（材料加工工程专业论文）稀土ce对挤压铸造za27组织和力学性能的影响.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文研究了稀土c e 对挤压铸造z a 2 7 组织和力学性能的影响。在挤压铸造工艺参数 为：比压3 2 0 m p a ，模具温度1 8 0 c 2 2 0 c ，浇注温度6 5 0 c ，开始加压时间3 0 s ，保压 时间4 5 s 条件下，制备稀土c e 含量分别为嘶，0 1 5 ，0 3 0 ，0 4 5 ，0 6 0 的挤压杯 形铸件。试验结果表明，含c e 量为0 1 5 的z & 2 7 挤压铸件的各项力学性能可达到：抗 拉强度o 。4 2 0 肝a ，伸长率8 ；5 5 ，硬度册1 2 4 。稀土c e 能显著提高杯形挤压铸 造z a 2 7 合金的综合力学性能，强度指标和硬度均有明显提高，从而扩大了该合金的应 用范围。 通过变质、净化及微合金化作用，稀土c e 使挤压z a 2 7 合金的组织得到了细化当 稀土c e 含量为0 1 5 时，明显改善z a 2 7 合金的显微组织；当含量大于0 3 0 时，在晶 粒边缘及晶界处生成了不规则的白色光亮的化合物。利用电子探针分析该化合物成分包 含z n 、a 1 、c u 、c e 、l i g 等元素。利用线扫描分析n 相、b 相、共晶体组织及化合物， 发现相、b 相及共晶体组织中只含有少量的c e 元素，而在化合物中却有大量的c e 元素。说明了稀土c e 主要在z a 2 7 合金中生成化合物。 研究热处理工艺对合金组织和力学性能的影响规律。热处理使合金的组织更加均 匀，经过3 2 0 8 h 水淬+ 1 0 0 c 6 h 热处理，可使合金获得良好的综合力学性能。经 过3 2 0 c 8 h 水淬+ 1 5 0 x 6 h 热处理可以显著提高合金的塑性。 关键词：稀土c ，挤压铸造， 力学性能，显微组织，热处理 稀十c e 对挤压铸造z a 2 7 合金组纵和力学性能的影响 t h ei n f l u e n c eo f r a r e e a r t hc eo nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs q u e e z ec a s t i n gz a 2 7a l l o y a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo fr a r e - e a r t hc eo nm i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs q u e e z e c a s t i n gz a 2 7a l l o yw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r z a 2 7c u p - s l m p e ds q u e e z ec a s t i n gw i t hc o n t e n t o f c eo ，o 1 5 ，o 3 0 ，0 a 5 a n do 6 0 w a sp r e p a r e du n d e rt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so f s p e c i f i cp r e s s u r e3 2 0 m p a ，n l o u l dt e m p e r a t u r e18 0 c 2 2 0 c ，p o u r i n gt e m p e r a t u r e6 5 0 c ， p r e s s u r et i m e3 0 sa n dp r e s s u r eh o l d i n gt i m e4 5 s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fc u p - s h a p e dz a 2 7c a s t i n gc a nb ea t t a i n e da sf o l l o w s ：t e n s i l e s t r e n g t h o e 2 4 2 0 m p a ，e l o n g a t i o n6 之5 5 ，h a r d n e s sh 脸_ 1 2 4 r a r e - e a r t hc e c a l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h ec o m b i n a t i o np r o p m i e so fz a 2 7c u p - s h a p e ds q u e e z ec a s t i n ga l l o y ，e g t e n s i l es t r e n g t h a n dh a r d n e s sa 把i n c r e a s e da p p a r e n t l y t h r o u g hd e t e r i o r