z a 2 7 合金的组织和性能，其中几篇是关于触变 成形合金和力学性能的之间关系的文章，但只有一篇文章是分析了热处理对触变 成形z a 2 7 合金的影响为“淬火时效热处理对触变成型z a 2 7 微观组织和拉伸性 能的影响 ，研究了淬火时效热处理对触变成型z a 2 7 微观组织和拉伸性能的影 响。结果表明：在3 5 0 下固溶处理4 8 小时后合金的微观组织转变为多边形的 相粒子，随后相分解为a 和r 相，这两相在随后1 5 0 。c 下时效粗化 2 4 之7 1 。多 边形边界上的相含z n 量高于内部相粒子。边界上相的分解速度和随后的 粗化速度均比内部相快。因此，时效中边界上的仅和r 相比内部粒子要粗。由 于粗化，随着时效时间的增加最大拉伸强度逐渐降低。延伸率增加到了1 0 小时， 但是由于差的变形条件和粒子间的低粘着性，随时效时间而降低。在拉伸测验时， 在缺陷处产生裂缝，随着时效时间增加传播途径将发生改变。 在锌铝合金中，z a 2 7 合金的成分为：z n 2 6 2 1 a 1 2 0 9 c u - 0 0 1 3 m g ( 质量分 数，) 。 工业用z a 2 7 合金通常要加入合金元素m g 和c u 。元素m g 的加入除了细化晶 粒、提高强度外，主要是改善耐蚀性；元素c u 的加入主要是提高高温抗蠕变性 能。其中m g j 1 入量过高，使合金热裂倾向增大，t u n 入量过高，不仅不利于合 金强度的提高，而且还不利于使用过程中的尺寸稳定性【8 2 引。 由z n a 1 相图可知( 图1 1 ) ，z a 2 7 合金的凝固及冷却过程中的相变比较复杂。 研究表明，在凝固过程中，先形成高熔点富铝的仅枝晶组织，接着发生包晶反应 三地l 垆，由于没有足够的时间使该反应充分完成，仅在仅嚷面形成一层富z n 的b 相，且将大量的z n 躯l j 剩余液体中，使剩余液体的z n 含量增加，从而发生共晶 反应三+ r ，最后在包晶相间形成共晶组织r 7 1 。c u 元素在凝固过程中一部分固 溶于a 、p 相中，剩余部分被排到共晶液体中，在共晶体中形成富c u 的相 ( c u z m ) t 3 。因而，在凝固刚完成时，z a 2 7 合金的组织由初生a 相、包晶口相、 共晶叩邯和相组成。从图1 1 得知，在随后的冷却过程中，相将发生共析分解， 而仅相也不稳定，也将发生分解，且相的分解与枝晶间的共晶组织有很大关系。 相以胞状不连续分解方式分解为共析组织。初生a ，相在室温下也不稳定，通过 s p i n o d a l 分解的连续分解和胞状分解的不连续分解方式分解a + r 组织。在凝固过 程中，c u 被排到共晶液中而在枝晶间形成尺寸较大的s 相，在冷却和时效过程中， 固溶体中的部分c u 在叩相中形成弥散分布的细小相，m g 则全部固溶于口，叩相中 【刀。 7 热处理对触变成形z a 2 7 合金组织的影响 6 0 0 - 4 0 0 k 2 0 0 z n ( w t 1o2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 ol 。 l l i 兰把、 。 l 。i a + 旺一 t ，r 、。 、。， 一、_ 一上：l i t 一 一、k ，1 旺 厂a + 口n r 脚 1 1 1 ： 一 厂。 1 i i z + l l 1 o2 04 06 08 010 0 z n ( a t 。) 图1 2z n - a 1 相图【2 9 l 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 为组织决定其性能，而微观组织又是由成形工艺和热处理所决定。因此，如何通 过成形工艺和热处理改善合金的微观组织，以达到提高合金的性能及发挥其优点 的目的，已经成为人们研究的重点。然而触变成形是一个新颖的合金加工技术， 此加工技术可以将非枝晶锭料的制备和成形完全分开，便于组织生产，而且容易 实现自动化操作，该方法结合了铸造和锻造的因素，为生产提供了重要的优势， 比如降低宏观偏析和孔隙度和较低的成型力度陶，因而触变铸造是目前半固态 成形技术中应用最多的一种方法【3 2 。 从国内外研究现状来看，对触变成形z a 2 7 合金的微观组织及其力学性能的 研究很少，且并不深入，故而本文“热处理对触变成形z a 2 7 合金微观组织的影 响 对此进行了深入的研究，为触变成形z a 2 7 合金后期的研究奠定了基础。 1 4 本文研究的内容 1 、研究自然时效5 年的触变成形z a 2 7 合金微观组织，推演该组织的形成过程。 2 、研究固溶处理对触变成形z a 2 7 合金微观组织的影响。a 固溶处理时间的影 响，选择合适的固溶温度，研究随着固溶时间的延长，其组织的变化情况及 其硬度的变化，并与金属型z a 2