（材料加工工程专业论文）硅锰对高铝锌基合金性能影响的研究.pdf

摘要 本文研究了z a 系合金中应用最广泛的z a 2 7 合金，针对企业在工业应用过程中发 现z a 2 7 在中低速重载连续工作时，因温升造成耐磨性下降，难以满足工况要求的实 际情况，为进一步提高其力学性能和高温耐磨性，结合国内外研究现状，在z a 2 7 合 金基础上，添加s i 、m n 合金元素调整合金的组织，通过显微组织分析和常温机械性 能测试，以探索z n a l s i 及z n a l m n 合金常温及高温滑动摩擦条件下的摩擦特性。 试验中，台金分别在中频感应炉和石墨坩埚电阻炉中熔炼。借助电子扫描显微镜、 金相显微镜、电子探针显微分析仪等方法研究台金的显微组织，分析合金的性能。 试验结果表明，加s i 的高铝锌基合金z a 2 7 总体上硬度、抗拉强度均较高： m n 的加入有助于z a 2 7 合金硬度的提高，加1 5 m n 时合金硬度最高；试验条件下，m n 的加入量超过o 8 时，其延伸率下降，在1 5 时达到最低值。适宜的加锰量为 o 4 一o 8 ；在拉伸应力作用下加入s i 或m n 后的z a 2 7 ，合金的断裂均为混合型断裂， 既有塑性断裂，也有脆性断裂。裂纹主要始于脆性相s i 相和m n 相，裂纹沿晶界扩展； 在滑动摩擦条件下( 常温) ，含s i 的z a 2 7 合金在载重较小时，耐磨性与普通z a 合金 相比没有明显提高，但在载荷较大的情况下，其耐磨性远高于普通z a 2 7 合金材料； 加m n 的z a 2 7 合金与常规z a 2 7 合金相比，耐磨性没有明显提高；在滑动摩擦条件下， s i 的加入提高了z a 2 7 合金的高温摩擦性能。s i 的加入量为1 3 时，z a 2 7 合金的磨 损量最少，高温摩擦性能最好：加入m n 后，z a 2 7 合金在低温轻载下耐磨性能较好， 高温耐磨性能不理想；在滑动摩擦条件下( 高温) 的磨损以粘着磨损和磨料磨损两种 方式共同存在。 关键词：高铝锌基合金硅锰摩擦磨损机械性能 a b s t r a c t z a 2 7a l l o ) 卜0 n eo ft h em o s t 惭d e l yu s e dz as e r i e sa 1 1 0 y s i ss 伽i e di nm i s p 印既i 工l a c t u a le n 百n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，i t sw e a rr e s i s t a n c er e d l l c e sd u et o 恤e h i 曲t e i n p e r a _ c u r e r e s u l t e d 矗d mt h ec o 砸n u o u sa n dh e a v yl o a ds e r “c e ，w h i c hc a i l n o tf i tt l l ed e m a l l do f 钮百n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，b a s e do nt 1 1 er e e 锄tr e s e a r c ht h d u 曲o u tt h ew o r l d ，i no r d e rt o i m p r o 、碍m e c h a i l i c a lp m p 硎e sa n dw e a rr e s i s t a i l c ea tl l i g ht 唧c i 锄u r eo f ：乙a 2 7a l l o y ，s i a n dm na r ea d d e dt o m o d i f yi t s m i c r o s 协l c t u r e n sm i c m s t m c t u r ea n dm e c h a i l i c a l p r o p e n i e sa r ct e s t c da n dt h es l i d i l l g 衔c t i o na t 锄b i e n t t c m p e r a n l r ea n ds l i d i n g 衔c t i o na t h i 曲t 锄p e r a t i l r eo f 踟a 1 s ia n d 踟a 】a r es t l l d i 。