a t i o n , p u r i f i c a t i o na n dm i c r oa l l o yf u n c t i o n , r a r e - e a r t hc eh a v er e f i n e d m i c r o s t m c t u r eo fs q u e e c a s t i n gz a 2 7a l l o y t h em i c r o s t r u c t u r eh a v eb e e no b v i o u s l y i m p r o v e dw h e nc ec o n t e n ti so 1 5 i r r e g u l a ra n dw h i t ec o m p o u n d sh a v eb e e ng e n e r a t e d a r o u n dc r y s t a lg r a i ne d g ea n dc r y s t a lb o u n o a r yw h e nc ec o n t e n ti sm o r et h e no 3 0 t h e c o m p o u n dc o n t a i n sd e m e n t so f z n ，a i ，c u ，c ea n dm gb yu s i n gt h ee l e c t r o np r o b e d ， 1 3a n de n t e c t i cp h a s e sh a v eb e e nd e t e c t d eb yu s i n gl i n es c a n n i n g f e wc ee l e m e n th a sb e e n f o u n di n s i d et h e s ep h a s e s a n dm a i na m o u n to f r a r ee a r t hc ew a sf o u n dw i t h i nt h ec o m p o u n d i nt h ez a 2 7a l l o y t h ei n f l u e n c eo fh e a tt r e a t m e n to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a s b e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r h e a tt r e a t m e n tc a nu n i f o r mt h es t r u c t u r eo fb a r - s h a p e dz a 2 7 ， a n dt h u sb e t t e rc o m b i n a t i o np r o p e r t i e sa f t e r3 2 0 4 c 8 hw a t e rq u e n c h + 1 0 0 c x 6 ha g i n ga r e o b t a i n e d 3 2 0 ( 2 x s h w a t e r q u e n c h + 1 5 0 。c x 6 h a g i n g m a y i m p r o v e t h e e l o g a t i o n o f a l l o y k e y w o r d s ：r a r e - e a r t hc e ， s q u e e z ec a s t i n g ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， m i c i s n u c t u r e 。h e a tt r e a t m e n t 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：塑互园日期：垫! z ：! 墨：里! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 期：知d 7 0 3 o y 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 锌铝合金的研究现状 1 1 1 锌铝合金的成分特点 z a 合金是在z n - a 1 二元合金的基础上发展起来的多元合金。锌铝合金中的主要组元 除了锌、铝以外，还有铜、镁元素，了解这些组元的相互作用对于锌铝合金的研究、开 发和推广应用具有重要意义 锌是六方晶格金属，无同素异构转变。纯锌的力学性能较低( 0 。= 1 5 0m p a ) ，难以 满足工程构件对性能的要求，因此应用中常加入强化元素。锌基合金中常用的强化元素 有铝、铜和镁【。其中铝是锌铝合金中首要的强化元素，铝可以提高锌合金的流动性， 细化晶粒，改善铸件的机械性能。锌铝合金中，随铝含量增加，强度提高，韧性下降。 铝与锌之间高温时无限互溶，低温下相互形成置换式固溶体，不形成金属间化合物。铝 在锌中固溶度很小，而锌在铝中有很大的固溶度，且随温度变化显著，如共析温度下富 铝相的固溶锌量高达3 嘣，室温下其溶解度变为2 ，这使得这种合金有很强的固溶强化 效果。 