d a i l o y sa r em e i t e di ni 1 1 t e r n l c d i a t e 丘q u e i l c yf i l 】m a c ea n dg r 叩h i t ec n l c i b i er e 印e c t i v e ly s ia n dm na r ea l l o y e dt oi m p r 0 v ep r 叩c n i e s t h r o u g hs e m ，m e t a l l o 冒印h i cm i c m s c 叩e a i l de k c 廿0 n i cp m b e m i c r o s c o p i c a la n a l y z e r ，t h ei i l i c r o s 1 l c 劬嘟o f 也ea l l o ya r es t l l d i e d a i l dt h e p r o p e n i e s a r ea i l a l y z e d r e s u l t ss h o wt l l a tm eh i 曲a 1 啪i n 啪z i n cb a s ea 1 1 0 yz a 2 7a h o y e db ys ih 踮a n o 、噌m l lh i g h e rk i r d n e s s 卸dt e n s i ks 打e n g t h ；m nc a ni i i l p r o v ea l l o y sh m d l l sa n da t 让幛 s 锄et i m er c d u c em ee 1 0 n g a t i o n m 吼廿l ec o n t e n to f i s1 5 叭，恤h a r d n e s so f m e a 1 1 0 yi s t h ch i 曲c s tb u tt h e e l o n g a l i o nl o w e s t t h ep r 锄i mc o n l e n t o fm i s 曲0 u t o 4 o 8 、v t u n d c r 吐1 ct e n s i l es 仃e s s ，t h e 劬曲】r cm o d eo f z a 2 7a l l o y e dw i 也s io rm n i sa m i xt y p e 行a c t u r e - t h ep l 髂t i c 丘a c t i l r ea n dm eb r i m e 丘a c t l l r ea r ec o e 噬i s t e n c e 。c 髓c k sa r e m a i n l ys t e m m e d 栅n b r i t t kp h a s e so fs i 孤dm na n dd e v d o pa l o n gt 1 1 e 孕a i nb o l d 缸y w h e n1 培h t l yl o a d e d ，m es l i 幽g 衔c t i o nr e s i s 伽1 c e ( a t 锄b i 饥tt e m p 盯a t 盯e ) o fz a 2 7 a l l o y e dw i t hs ii si l ob e t t e rt h 趾m a t o fc o m m o nz a a u o y b u tw h e nh e a v y l yl o a d e d ，t h e r ) n n 盯i s 髓b e n e rt h a nt h e1 a t t 腻1 1 1 ew e a rr e s i s t a n c eo fz a 2 7a l l o y e dw i t hm ni sn o o b v i o u s l y b e t t e rt h a nm a to f c o m m o nz | 舵7a l l o yu n d e r 垃站s l i d i n g 茄e t i d nc o n 嘲o n s ，m e w e a rr e s i s t a l l c ea th i 曲t e m p e m t u r eo f 三a 2 7i si m p m v e db ya l l o y e ds i a i l dr e a c h e st 1 1 e m g h e s t1 e v e lw h e nm e c o n t e n to fs ii sl 一3 州a n da l s o ，t 1 1 ew e a rr e s i 曲m c e 砒a l 】西i e n t 僦n p e m t l l r ea n do f z a 2 7a 1 1 0 y e d 讯mm nw h e nl i 曲t l yl o a d c di sd e s i r a b l eb u tb e c o m e s 、v o r s ea th i g ht 锄p e r a t u r e t h ew e a rm e c h a n i s mo fm eo n e l i x e d ，i mb o 山a 血e s i v ea n d a b r a s i v ew e a ru i l d e rs l i d i n g 伍c t i o nc o n d i t i o n s ( a th i 曲t e m p e r a t u 旧 k e yw o r d s ：h i 曲a l u m i n u mz i n c b a s ea l l o ys i衔c t i o na i l dw e a rp m p e n y ， m c c h a n i c a lp r o p c n y 2 1 1 高铝锌基台金概述 第一章绪论 高铝锌基合金是二十世纪7 0 年代发展起来的新型合金材料。由于其具有优良的 耐磨性，高的力学性能及比强度，良好的机械加工性能，且熔炼工艺简单和原材料来 源丰富，节约能源，环境污染小等优点，自其开发成功至今得到广泛重视和应用“。 第二次世界大战期间，德国由于缺铜而首先使用重力铸造锌合金来代替铜合金制 造一些耐磨件，如：代替青铜制造轴承、轴瓦等零件。后来由于战争及其它方面的原 因，重力铸造锌基合金未能获得深入的发展和更广泛的应用，直到5 0 年代末和6 0 年 代初出现了国际性铜、锡资源紧张局面时，重力铸造锌基合金的研究又趋活跃。1 9 5 9 年国际铝、锌研究协会在新泽西锌公司发起了一项锌合金的研究计划，于1 9 6 2 年研 制出i l z r o r 合金，后来加拿大n o r a n d a ( 诺郎达) 采矿有限研究中心发现i l z r o r 合 金的冲击韧性太低，不宜在受冲击的环境中工作，于是他们将i l z r o r 合金改进为z a r 合金( z n i i a 卜i c u o 0 2 ) ，z a r 合金的冲击韧性明显得到改进。新的合金在加拿大、 澳大利亚、英国、美国成功地打开了市场销路。但是为了能和已经充分研究和发展的 铜合金( 青铜和黄铜) 作有效竞争，需要有一个合金系列。其中每一种合金都具有特 定的性能，对市场需要的研究表明，市场急需一种具有比z a r 合金更高强度和韧性的 砂模和金属模铸造合金。于是n o r a n d a 研究中心于1 9 7 4 年开始研究并在7 0 年代末期， 8 0 年代初期相继研究成功z a 8 和z a 2 7 两个新牌号的重力铸造合金。虽然在国际上出 现了重力铸造用锌基合金系列，尽管仅有不到十年的历史，然而其研究工作的进展和 推广应用之迅速，令人瞩目。在加拿大、澳大利亚、英国、美国迅速打开市场，随之 日本、前苏联也都紧紧跟上，大力进行研究和应用。相比之下，我国的研究也不晚， 有许多研究院、所、高等院校在这方面作了大量的研究工作，在综合机械性能和使用 性能方面已经达到8 0 年代国际上z n - a 卜c u 系列合金的先进水平。尽管如此，我国和 国外发达地区相比，在推广应用方面差距仍甚大。我国在这方面必须迎头赶上，这不 仅是市场形势的紧迫( 铜、锡紧张，且价格较高) 也是由于机械性能上明显优势一合 金的优良性能所决定的。 我国于2 0 世纪8 0 年代初，对这一新型系列锌基合金开始试验研究且获得较快发 展。目前应用比较成熟的有z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 等系列合金，z a 4 3 的研究工作尚在深入。 其中z a 2 7 合金具有较好的综合性能，主要用途是作为耐磨材料，可代替部分铜合金 和合金铸铁来制造一些耐磨件，如高强度薄壁零件、抗擦伤的耐磨零件，如：轴承、 轴套、蜗轮、气压及液压配件、工业设备及农机具零件等3 。 几种不同牌号高铝锌基合金的化学成分及力学性能见表1 ： 袁1 1 不同牌号高铝锌基舍金的化学成分及力学性能”1 化学成分，力学性艟 台佥辟号饽造方法 a lc u m g “。m p lh b a 。 0o b0 0 1 5 移塑2 4 8 2 7 68 2 一黯l z z a 8 金属垂 2 2 1 2 5 58 s 9 0l 2 8 81 30 0 3 0 压螺3 s s ，3 8 69 9 1 0 73 1 0 砂型2 7 s 3 1 79 0 一1 0 0】3 】o 5o so 0 1 5 z a l 2 金属墨3 i o 3 1 59 0 1 0 0】一3 1 2 51 2 5o 0 3 0 压铸3 9 3 4 l49 s 1 日54 7 砂型0 0 一1 4 11 1 0 1 2 03 6 2 52 0o 0 l 金属型 s 1 0 3 2 t9 0 1 0 08 n 2 a 2 7 2 82 5o 0 2 压博 4 0 7 1 4 】1 1 0 1 2 01 l 连博 1 1 6 利 o1 1 5 1 3 08 1 1 3 0 2 o 0 2 一 盒属璺0 蚰3 9 0 9 0 1 2 06 8 z a 3 s3 4 3 6 3 1 2玑o s 匿幡哇l o 一1 2 09 0 1 2 08 l o 撞，亿隼虞井中采置身辞 由于锌铝合金中台金元素应用较多，他们对锌铝合金的作用各有不同，一些合金 元素对锌合金组织性能的影响如下“： a l ：是以铝基固溶体的形式形成初生枝晶和共晶体，冷却时转变为共析体，少量 铝固溶于锌中。它能够有效地细化晶粒、提高强度。亚共晶合金在含a 1 4 时力学性能 最好。在含a 1 5 一1 2 、2 2 一3 0 范围内，强度和硬度均随含铝量的增加而提高。 c u ：是固溶于铝和锌中，含量提高至一定数量时形成富铜e 相( c u z n 。) 。它能够 提高合金的强度、硬度、耐磨性，但使铸件尺寸不稳定。 m g ：是固溶于z n 中，过量则形成金属间化合物。它能够减轻晶阃腐蚀，提高强 度、硬度，但显著降低塑性、韧性，增大热裂、冷裂倾向。 1 2 提高高铝锌基合金z a 2 7 性能的国内外研究现状 锌铝合金由于具有良好的减摩性和耐磨性等性能引起了许多材料工作者的广泛 2 关注，为了进一步提高锌铝合金在低速重载下的耐磨性及在较高温度下的力学性能， 有的研究是在合金中加入了陶瓷颗粒或纤维等增强物。