铜可溶于富铝相和富锌相中，使合金固溶强化，当铜含量低于1 2 5 时，可提高合 金的抗拉强度和硬度，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，会在合金中形成富铜的化合物相。但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随后过程中铸件尺寸的不稳定。 镁在锌铝合金中的固溶度不大，室温下镁的固溶度仅为0 0 0 5 ，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。m g 的加入增加了液相率，从而增加了晶粒间的距离，减小了晶粒间相互 接触的几率，对晶粒的形状无明显影响埘。加入少量的镁可减缓过冷n ：( 多锌) 相的分解 速度，使合金尺寸稳定。镁元素对锌铝合金a 相的大小和分布无大的影响，当其含量较 高时，在组织中形成m g z n ：化合物，分布于晶界。锌铝合金的镁量很低，一般不宜超过 0 0 2 o 0 3 ，过高的含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 。 锌合金中还不可避免地存在着铅、镉、锡和铁等微量杂质元素，其中铅、镉和锡可 稀土c e 对挤压铸造z a 2 7 合金组织和力学性能的影响 引起锌合金的晶间腐蚀，铁使合金的韧性大大下降。因此，在应用中应严格控制锌合金 中的杂质含量嘲。 1 1 2 锌铝合金的凝固特性 p r e s n y k o v 及a k n a y a k 等人经过较详细的研究，制定出了z n a l 二元合金的最 新相图嗍。 2 等 图1 1 典型的z n - a 1 合金相图 f i g1 1t y p i c a lp h a s ed i a g r a mo f z n - a ia l l o y 由该相图可知，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，共晶反应的温度和成分分别是3 8 0 c 和9 4 z n ，共析反应的温度和成分为2 7 5 和 7 8 z n 。在4 5 5 和7 5 z n 的合金中，发生包晶反应，a 相和q 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： 沈阳工业大学硕士学位论文 初晶转变：l d 包晶转变：l ( 1 4 , a 1 ) + g ( 3 0 a 1 ) ! 塑：啼1 3 ( 2 8 a 1 ) 共晶转变：l ( 5 1 h 1 ) 塑! ! ot i ( 1 1 a 1 ) + b ( 1 7 2 h 1 ) 调幅分解：a ( a 1 ) 坐! 旦哼a 。( a 1 。) + q ：( a 1 2 ) 共析转变：b ( 2 2 a 1 ) 兰! ! ：_ q ( 6 8 4 a 1 ) + q ( 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a 1 初 生a 相，并且由于结晶温度范围很宽，初生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1 3 相。随着温度的进一步降低，液相成分逐渐移向共晶点，从而使剩余之液 相转变转变为沿b 晶界分布的网状共晶体( b + t i ) 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( t i + b + ) 。 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 ：当固相分数占5 0 时，枝晶的上浮受到抑制。这种上 浮不仅会导致严重的偏析，而且使铸件产生“底缩”等缺陷。 在非平衡凝固条件下，富a 1 的a 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的铝量差异较大，包晶转变也不可能进行完全，从而使理论上的 单相1 3 组织变成了( o + 6 ) 的两相组织；再则，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来，在共晶反应发生时得不到补缩，易于产 生缩松和缩孔等缺陷要获得良好的综合性能就必须首先解决这些问题。 在铸造锌铝合金的研究中早已发现，铝与一定比例的锌熔合能明显地改善流动性、 细化铸件晶粒结构并因此提高力学性能。在z n a l 系中，可形成两个固熔体：f i 固熔 体( 几乎是纯锌) 和。固熔体，变化固熔体是以铝为基，溶解锌可达8 5 ( 所以以铝为基 的固熔体可达8 3 z n 而仅有1 7 h 1 ) 。在一定的温度范围和浓度范围，固熔体可分解为两 个同样晶体结构而多锌( q ：) 和少锌( n 。) 的固熔体。与z n a 1 相图相对应，o 固熔体在 2 7 5 发生偏析转变q 一+ 1 3 ，同时锌在铝中的溶解度自2 7 5 c 随温度降低而急剧下 降。因此含5 1 0 a 1 锌合金的组织是亚共析合金1 3 + 共析体( a + b ) 。