这虽然改善了性能，却增加了 材料的制造成本。 大量的研究结果表明：在低速轻载及中等载荷条件下，用z a 合金代替锡青铜、 磷青铜和铝铁青铜作为轴承材料，具有较好的技术经济效果。在z a 2 7 合金中加入能 形成硬质点的合金元素，s i 、m n 、r e 、t i 、c o 等，可进一步提高摩擦磨损性能。除加 入合金元素外，改变热处理条件、制备成z a 复合材料等，均能不同程度提高z a 合金 的性能。 1 2 1 加入s i 元素对高铝锌基合金z a 2 7 性能的影响 近年的研究表明，在z n a l 合金中加入适量的s i 不但可以改善z n a 1 合金的耐 磨性，而且z n a 卜s i 合金的尺寸稳定性也大大优于z n a 卜c u 合金。“”；但是，添加 s i 的z n a l 合金的抗拉强度却比z a 2 7 合金低的多，其最大值也仅2 8 6 m p a “1 为了扩 大z n a 卜s l 合金的使用范围，提高z a 2 7 合金的综合性能，广大科研工作者进行了大 量的试验和科学研究。 太原理工大学赵浩峰等同志“”在前人对锌铝硅及铝硅合金的研究基础上，系统研 究了合金元素s i 对z a 2 7 合金组织及性能的影响以及细化、团球化硅相的方法和措簏， 以期进一步开拓锌铝合金的应用范围。其合金成分( u ) 控制在：a 1 2 5 3 0 ， s i 2 5 6 o ，余量为锌。磨损试验是在m l s 一2 3 湿砂轮式磨损试验机上进行、磨轮转 速为2 4 0 r i i 】i n ，所在正压力为7 0 n 。该研究表明，由于硅相的存在使锌铝硅合金在拉 伸力学性能方面低于锌铝合金；但作为硬质点存在于基体组织中的硅相，能明显改善 合金材料在硬度及耐磨性方面的性能，特别是合金在高温性能和高温耐磨性方面的提 高更为突出。锌铝硅台金的高硬度及耐磨性显然与硬质的硅相有关。因为高硬度的硅 相在摩擦中能起到支撑和抵抗磨粒磨损作用。因此，如何使硅相细小、圆整并均匀分 布于基体组织中，成了进一步提高陆能的关键。经过钠处理的含硅合金中四处散射分 布的共晶杆状硅能将球硅牢固的嵌在基体中，硅相不会在磨料作用下损落而形成为新 的磨料。因此，球硅合金的耐磨性更好些。研究结论：和铝硅合金类似，具有一定铝、 硅含量的锌铝硅合金含有初晶硅和共晶硅，在锌铝硅合金中出现初生硅的临界含硅量 与合金中铝的相对含量有关；钠元素可以将锌铝硅合金中块状初生硅变成球团状，钠 处理剂的加入量3 4 w t 时，可使z a 2 7 s i x 中的初生硅球化。钠的球化能力强、速度快， 但作用效果消失也快；球硅锌铝合金具有较高的耐磨性及耐高温性。 3 上海交通大学张玉平等同志“6 1 的研究旨在通过力学性能、耐磨性能和寿命试验探 讨耐磨锌合金在工业阀门。中应用的可能。该试验选用两种锌铝合金成分，标准 z a 2 7 ：2 7 a l 、2 9 6 c u 、o 0 1 5 m g 和z a 2 7 s i ：2 7 a 1 、2 _ j 6 c u 、0 0 1 5 m g 、2 s i ，与常用阀 门材料铝青铜z c u a l l 0 f e 3 、锡青铜z c u s n 6 z n 6 蹦3 和锰黄铜z c u z n 3 8 m n 2 p b 2 进行对比 试验。其研究表明，z a 2 7 s i 组织与z a 2 7 类似，所不同的是出现了多边形硅相。由于 s i 相硬度高，不易磨损，在摩擦磨损过程中，凸起的s i 相起着支撑、骨架作用；而 较软的基体则能储存润滑油，一保持油膜的连续性。因此z a 2 7 s i 比z a 2 7 更耐磨。但是 这些硬质s i 相割裂基体、引起应力集中，s i 使合金的塑性急剧下降，所以应对硅相 进行变质处理。锌铝合金特别是含硅锌铝合金的摩擦磨损性能显著优于三种常用铜合 金z c u s n 6 z n 6 p b 3 、z c u a l l0 f e 3 、z c u z n 3 8 m n 2 p b 2 ，锌铝合金是代替部分铜合金制作各 种滑动耐磨零件的理想材料。 1 2 2 加入m n 元素对高铝锌基合金z a 2 7 性能的影响 太原工业大学赵沛廉的研究表明在z a 2 7 合金中添加少量锰，主要形成富锰的 复杂成分化合物，在结晶过程中被推至枝晶间或晶界处。当锰含量适中时，这些富锰 相主要成点状、球状及花朵状分散于基体中或沿晶界成网状分布，一方面抑制了枝晶 的发展，使组织和网络细化；另一方面阻碍了基体的变形和晶界原子的扩散和移动、 同时还填补了晶间孔洞。这些均能有效提高合金的性能。含锰量低时( 2 0 0 m p a ，1 8 0 时6 。 1 7 0 m p a ，比z a 2 7 合金提高4 0 以上。适宜的加锰量为0 6 - 0 9 ，即不明显影响常温 性能，而且由于硬质点相的增多，还可以改善其耐磨性能。过低效果不明显，过高时， 则由于富锰相聚集长大，反而会降低其室温和高温性能。 江苏理工大学周明等的研究表明“”：m n 具有变质作用，即使加入量较小，组织细 化也很明显，二次枝晶间距减小，共析组织增多；m n 在z n 和a l 中固溶度极小，少量 m n 能产生大量硬化相；m n 的加入对合金的抗拉强度影响不大，但塑性韧性降低较多。 这是由于m n 相割裂基体造成应力集中；m n 能提高合金的高温力学性能，增大其高温 4 下的变形抗力，增大琢予间结合力；加m n 能提高台令的耐磨性，改善摩擦学特性。 韶关冶炼厂苏得煌的研究表明“：在z a 2 7 合金中舔细微量的铁或锰后，明显提 高了合金的高温强度，1 5 0 时的抗拉强度分别为1 9 1 a 和2 2 0 k 分别比z a 2 7 合金提高1 7 1 和3 4 9 ：z a 2 7 合金添加微量的铁或锰后，铁和锰是固溶于基体中，而 不是呈独立相分布；添加微量的铁和锰元素，抑制了。相枝晶发展，并使晶界相细化 和碎化且分布不连续，从而提高合金的高温强度。 胡海明的研究表明。”：在z a 2 7 合金中加入m = o 3 0 一o 7 5 的m n 可以进一步提高 其耐磨性能，改善其摩擦性能。加入的合金元素m n 除部分固溶外，主要生成富锰相 硬质点。图1 1 给出了含u ( m n ) = o 3 0 一o 7 5 的z a 2 7 ( z n a l c u i n ) 含金与普通z a 2 7 合金z q s n 6 6 3 合金的磨损对比情况。 吼耳肿 图t 1 三种合金在不同载荷下的磨损情况 从图中可以看出，z n a l c u m n 合金的耐磨性能优于z q s n 6 6 3 合金的。但随着 加入量的增加，高铝锌基合金的流动性逐渐变差，并有热裂倾向。用四元变质剂处理 并配合适当的工艺措施，可以控制富锰相的形态，改善合金的显微组织，得到机械性 能好、摩擦系数低且稳定性好的高铝锌合金。 1 2 3 加入r e 元素对高铝锌基合金z a 2 7 性能的影响 有研究表明1 ，高铝锌基合金由于锌的熔点及合金的共晶温度低，凝固温度区间 大，实际固相点大致在3 8 0 左右，因而合金的高温强度很低，此外a l z n 系n 相的 固溶度随温度升高变化较大，组织欠稳定，也限制了其耐热性的提高。以z a 2 7 合金 为例，l j o 时其抗拉强度只有1 0 0 1 5 0 a 左右，比青铜低得多，因而实际使用温度 最高不超过1 2 0 1 5 0 。但在实际摩擦磨损过程中，由于润滑不良或局部无润滑的情 5 ee；i，q瓣蒜毒 况下，摩擦副的温升有时高达和以上，尤其在高速运转时聘借油膜难以形成， 摩擦件的温升会更高。在蜂龟机械中，有的摩擦件的温嚣连1 8 u 以上，显然会极大 的恶化z a 2 7 舍金的艇闵性能。 太原理工犬学许春香等同志研究了混合稀一对高铝锌基合金高温力学性能的影 响啪1 ，该合金的基本成分为z a 2 7 合金，即c i ) a 1 2 7 、c u 2 o 、m 9 0 0 2 、余为z n 。稀土 的添加量( u ) 分别为0 、0 1 ，i iz 、0 3 、o 5 、0 7 及0 9 ，用石墨坩埚在电阻炉 内熔化，稀土以a 卜r e 中何等金加入。结果表明：稀土元素在z a 2 7 合金中形成热硬 性离的复杂成分化合4 舡嘲状分布于晶界或枝晶间，细化了组织，有效地阻碍了基体 变形和晶界移动，从而明显地提高了合金的高温性能；添加稀土后，1 5 0 的抗拉强 度可达到2 。0 m p a ，比z a 2 7 合金提高约3 溉，硬度达h b 5 0 ，约提高2 嘛，延伸率虽有 所f 降，但仍明显高于室温时的指标，冲击韧性也有所改善：合适的r e 添加量为 0 ，5 一o 9 r f 的量过低则强化效果不明显，过高时由于化合物聚集会导致性能下降， 尤其会恶化常温时的塑性和韧性。 还有的是通过研究稀土对组织结构的作用，探讨其对高强度锌基合金耐磨性的影 响。 山东省冶金科学研究院的项宏瑶同志在这方面作了一定的工作“，其研究表明高 强度锌基合金是在富铝a 固溶体和n + 且( 富锌固溶体) 的软基体上，分布着铜锌化 合物e 硬质点，n 相是面心立方晶格，b 、e 相为密排六方晶格。磨损时只有沿晶 格基面才能滑动，所以密排六方晶格最耐磨。共析组织为a + b 片层状结构，由于n 和b 晶格类型差异较大，使片层间的剪切强度较低，因而具有一定的易动性和松弛摩 擦应力的作用，所以高强度锌基合金具有较好的减磨效果。加稀土后，在组织细化的 同时，d 和e 相分布更均匀、更分散，( n + b ) 的片层更紧密，这使得作为支撑点所 承受的压力和软基体所承受的横向剪切应力趋于分散，数值变小。因而硬质点不易脱 落，磨损率下降，耐磨性显著提高。尤其当稀土加入到定数量后，组织中形成富稀 土硬质相，其硬度比基体高得多，且几何形状比较规则，从而使合金耐磨性进一步提 高，耐磨性能也得到改善。( n + b ) 片层的细密化，无疑也会使合金的减磨效果更好。 显微硬度的测定结果证明，稀土使合金基体、共析组织和晶界均得到显著强化。这不 仅提高合金的承载能力，而且也使得摩擦磨损过程中，硬质相更加不易脱落，从而有 助于提高合余耐磨性。该研究的结论是：稀土可显著细化高强度锌基合金的显徽组织； 稀土可溶于e 相中，并使沿晶界分布的网状e 相，破碎成细小的颗粒状或团块状，主 要沿晶界和枝晶间均匀分散分布；稀土加入量足够时，组织中形成富稀土化合物硬质 相；稀土可降低高强度锌基合金的摩擦系数，改善润滑性能；稀土可显著强化合金的 6 基体、共析组织舜嘎晶界，改善摩擦磨损过程中合金的表面状态，随着稀土加入量的增 加，合金耐磨性可成倍提高。 - 1 2 4 热处理对高铝锌基合金瓠盟性能的影响 ， 。 西安理工大学非铁合金研究所的吕振林等同志，探讨了不同的热处理工艺对高铝 锌基合金组织和性能的影响，为提高高铝锌基合金的性能，扩大其应用范围，提供了 依据。”。试验研究所用的高铝锌基。备- 金的化学成分为 a 1 3 5 4 0 ，c u o 5 2 3 ，m g o 0 2 0 0 5 ，x 和z n 适量。研究表明，时效处理可较大幅度 提高其塑性与韧性，却导致强度与硬度的降低。而随着时效温度的提高i 其强度与硬 度降低幅度增大、塑性与韧性大幅度提高。这主要由于，铸态组织中a + 、口相均为过 饱和相，且组织为：树枝晶n + 少量共晶体+ 晶界e 相，固溶强化及e 相阻碍晶粒变 形作用，使其铸态强度、硬度最高，塑性、韧性最差。时效处理后，使残存的b 相分 解，a 相发生调幅分解，组织中a + n 相增多且逐步粒状化，接近平衡组织，这就使 合金的强化作用减弱，表现为强度、硬度下降，塑性、韧性提高。高温时效，因发生 了四相反应，使晶界上的e 相基本消失，合金组织趋于均匀，固溶强化效果最小，因 而其强度及硬度最低，塑性及韧性最高。所以，1 ) 通过时效处理可较大幅度提高高 铝锌基合金的塑性与韧性，同时导致强度与硬度的降低，且随着时效温度的提高，这 一趋势更加显著，因此，根据工况条件可选择合适的时效处理工艺，以满足不同工况 条件的要求。2 ) 高铝锌基合金铸态组织为o + a + n + e + b ，时效处理后的组织为n + r i + t 。在时效过程中，发生d + e r i + t 。四相反应，导致相趋于消失。t 相的 出现，使组织趋于均匀，固溶强化效果减弱，是导致性能变化的主要因素。 焦作工学院的王狂飞等同志。”就热处理工艺对z a 2 7 合金组织、力学性能及冲击 韧性的影响进行了研究。研究表明：z a 2 7 合金不同温度时效时，强化峰有随温度升高 而递增的现象；合金淬火试样高冲击韧性与调幅分解有关；时效试样低的冲击韧性是 由于晶界及晶格缺陷处富锌相优先析出；获得较高综合力学性能的最佳工艺为3 6 0 $ 1 4 h 固溶处理后空冷。 1 2 。5s i c p 颗粒对高铝锌基合金z a 2 7 性能的影响 东南大学的陈锋、舒光冀等。”用环一块式磨损试验机研究了同一体积分数 ( 1 0 v 0 1 ) 、5 8 0 帅粒径s i c 颗粒增强z a 2 7 基复合材料的摩擦磨损特性。研究表明， 在滑动磨损初期，对磨环与试样的接触应力极大。在旋转切应力作用下，磨环( 表面 7 有一定的粗糙度) 对较软的z a 2 7 试样产生强烈的“刨削”作用，使试样快速磨损， 产生大量磨屑，并使磨损层组织产生塑性流动。而z a 2 7 合金的塑性流动区域会发生 硬度降低( 软化) ，这将进一步加剧试样的体积损失。在磨损的后半程，磨痕变宽， 接触应力减小，有利于良好润滑条件的形成，因而摩擦系数减小，磨损速率降低。 复合材料磨损时，s i c 暴露在磨面上，承受着旋转对磨环的正应力和切应力，保 护基体不被严重磨损。s i c 的表面经跑合后能与对磨环形成良好的配合，从而实现良 好的边界润滑条件，保证复合材料在磨损的全过程中摩擦系数平稳和相对较低，而耐 磨性很好。 在试验中发现s i c 颗粒尺寸不同时，其增强效果有所差异。在陈锋等的试验条件 下，中等粒度的( 1 0 姗、2 0 岫) s i c 颗粒表现出最佳增强效果。颗粒增强金属基复合 材料的制各成本与颗粒尺寸密切相关。颗粒越细，制各成本越高。而颗粒尺寸大于1 5 m 时，通常可以采用低成本的机械搅拌法进行工业规模制备。试验结果表明，采用 2 0 4 0 啪的s i c 作为增强颗粒，可以保证复合材料在有较高耐磨性的同时还使制备成 本较低。 他们的研究结论是：与z a 2 7 基体合金相比，5 8 0 胁s i c 颗粒增强z a 2 7 基复合材 料的摩擦系数平稳和相对较低，耐磨性提高1 5 倍以上；在体积分数一定时，1 0 m 和 2 0 m 的s i c 颗粒对耐磨性具有最佳增强效果；考虑到制备成本，选用2 0 4 0 m 作为 s i c 增强颗粒的尺寸范围是合适的。 甘肃工业大学的郝远等人。”探讨了不同含量、不同大小s i c p 增强z a 2 7 复合材 料的摩擦磨损特性，并借助s 叫，e d a x 对磨面及其剖面、磨屑进行了分析，研究结果 表明：s i c p 的加入，提高了材料抵抗粘着、变形的能力，从而提高了材料的抗磨、减 磨性能，而且随s i c p 尺寸、含量的增加而提高。复合材料的耐磨性、减磨性与s i c p 含量成线性j 下比关系；随s i c p 尺寸的增大，复合材料的磨损量减少，到2 0 啪时趋于 恒定，摩擦系数先减小后升高，但均小于z a 2 7 合金；随s i c p 尺寸、含量的增加，磨 损机制将从粘着和剧烈切屑分别转向因s i c p 机体界面脱粘而造成的磨料磨损和微切 削磨损，对磨块4 5 。