当快速冷却时， 偏析转变可能不进行。a ：相过冷至室温，该不稳定组织将发生变化( 过冷的n ：相分解) ， 因而导致制品尺寸的变化”。 1 稀土c e 对挤压铸造z a 2 7 合金组织和力学性能的影响 1 1 3 锌铝合金的性能及应用 锌铝合金具有优良的力学性能、耐磨性能、机加工性能，以及密度小、熔点低、原 材料来源丰富和成本低等优点，已成功地用于各种轴瓦、轴套、涡轮、压力机用螺母、 拉伸模具等嗍诸多方面。 ( 1 ) 作为耐磨材料代替青铜。z a 合金最重要的用途之一是作为耐磨材料代替青铜， 国内外都在积极进行研究和推广应用。国际铅锌研究组织把z a l 2 、z a 2 7 与z q s n 6 6 - 3 青铜作了比较试验，低速高负载是前者磨损较后者小，z a l 2 和7 a 2 7 的摩擦系数略低于 z q s n 6 6 3 ，但当转速大于5 0 0 r p m 时，摩擦系数升高，而后者有减小趋势，抗咬合性 低，耐热性较差。因此用锌铝合金可代替青铜作低、中速中温重载轴承( 最大线速度为 7 1 m s ) 。另外，锌铝合金比重小，青铜轴承约为z a l 2 轴承的1 3 5 倍，而且锌铝合金 的价格又较青铜降低5 0 ，成品价格为青铜的2 0 4 0 。例如美国一家采矿公司采用 z a 合金解决了矿井通风机轴承裂纹问题。主风机十字头轴承采用a s t m 9 3 2 青铜制成，通 常工作不到3 3 6 0 h 就出现裂纹而更换轴承。改用z a l 2 后，使用了4 0 0 0 h 进行拆检，检 测结果表明，z a 合金轴承几乎没有磨损，研究报告发表时已连续工作了6 5 0 0 h 仍在正常 使用。 ( 2 ) 代替铝铸件。z a 合金强度、硬度都超过压铸铝合金，且有良好的强度重量比， 流动性好，故适合于生产薄壁件。美国g f 商业公司制造活动办公桌角撑时，用压铸铝 合金没有成功，改用z h 2 7 取得了良好效果。z a 2 7 、z a l 2 都已用于冷室压铸生产。我国 用z a l 3 生产压铸件，经镀铬后，表面光洁度比原用3 号锌压铸合金好，中性盐雾腐蚀 二周后，零件完好，而原铸件有明显腐蚀斑。z a 合金可用于铸造工艺装备，特别用以代 替要求组织致密、耐磨，必须经浸透或阳极氧化处理的铝铸件，优越性更大。 ( 3 ) 代替铸铁件。z a 合金重量与铸铁相当，加工性能比铸铁好，强度虽略低于可锻 铸铁，但耐磨性好，生产成本比可锻铸铁低。美国1 9 7 4 年用z a l 2 代替可锻铸铁生产弯 通管等各种成套线路夹具。法姆科公司曾在精密冲压机上用z a l 2 凸轮顶杆臂代替球铁 件。 ( 4 ) 作为模具材料。由于z a 合金具有较高的强度和硬度，且加工性能好，可用于制 作模具嘲。我国曾用z a 2 7 合金采用陶瓷型铸造硫化橡胶模和制作橡胶波纹管形成模具， 取得了良好的效果o “。z a 合金模具材料具有良好的综合性能，在制模周期、成本价格、 沈阳工业_ 夫学硕士学位论文 模具性能以及制作工艺和环境保护等方面都具有一定的优势。与同类钢模相比，制模周 期和成本价格都要减少3 0 4 0 ，是一种快速、经济的制模材料“。刘红军等人“2 “” 使用锌基合金作为模具材料，采用快速成型制造技术，成功地制造了汽车塑料灯罩的模 具 到目前为此，锌铝合金已成功用于挖土机抓斗滑轮，中小轧钢机轴瓦，水炉烘干机 轴瓦，制砖机轴瓦，纺织机械轴瓦，测量器蜗轮，汽车外壳压型模具，轧钢机万向联轴 节滑块以及冲载模具，拉延成型模具等。随着锌铝合金的潜在市场逐渐被开发，锌铝合 金的应用前景将十分广阔“ 1 1 4 锌铝合金性能的改进及发展趋势 高铝锌合金也有塑韧性差，尺寸稳定性低，工作温度低，抗蠕变能力差，耐蚀性差 等缺点“”。多年来，人们为克服这些缺点以便扩大其应用范围进行了不懈的努力。 ( 1 ) 消除底缩缺陷的研究。若采用一般的铸造方法铸造中大型高铝锌合金，在铸件 底部常会出现缩孔或缩松，即底缩缺陷“”。它产生的根源在于，高铝锌合金具有典型的 糊状凝固特性和密度小于母合金液的初生富铝相。该相在凝固初期向上漂浮，导致高度 上的成分出现差异并按由上至下的凝固顺序凝固。目前虽还没有彻底消除底缩缺陷的有 效办法，但采取如下措施可不同程度地减轻底缩缺陷：用锆英砂制作铸型。罐砂的 导热性较好，可以快速冷却铸件旧；对于z a 8 和z a l 2 合金，增大冒口高度，或使用 保温冒口这样可提高铸件的补缩能力“”：调整浇注系统的结构和参数。例如，使截 面比f t ：f - ：f = l ：5 ：3 ，有利于液体金属充满型腔，并可改善铸件的温度分布 “”；降低浇注温度，或使用冷铁增大温度梯度，强制底部优先冷却，缩短凝固时间， 抑制初生富铝相向上漂浮“”；加入元素周期表中第1a 族元素k 、l i 、c s 或第1 i a 族元素b a 、c a 、b e 、s r ( 加入量w = 0 0 2 0 1 ) 。但由于ia 族元素金属价格较高，实 际生产时不常采用该措施。另外，加入第1a 族元素，会改变高铝锌合金的颜色，l i 、 n a 、k 和c s 会与水蒸气反应生成气体，从而在铸件表面形成气孔。