钢的磨损也随之加剧；复合材料的磨屑形态、颜色因材料不同而 有差异，但都由摩擦副的组元相组成，没有氧化物等其它新相；磨面变形破坏层随s i c p 尺寸的增大、含量增加而有所减小，这归咎于s i c p 的加入提高了材料抵抗变形的能 力。 江苏理工大学的严学华等人用铸造法制各了s i c p z a 2 7 复合材料，用删2 0 0 磨 损试验机，测定和对比了基体合金和不同颗粒含量复合材料在不同载重下的磨损量。 其研究结果表明：s i c p z a 2 7 复合材料在轻载条件下，耐磨性与基体材料相比无咀显 g 提高，但在载荷较大的情况下，复合材料的耐磨性远高于z a 2 7 基体材料；复合材料 具有更高的“转变载荷”，可用于载荷较大的场合；载重小于“转变载荷”时，材料 的磨损主要以犁削( 微切削) 为主，载重大于“转变载荷”时，材料的磨损主要以材 料塑性变形引起的裂纹形核、扩展和剥落以及粘着磨损为主。 1 2 6 其它方法对高铝锌基合金z a 2 7 性能的影响 甘肃工业大学的陈体军等研究了机械搅拌对z a 2 7 合金组织的影响，同时给出 了温度与固相率的对应值。结果表明：用液淬法能可靠地测出温度与固相率的对应值； 在机械搅拌下，初生晶为非树枝状晶，由枝晶残体、球状和棒状粒子组成。随着温度 的降低( 搅拌时间的延长) ，固相将由小的等轴晶或玫瑰状组织变为大的球状聚合体， 直到成为分散的球状粒子。固相间存在合并生长；初晶的非树枝状晶化主要是由二次 晶臂颈缩折断而形成，其次是晶臂的合并生长及机械力的晶臂折断和撞击钝化等。机 械搅拌加剧了晶臂颈缩，促进了颈缩折断。 西北工业大学的齐乐华研究。”对比了铸态与挤压铸造z a 2 7 合金的摩擦磨损特性。 与铸态锌合金相比，挤压铸造后，其摩擦系数减小，磨损量减少。由剥层理论。“可知， 磨损试样在高的接触应力作用下，会产生塑性流变，出现位错堆积，继而导致微裂纹， 当其扩展到一定尺寸时，便形成磨屑剥落下来。挤压铸造后，z a 2 7 合金的铸态晶粒得 到细化，使晶界边缘上的软相与硬质点相的分布更为均匀，从而使软基体承受的横向 剪切应力趋于分散，数值变小，硬质点便不易脱落。同时也减小了应力集中程度，使 裂纹钝化，难以继续扩展，减轻材料被剥离破坏的程度，自然使耐磨性提高。挤压铸 造的细晶强化作用使材料具有较大的变形抗力，表现出强度、硬度的明显增高。随挤 压铸造的比压值增大，材料的致密度增加，z a 2 7 合金的耐磨性也随之提高。他的研究 结论是z a 2 7 合金的耐磨性优于黄铜，挤压铸造可进一步改善其耐磨性；挤压铸造使 铸态晶粒细化，硬质点相分布均匀，减小了应力集中程度，使裂纹钝化，从而改善了 锌合金的耐磨性。 1 3 高铝锌基合金z a 2 7 存在的主要问题及其研究发展趋势 如前所述，高铝锌基合金是6 0 年代开始研制开发的新型减磨材料。鉴于其与铜 合金相比，具有重量轻、力学性能好、铸造性能好、且减磨性好、熔炼工艺简单、能 节省能源减轻污染的优点，很快受到各国材料工作者的关注。经过近4 0 年的时间研 究和实践证实：该材料在一定的条件下能替代铜合金、铝合金及铸铁等传统的铸造合 9 金“”。3 “。 高铝锌基合金的诸多优点使其广泛应用于各类机床模具内燃机发动机部件轴承 件起重设备等，其中耐磨件居多，如制造轴承、轴瓦、滑块、齿轮、蜗轮及压下螺母 等。该材料在优点充分显示的同时，其局限之处也逐渐为人们所了解。如汽车发动机 部件要求材料耐磨，导热性好，热膨胀系数适当等，而这些，高铝锌基合金却显不足， 因为z a 2 7 合金的线膨胀系数较大，尺寸稳定性差，在室温或中高温下，材料发生持 续不回复膨胀，这对于应用于过盈配合和速度变化的工况，就产生严重问题。另外， 该材料在高于1 2 0 时，将发生软化，高温力学性能、机械性能急剧下降，丧失使用 性能，这些缺点使其工作温度限制在1 2 0 以下，仅适合低速重载，因此，若有办法 弥补高铝锌基合金的这些不足，必能大大扩展其工程应用的价值。”。 高铝锌基合金的偏析和缩松倾向大、易造成底缩。z a 2 7 合金高温强较低，n 相在 高温下析出固溶物z n 。此外实际使用过程中，人们还发现当载重加大到一定程度时， z a 2 7 合金的耐磨性能急剧下降哪! 。文献经过系统测试后认为，油润滑滑动摩擦条件 下z a 2 7 合金的许用p v 值为5 0 7 如a m s ，在试验过程中也发现边界润滑滑动摩擦条 件下，当p v 值超过6 m p a m s 时，z a 2 7 合金的磨损量急剧上升，试样表面出现严重的 氧化现象。可见，提高重载高p v 值条件下的耐磨性，对进一步扩大z a 2 7 合金的使用 有十分重要的现实意义。 从目前文献的情况看，高铝锌基合金的应用，将主要集中于定期更换的耐磨件及 易损件或其他一些服务期限较短的零件。对于某些特种合金，如无火化、无磁性合金 的应用领域有可能成为z a 合金的潜在发展市场。合金的成型工艺将日臻完善，可用 压力成型并与一定的热处理工艺相结合，使性能大幅度提高。合金的腐蚀和老化的研 究及等温性能的研究将日益深入，而以z a 合金为基的金属复合材料的研究也为z a 合 金的进一步应用开辟了一个新领域。 高铝锌基合金在某些国家已有进行标准化的趋势，西德、日本、美国等已先后进 入了大量的工业化生产。