第a 族元素中，b e 有毒，不易操作：而s r 和c a 便宜，且其加入量容易控制，所以常用s r 和c a 来消除底 缩缺陷n m 。 ( 2 ) 提高塑韧性的研究。在承受较大冲击载荷的应用领域，均要求材料具有较高的 塑韧性，但高铝锌合金的塑韧性低( 尤其是铸态) ，因此提高高铝锌合金的塑韧性，就成 稀土c e 对挤压铸造z a 2 7 合金组织和力学性能的影响 为进一步扩大其应用领域的关键。用稀土、硼、钛进行变质处理或复合变质处理均有细 化晶粒和提高塑韧性的作用，但由于人们对变质机理的认识尚不充分，因此变质效果的 可控性较差，而且不同研究者得出的结论也大相径庭。有不少试验结果表明，用稀土、 硼盐、钛盐或中间合金进行变质处理，可以细化晶粒，但并不能使合金的塑韧性得到显 著提高“”1 ：而另外一些试验结果却显示变质处理对提高塑韧性有显著作用，尤其是硼盐 和硼钛复合盐变质可使铸态高铝锌合金的延伸率接近3 0 2 。1 。通过调整合金成分，进 行微合金化，也可以大幅度提高铸态锌基合金的塑性和韧性。 ( 3 ) 提高耐磨性的研究。高铝锌合金各相软硬程度不同，具有“软基体上分布硬质 点”的组织特点，是优良的减摩耐磨材料。目前对提高z a 2 7 合金耐磨性的研究主要有 以下两个方面：合金化在z a 2 7 合金中加入能形成硬质点的合金元素，如s i 、r e 、t i 、 c o 等，可以迸一步提高其耐磨性能，改善其摩擦性能4 。加入w = o 3 慨o 7 5 的 也能得到良好的效果；复合材料研究锌铝合金基复合材料的制各方法主要有机械搅拌 法、机械搅拌加压力成形法、压力浸渗法和超声波法等伽。合金基体以z a 8 、z a l 2 、z a 2 2 、 z a 2 7 合金为主，常用的减摩型增强体为石墨晶须( c f ) 、碳化硅颗粒( s i c p ) 和石墨颗粒 ( g r p ) 嘲。 ( 4 ) 提高耐蚀性的研究。在许多应用场合下，高铝锌合金的耐蚀性能同其力学性能 和铸造性能一样重要，因为晶间腐蚀导致的老化失效使z a 2 7 合金的应用受到极大限制。 在z a 2 7 合金中加入适量的合金元素c u 、m g 和c e ( w ( c u ) = o 1 5 2 0 ，w ( m g ) = o 0 1 5 ，w ( c e ) = 傩o 3 傩) ，可有效地提高z a 合金的抗晶间腐蚀能力，抑制老化现象。 这是因为，在z a 2 7 合金中加入元素c e 能细化晶粒，缩小二次枝晶臂间距，使稀土化合 物析出在晶界上，改变相间电极电位。 ( 5 ) 提高尺寸稳定性、高温性能和抗蠕变性能的研究。锌铝合金在自然状态下或人 工时效过程中尺寸会缓慢变化，而向z a 2 7 合金中加入s b 可以大大提高z a 2 7 合金的尺 寸稳定性。随着温度的升高，锌铝合金的抗拉强度和硬度急剧下降，延伸率提高：超过 1 5 0 后，无论哪种锌铝合金其抗拉强度都相差不大，约为1 3 0 1 5 0 m p a ，低于铝合金和 铜合金的。这严重限制了锌铝合金在高温环境中的应用。研究发现，增强颗粒( s i c 或 a 1 ：0 3 颗粒) 的加入大大提高了锌铝合金的高温蠕变抗力，其蠕变速率明显降低，蠕变激 活能大大提高汹1 。喷雾沉积与合金化相结合是改善z a 2 7 合金高温性能的有效途径，另 沈阳：亡业大学硕十学位论文 外喷雾沉积还可以提高锌铝合金的尺寸稳定性“”。 1 2 挤压铸造的研究现状 1 2 1 挤压铸造的特点 挤压铸造是借助压力机压头的机械压力，把定量浇入金属型腔中的金属液( 或呈半 固态) 挤压成形，使其在机械压力作用下结晶和塑性成形，从而获得优质铸件的一种先 进铸造工艺d 町。它融压力铸造与模锻为一体，与压力铸造相比液态合金在高压力作用下 凝固，这也是挤压铸造最主要的特征；与固态模锻相比，挤压铸造能明显降低塑性变形 抗力，减少工艺流程，缩短加工周期，同时又节能节材，降低成本；与半固态铸造相比， 液态合金直接挤压铸造成形更经济实用。挤压铸造可以使铸件得到压力下凝固和塑性变 形形变双重强化，尤其对于铸造性能差的合金和特殊性能要求的零部件。还可获得轮廓 清晰、表明光洁、尺寸精确、组织致密、晶粒细小和机械性能优良的产品，因此采用挤 压铸造成形技术更具有现实意义 挤压铸造工艺是一种借鉴压力铸造和模锻工艺而发展起来的新型金属加工工艺。它包 含了压力铸造和模锻的若干特点，并且有自己的特点，主要特点有“”1 ： ( 1 ) 挤压铸造工艺有其简便性、经济性和高效性，与其他铸造方法相比，金属液的利用 率很高，可达9 硼，可制造近净形化高质量零件。 ：一 ( 2 ) 力学性能显著提高。与传统铸造合金相比，屈服强度提高1 0 1 5 ；延长率以及疲 劳强度提高5 嗍1 5 0 9 6 ；力学性能与变形合金接近。 ( 3 ) 挤压铸造使金属液缓慢充型并高压下的凝固，可以全部或部分消除铸件内部的气 孔、缩孔和缩松缺陷，使铸件密度大大提高。 ( 4 ) 挤压铸造获得的铸件可以进行热处理。 ( 5 ) 在机械压力作用下使液态金属与铸型型壁之间的接触紧密，这不仅使挤压铸件有较 低的表面粗造度和较高的尺寸精度，而且更为重要的是大大改善了凝固过程中的传热条件， 使冷却速度增大，晶核数目大大增加，微观组织显著细化。 ( 6 ) 挤压铸造过程中，铸件的各个部位通常处于压应力状态，这特点除了有利于补缩 外，还可防止铸造裂纹( 如热裂) 的产生。 ( 7 ) 挤压铸造一般是在挤压机上进行，故而便于实现生产的机械化和自动化，因此生产 率高。 一7 稀土c e 对挤压铸造z a 2 7 合金组织和力学性能的影响 ( 8 ) 挤压铸造不大适合于薄壁复杂铸件的生产。 1 2 2 挤压铸造的分类 挤压铸造的分类方法很多删。按所浇注金属的状态分为：液态金属挤压铸造，半固态 金属挤压铸造和复合材料挤压铸造三大类；按所施加压力的大小分为：低压力挤压铸造( 压 力小于i o m p a ) ，中等压力挤压铸造( 压力在1 伽p a 1 0 0 m p a ) ，和高压力挤压铸造( 压力大于 1 舭) 按液态金属在铸型中的充型特点和凝固时所受压力的状态分为柱塞式挤压( 合型 挤压时液态金属不发生充型运动) ；冲头式挤压( 合型挤压时液态金属发生充型运动) ；特殊 挤压三种类型。按冲头对合金液施加压力的方向可分为水平挤压铸造和垂直挤压铸造。垂 直挤压铸造又可分为两种：直接的挤压铸造和间接的挤压铸造嘲。 图1 2 水平挤压铸造 f 崦1 2 l e v e ls q u e e c a s t i n g 鋈 a ) 直接垂直挤压铸造b ) 间接垂直挤压铸造 图1 3 垂直挤压铸造 f i g1 3 v e r t i c a ls q u z cc a s t i n g 沈阳c 业大学硕士学位论文 1 2 3 挤压铸造的工艺参数 液态金属浇入型腔后，在加压开始之前的一段时间里( 开始加压时间) ，液态金属在 与凹模型壁和芯的接触面上，会生成一层凝固层。液态金属浇注量越少、合金铸型导热性 越好、浇注温度和铸型温度越低、开始加压时间越长，则最初的凝固层越厚，这对随后的 挤压成形乃至最终的铸件质量都将产生重要的影响。随着压力下凝固过程的进行，铸件 凝固层厚度与强度不断增加，其内部包含的合金液不断减少：当厚度和强度增至一定数值 后，压头被铸件侧面的一凝固层所支撑，从而无法通过合金液将压力从侧向传递到已凝固 层上。这样铸件侧面的已凝固层则因只受到纵向压缩力的作用而弯曲。 根据上述过程，可将挤压铸造的主要工艺参数归纳为： ( 1 ) 比压( 瞄。比压是指接触面上的平均压力。比压是挤压铸造工艺的关键参数。与 普通铸造相比，由于液态金属在压力下结晶凝固，减少了表面凝固层与型腔壁之间的间隙， 使热传导和冷却速度加快，增加了凝固前沿液相的过冷度，快速凝固使晶粒细化。不同挤 压压力对组织性能的影响不同。挤压压力太低时，压力只能作用在凝固金属的表面，无法 传递到液体内部，致使液态金属在封闭的壳内凝固，补缩效果不好，仍存在疏松和缩孔， 力学性能提高效果不明显。提高压力可改善内部组织，但是挤压压力过大时，模具的使用 寿命将降低。比压与铸件的机械性能存在直接的关系，只有在足够的比压作用下才能保证 铸件最后凝固部位得到充分有效的压缩力，获得组织致密的铸件。较高的比压还有助于减 小或消除铸型界面的气隙，改善散热条件，提高凝固速度，细化组织，进而提高性能。对 于每一种铸件都有一个临界压力，低于i 临界压力，就无法获得优质铸件。比压值的选择还 存在一个经济效益问题，要根据铸件使用性能的要求，选择一个合适的比压值。 ( 2 ) 铸型预热温度与铸型工作温度( t 。) 。铸型预热温度和铸型工作温度对挤压过程 最直接的影响是加压前自由凝固层的厚度，其次是铸件的凝固时间。一般而言， 铸型预热 后可除去模具内腔吸附的水分和气体，并使脱模剂覆盖于型壁上，同时调节溶液的凝固速 度1 。铸型预热温度低时，溶液和铸型接触的部分很快凝固，在压头压下时外层硬壳会承 担大部分的压力，挤压铸造完成后试样心部仍有缩松、气孔等缺陷存在。铸型预热温度过 高会使试样凝固后晶粒较粗大，并且在挤压过程中溶液易飞溅。一般在实际生产过程中， 铸型工作温度与铸型预热温度之间有：t o 。= t o + 5 0 的关系“。 稀土c e 对挤压铸造z a 2 7 合金组织和力学性能的影响 ( 3 ) 浇注温度( t p ) 。浇注温度直接影响着挤压开始时自由凝固层的厚度和挤压凝固过 程中液态金属总热量的散失，进而还影响着凝固时闻，凝固速度和铸件补缩等问题h 2 1 。挤 压铸造主要靠压力低速充型，对液态金属的流动性要求不高，因而可进行低温浇注。采用 低温浇注可减少铸件收缩而产生的缺陷，提高铸型寿命，细化晶粒组织，减少金属液含气 量。一般认为，低温浇注有利于提高温度梯度，减小固液两相区宽度。但浇注温度过低， 将增加自由凝固的结晶硬壳厚度，妨碍冲头实施冲压。在其他条件相同的前提下，如果浇 注温度过高，则溶液与模具问热差大，热传输量大，使溶液凝固速度变慢，因而凝固后试 件晶粒较粗大，且挤压时易引起合金液的飞溅。另外，浇铸温度太高，浪费能源，增加模 具损耗，并可能使液态金属吸气氧化严重，直接影响铸件质量。若浇注温度过低，则可能 由于己凝固层过厚，则在挤压时，压力主要由硬壳承担，试样中心部位补缩不足，易形成 缩松。由此可见，选择合适的浇注温度是实施挤压过程的重要前提。 ( 4 ) 开始加压时间( t 口) 。开始加压时间是指合金液浇入型腔至开始加压的时间间隔。 根据研究，在合金液处于开始出现少量固相时，亦即在合金液处于零流动时才开始加压， 可获得最佳的效果。在合金液冷却到液相线温度以下才开始加压。可最大限度地减薄金属 自由结壳的厚度。开始加压时间过长，会致使金属自由结壳厚度增大，增加金属变形抗压 能力，降低加压效果。 ( 5 ) 加压速度( r ) 。加压速度指冲头接触合金液后的运动速度。速度过高会引起合金 液飞溅，产生爆缝，同时会使液态金属形成旋涡而吸入气体。相反，加压速度过低，因自 由结壳太厚，使加压效果不好。 ( 6 ) 保压时间( - 0 。保压时间是指开始加压到金属完全凝固的时间。保压时间主要取 决于铸件的壁厚和形状复杂程度。它对铸件凝固组织的形成和补缩特性产生重要的影响， 是一项重要的工艺参数。保压时间过短，则铸件中心部分凝固时难以得到良好的补缩，可 能产生缩孔、缩松等缺陷，保压时间过长，虽可提高铸件的密度，但对铸件的机械性能提 高不大，却使铸件出型困难，影响模具的使用寿命，降低劳动生产率。 ( 7 ) 高厚比( h d ) 。高厚比( 或高厚比) ，指铸件高度与其直径( 或厚度) 之比值。高径比 与有效压力p 。有密切关系。高厚比过高，贝q 可能导致施加于铸件上的有效压力过低，导致 挤压效果不佳。因此，在确定挤压力时，必须考虑到铸件的高厚比。 沈刚i ：业大学硕士学位论文 刃= 警印 ( 1 1 ) 日 a g ( t ，d = a g ( t ，p = 1 ) + ( 1 2 ) , a v d p 罢= 器a g 霸 阻 卯睁肥h p 叫 一 a l l = ( h i h s ) = 埘 o ( l m 为结晶潜热) ，对于凝固时体收缩的合金，则有哆么 o ， 稀士c e 对挤压铸造z a 2 7 合金组织和力学性能的影响 增加压力使合金凝固点升高。对于凝固时体膨胀的合金增加压力使凝固点降低，由( 1 2 ) 式的等温压缩，即仅考虑压力对体积改变的影响，对于凝固时体收缩的合金，压力使体 积减小，有利于自由能降低并使合金逐渐凝固，过渡到固态；反之，对于凝固时体膨胀 的合金，由于加压，不利于凝固，而延缓了从液态向固态合金的转变。 1 2 5 机械压力作用下合金凝固的力学过程 通常当合金液浇入型腔，接着合模后，由于上模表面的激冷作用，同样使得冲头端面 附近的合金液也很快形成一硬层，此时合金液被封闭硬层所包围，为了便于研究，简化成 两种力学模型，并假设硬层厚度及其性能均匀分布，硬层各处温度一致。 第一种模型，在合金液凝固过程中，结晶凝固是以完全的硬壳方式进行，没有明显 的固液区存在，如图1 。4 所示，最外层是硬壳区，包围着液相区，结晶凝固前沿直接与 合金液相接触。 第二种模型，在合金液凝固过程中，存在明显的固液区，如图1 5 所示，最外层 1 是硬壳区，接着2 是固液区，中心3 是液相区。固液区又可划分为液一固分区和 固一液分区。液一固分区，靠近液相区，其特点为液态金属存在可以游离的固相区：固 一液分区，靠近硬壳层，起特点为周相区相互凝结，残存的合金液被固相团所分割。 图1 4 第一种模型 f i g1 4f i r s tp a h c m 图1 5 第二种模型 f i g1 5s e c o n dp a t ：e r n 1 2 6 机械压力作用下合金凝固的动态凝固过程 动态凝固过程是指熔体受到某种物理性干扰，使正在长大的树枝状晶熔断，脱离和游 弋于熔体中的现象。在机械压力作用下金属和合金的动态凝固过程包括： ( 1 ) 浇注( 上注) 时机械冲刷； 一t 2 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 合金液内由于密度差引起的自然对流； ( 3 ) 异形冲头压制下反向的合金液流动： ( 4 ) 硬壳层塑性变形时的补缩性枝晶问金属塑性流动： ( 5 ) 选择结晶产生的低熔点物质的流动：这些流动阻止了树枝状晶体的粗化，细 化了枝晶组织。 因此机械压力作用下合金液的凝固很多都属于动态成核：可能由于浇注的动量所激励， 使液态金属发生流动，对凝固前沿进行机械冲刷，使未结牢的晶块重新溶解，崩离并卷入 合金液内，成为结晶核心。合模后，液态金属在流动中成形，这种流动方向，在异形冲头 加压下，一般取与施压方向相反的方向，在狭窄的通道里，凝固前沿发生强烈的冲刷作用， 使未结牢的晶粒大批大批地脱离凝固前沿，进入液态金属中，成为结晶核心。施压后，已 凝固的外壳层产生塑性变形，发生强烈的补缩金属流动，同样造成凝固前沿晶体破碎，生 成新的核心删。 1 2 7 压力对凝固与结晶过程的影响 基于对前人的实验研究工作可以肯定，与常压下相比，合金在较高压力下凝固会表 现出一系列不同之处，可能出现的变化主要是： ( 1 ) 压力对合金状态图中的特征点有影响； ( 2 ) 压力增大使结晶过程中材料己凝固部分的密度提高； ( 3 ) 压力对形核过程产生影响； ( 4 ) 压力对过冷度产生影响； ( 5 ) 压力对晶核生长过程产生影响； ( 6 ) 压力对凝固过程中的溶质再分配产生影响： ( 7 ) 压力对合金液中气体固溶与析出过程产生影响； ( 8 ) 压力对凝固过程中的补缩产生重要影响。 由此可见，压力对金属或合金凝固过程的各个环节都产生重要的影响，这些影响的 结果是使材料的组织和性能发生变化。 