国内铸造工作者近年来就高铝锌基合金的化学成分、性能和 生产工艺及合适的应用范围和应用对象等也进行了许多探讨，并取得了巨大的进展， 但工业性生产应用研究尚需进一步工作，因此，加速高铝锌基合金的研究及应用推广 显得十分重要，同时也具有重大的社会经济效益。 1 0 第二章论文目的 2 1 课题组在前期完成的工作 九十年代初，本课题组开始探索以z a 2 7 为代表的锌基合金的铸造性能及合理熔 炼工艺的研究，在中频感应电炉及焦碳坩埚炉条件下，解决了该合金的合理熔炼工艺 及金属型铸造中铸型壁厚、预热温度及型腔面表面粗糙度对比重偏析、底缩缺陷和冷 裂缺陷的影响，在适当的工艺技术措施下，保证z a 2 7 合金常温6 。4 0 0 m p a 、6 “。 九十年代后期着重研究了以z a 2 7 为代表的常温耐磨特性，并初步完成了元素 的加入对z a 2 7 力学性能影响及对滑动摩擦过程中摩擦特性的研究。同时试验了机械 搅拌法加入s i c p 颗粒对z a 合金相关性能的研究，对外加颗粒与基体合金润湿性、复 合材料的界面特性进行了初步探讨。 2 2 论文目的 延长机器和机构的使用寿命，提高它们工作的可靠性是一项十分重要的技术任 务，且具有重大的经济效益和社会效益。其中一个重要方面就是设法减少磨损“1 。 霍林( h a l l i n gl ) 指出，世界能源约有一半是以不同形式消耗在克服机械零件对偶 表面相互作用的摩擦上。由于摩擦所导致的磨损是机械设备失效的主要原因之一，在 工业发达的国家里，国民经济总产值中约有一半是用于更换因磨损和类似情况而造成 的废品。正因为如此，最近随着生产的发展和科学的迸步，世界上工业技术发达的国 家都在积极地开展摩擦学的研究与应用。 结合本课题组前期工作，通过z a 系列合金中应用最广泛的z a 2 7 合金，针对企业 在工业应用过程中发现的重载中速连续工作时，因温升造成高温耐磨性下降难以满 足工况要求的实际情况，为进一步提高其力学性能和高温耐磨性，结合国内外研究现 状，在z a 2 7 合金基础上，添加s i 、 i n 合金元素来调整合金的组织，通过显微组织分 析和常温机械性能测试，以探索z n a l s i 及z n a l 合金常温及高温滑动摩擦条件下的 摩擦特性。 第三章试验方法及步骤 3 1 试验设备 熔炼设备：1 0 0 k w 中频感应电炉、s g 一5 1 0 型石墨坩埚电阻炉 金相试验设备：普通金相抛光视、j x a _ 8 4 0 a 电子扫描显微镜、n i k o ne p i p h o t 3 0 0 型显微镜、删6 型金相显微镜、电子探针显微分析仪 硬度设备 磨损设备 拉伸设备 其它设备 h b 一3 0 0 0 布氏硬度试验机 m g 一2 0 0 0 型高速高温摩擦磨损试验机、m 2 0 0 型摩擦磨损试验机 w e l o o 液压式万能试验机 机床、磨床、铣床等 3 2 合金基本成分的选择 结合本课题组前期工作，我们针对z a 系列合金中目前应用最广泛的z a 2 7 合金为 基体合金，通过加入合金元素s i 、m n 以求提高其耐磨性。 高铝锌基合金z a 2 7 各成分的质量百分含量为：a 12 8 3 0 、c u2 3 2 5 、m g 0 0 2 0 0 3 、余量为z n 。根据我们课题组的前期工作及前人研究成果，在z a 2 7 台金中 选择加入0 、1 、3 、5 、7 的s i 及加入o 、0 4 、0 8 、1 2 、1 5 的m n ，分别 浇铸成所需要的试块及磨块。 3 3 材料及试样制各 所用炉料为z n o 纯锌( 9 9 9 7 ) 、a 。纯铝( 9 9 9 9 ) 、电解铜、电解锰、初晶硅、 纯m g 。c u 、m n 、s i 分别以a 卜5 0 c u 、a 卜1 0 m n 、a 1 2 0 s i 中间合金的形式加入。 合金在中频感应电炉中熔炼，依次加入z a 2 7 切屑、2 3 锌、铝和中间合金，熔化 后在较低温度下加入m g 以减少烧损量。在8 0 0 一8 5 0 时保温3 5 i n 使各元素均匀化。 加入余下的1 3 z n ，最后加入脱水的z n c l 。进行精炼去渣除气，扒渣后浇注，浇注温 度为5 5 0 一6 0 0 ，浇注图3 1 楔形试块，6 m i n 后打箱，采用水雾冷却以进行固溶强化。 z a 2 7 锌基合金凝固范围较宽( 1 0 9 ) ，固液态密度相差较大，加之合金液表面张 力的作用，z a 2 7 在缓慢冷却时，极易形成底面缩孔( 即反缩) ，对于楔形试样砂型我 们采用铸铁作为底板( 冷铁) 。 滑动磨块和滑动磨环试样金属液在石墨坩埚电阻炉中重熔，熔料为切取抗拉试块 2 后的余料，分别在金属型中浇注成巾5 0 4 0 圆柱体和巾7 0 中4 0 3 0 简体。熔液在浇注 前经过脱水2 n c l 。去气除渣处理，之后加工成图3 3 、图3 5 的磨损试样。 图3 1 楔形试块尺寸图3 2 抗拉试棒尺寸 图3 1 是我们浇铸的楔形试块，试块铸成后，沿划线部分截取加工成图3 2 所示 的试样。各试样分别在万能试验机上测出其抗拉强度和延伸率，测试力学性能后利用 扫描电镜观察断口形貌，及能谱分析。截取断口端部打磨、抛