稀土c e 对挤乐铸造z a 2 7 合金组织和力学性能的影响 1 3 挤压铸造z a 2 7 合金的组织与性能 由于z & 2 7 合金具有结晶温度范围宽等凝固特点，在通常铸造条件下易出现缩松、偏析 等缺陷，严重影响了其力学性能m 】。挤压铸造具有减少或消除缩孔、缩松缺陷，减轻偏析， 细化和改善组织等优点，目前在铝合金、铜合金等方面已有大量研究并得到较好应用【4 刀。 ( 1 ) 液态挤压下z & 2 7 合金的各项性能指标较重力铸造均有很大程度的提高。抗拉强度 提高1 6 3 2 3 4 ；塑性指标延伸率提高1 5 4 5 倍、断面收缩率提高5 2 8 4 倍，硬 度指标提高1 z 铂；韧性指标因所取试样不同，难以定量比较，但其提高幅度亦在数倍 之上。按常规方法，塑性指标的提高往往伴随强度指标的降低，但液态挤压后，在制件塑 性和韧性指标时，其强度指标也有相当程度的提高，其强韧化效果明显。液态挤压之所以 能对材料强韧化，关键在于其不仅包含常规压力加工的塑性变形，在变形中破碎铸态晶粒， 而且还充分利用了凝固过程中压力下结晶的强化方式，从而使材料获得双重强韧化效果， 导致圃溶强化和细晶粒强化等强化机制的综合作用，这是液态挤压的独特之处| 闱。 ( 2 ) z & 2 7 合金在挤压力作用下凝固，引起组织发生一系列变化。合金致密度提高， 缩松等铸造缺陷减少甚至消除。挤压铸造使z a 2 7 合金的密度显著提高。当挤压力为2 5 m p a 时，合金密度达5 2 4 9 c m 3 ，超过此压力，密度基本不变。合金密度的提高意味着孔隙率降 低，组织更加致密。z & 2 7 合金的共晶凝固在发达的n 枝晶间进行，在大气压下铸造其补缩 特性差，易形成缩松，反映在合金密度上仅为4 9 6 9 c m 3 。而在压力下凝固，使合金液强制 流动，且凝固特性和枝晶形态也发生变化，从而改善了补缩条件，促进整体补缩和晶间补 缩，减少甚至消除缩松等铸造缺陷m 】。显微组织细化，形态得到改善。显著细化初生n 枝晶并改善其形态是挤压铸造的重要特征之一。随挤压力增加，a 枝晶的二次枝晶间距明 显减小，枝晶的一次枝晶和二次枝晶长度也随之减小，使初生n 枝晶由典型的树枝晶变 为细小的花朵状晶体，组织中有破碎晶粒出现。高型温下组织较低型温粗大些，但与大气 压下铸造的组织相比，晶粒仍细化且为花朵状等轴晶。大气压下铸造，共晶组织粗大呈连 续或断续网状，e 相呈棒状或块状分布在晶界上。挤压铸造下，共晶体呈片状，更加细密； e 相细小，呈点状弥散分布于枝晶问1 4 s 】。在低铸型温度下挤压，抑制了b 相的共折转变 和n 相的脱溶分解。可以发现在低型温挤压铸造的合会组织中，a 和6 界限分明，b 相 包围着n 枝晶：而在高型温下。和0 已发生分解。同样在大气压下凝固的组织中，a 和 b 也发生分解，二者很难区分。固态相变过程能否进行主要取决于冷却条件。与大气压下 1 4 沈阳工业大学硕+ 学位论文 铸造相比，挤压铸造显著提高合金的冷却速度。在其它工艺参数相同的情况下，低铸型温 度下挤压铸造的冷却速度又明显高于高铸型温度下挤压铸造。因而，低型温下b 相的共析 转变和a 相的脱溶分解不能或只有少量地进行，使n 和8 以过饱和的亚稳相保留下来， 形成界限分明的组织结构。高型温下a 和b 虽然已发生分解，但仍然可以看到p 转变产 物和q 分解产物组织结构的区别 4 9 1 。改变了各元素的分布，减轻了枝晶偏析。与大气压 下铸造相比，挤压铸造使z n 和 1 的偏析比减小，晶间共晶体a l 含量增加，富a l 的a 枝 晶主干上z n 含量增多，枝晶问共晶体中c u 含量增加由于压力下凝固使晶粒细化，。改善 枝晶形态，使z n - a 1 共晶点向高铝方向移动，加上凝固前沿液相中z n 的扩散受到阻碍，从 而减轻了合金的微观偏析。与低型温挤压铸造相比，高型温挤压铸造使元素的偏析比减小， 微观偏析更加减轻，这是由于溶质元素扩散时间增长和n 和1 3 相分解的结果。此外，晶 间共晶体中c u 含量的增加，说明三元共晶( 1 3 + i l + c ) 更容易形成i 姗。 1 4 稀土在z a 2 7 合金中的应用状况 稀土元素在锌基合金中具有很多积极作用，主要表现在三个方面洲： ( 1 ) 变质作用。加入适量稀土元素，能够减小锌基合金枝晶问距，消除网状结构，一细 化晶粒。( 2 ) 净化作用。由于稀土元素化学性质比较活泼，能与氧、氮、氢等杂质分别形 成比重轻、熔点高的化合物，通常这些化合物容易和熔渣一起从液态金属中排除出去“铅) 微合金化作用。稀土元素与锌铝合金中的a 1 及其他合金能发生微合金化作用。因此，z a 2 7 合金中加入适量稀土元素，可以提高合金在常温和高温下的机械性能和物理性能。 1 4 1 稀土对7 a 2 7 合金组织的影响 天津大学彭日升等人【5 2 1 在z a 2 7 合金中加入镧、铈等混合稀土，研究表明适量稀土可细 化合金组织，当稀土加入量为0 0 6 时，效果最好，晶粒尺寸5 6i im 细化到3 6l li l l ，晶枝臂 问距从4 0 1 1 m 减小到2 6 | i m ，此外，稀土变质使晶界上的e 化