（材料加工工程专业论文）固液混合铸造za60合金显微组织及其性能的研究.pdf

固液混合铸造z a 6 0 合金显微组织及其性能的研究 摘要 本文采用固液混合铸造技术制备了z a 6 0 合金锭坯，研究了合金熔体过热度、 粉末加入量和粉末粒度对z a 6 0 合金显微组织的影响，优化了固液混合铸造z a 6 0 合金的工艺参数；同时，对z a 6 0 合金金属型铸造、半固态铸造和固液混合铸造三 种铸造工艺下的合金的显微组织的变化规律进行了探讨；利用t c l 金相分析软件 对合金在不同的工艺条件下材料的平均晶粒度进行了测量，同时也利用软件对初 生a 相的体积分数进行了测量，对z a 6 0 合金的物相进行了分析，最后对z a 6 0 合 金的硬度、室温拉伸性能和高温拉伸性能进行了研究。通过研究得出了以下结论： 1 z a 6 0 金属型铸造的晶粒比较粗大，半固态铸造显微组织相对金属型铸造组 织有一定程度的球化和细化，z a 6 0 合金固液混合铸造合金组织相对其他两种工艺 组织球化和细化程度是最好的，且组织比较均匀。在z a 6 0 合金固液混合铸造过程 中，分别研究了合金熔体过热度、粉末粒度和粉末加入量对合金显微组织的影响， 考虑合金组织的细化和均匀性及宏观压铸质量，当合金熔体过热度为4 0 、粉末 粒度为一2 0 0 + 4 0 0 目及粉末加入量为4 0 的条件下，z a 6 0 合金显微组织得到较 好的细化和球化。 2 z a 6 0 合金凝固过程中主要生成相有a ( 富a 1 ) 相、d ( a l 基固溶体) 相、t 1 ( 富z n ) 相和( 金属间化合物) 相。z a 6 0 合金金属型铸造、半固态铸造，固液 混合铸造三种制备工艺中形成相的种类是完全一样，但是数量不同，金属型铸造 初生a 相数量最少，固液混合铸造最多。在z a 6 0 合金固液混合铸造过程中，不同 的参数时初生q 相数量也有很大不同，合金熔体过热度越高，初生相越少；粉末 加入量越多，初生a 相数量越多；粉末越细，初生a 相越多。初生a 相数量不同 主要跟合金凝固过程中的冷却速度有关，也与粉末加入增加了非均匀形核有一定 关系。 3 z a 6 0 合金的室温抗拉强度固液混合铸造最高( 4 1 5 m p a ) ，半固态铸造居中 ( 3 6 0 m p a ) ，金属型铸造最低( 2 8 5 m p a ) ，延伸率固液混合铸造最高( 6 0 ) ，半固态 居中( 3 5 ) ，金属型最低( 1 2 ) 。z a 6 0 合金断裂属于脆性断裂，金属型铸造断口 具有明显的解理断裂特征，半固态铸造和固液混合铸造断口上有解理台阶同时， 也有少许撕裂棱，具有准解理断裂的特征。 4 z a 6 0 合金固液混合铸造和半固态铸造的高温强度普遍低于金属型铸造的强 度。在应变速率不变( 6 6 7 x 1 0 弓s d ) 的情况下，随着温度的升高，高温强度呈现下降的 趋势，在温度不变( 2 0 0 ) 的情况下，高温抗拉强度随着应变速率的增大而增大。 z a 6 0 合金高温拉伸断口分析，金属型铸造断裂方式属于沿晶断裂，半固态铸造断 硕士学位论文 裂方式属于准解理断裂，固液混合铸造在不同的参数条件下，都表现出了解理断 裂的特征，三种铸造工艺下材料的高温断裂都属于脆性断裂。 关键词：z a 6 0 合金；固液混合铸造；显微组织；力学性能；断口分析 i i i a b s t r a c t t h ez a 6 0i n g o t sw e r ef a b r i c a t e db ys o l i d l i q u i dm i x e dc a s t i n gt e c h n o l og y , t h e m i c r o s t r c t u r e so fz a 6 0a l l o y sw e r er e s e a r c h e di nd i f f e r e n tf u s a n td e g r e eo fs u p e r h e a t 、 p o w d e ra d d i t i o na n dp o w d e rp a r t i c l es i z e ，a n d t h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so f s o l i d 1 i q u i dm i x e dc a s t i n go fz a 6 0a l l o y s w e r eo p t i m i z e d a tt h es a m et i m e ，t h e m i c r o s t r c t u r e se v o l u t i o nr e g u l a r i t yo fz a 6 0a l l o y sw a sd i s c u s s e di nm e t a lc a s t i n g 、 s e m i s o l i dc a s t i n ga n ds o l i d - l i q u i dm i x e dc a s t i n g ；t h ea v e r a g eg r a ms i z e a n dt h e v o l u m ef r a c t i o no fp r i m a r yap h a s ew e r em e a s u r e db yu s i n gt c lm e t a l l o g r a p h i c a l a n a l y s i ss o f t w a r e t h ep h a s e so fz a 6 0a l l o y sw e r ea n a l y z e d t h eh a r d n e s s 、r o o m t e m p e r a t u r et e n s i l e s t r e n g t ha n dh i g ht e m p e r a t u r e t e n s i l e - s t r e n g t ho fz a 6 0a l l o y sw e r e s t u d i e di nt h el a s t t h r o u g ht h e s es t u d i e s ，r e s u l t sw e r ec o n c l u d e da sb e l o w ： 1 t h eg r a i ns i z eo fz a 6 0a l l o y si nm e t a l c a s t i n gw a sl a r g e rt h a ns e m i s o l i dc a s t i n g a n ds 0 1 i d 1 i q u i dm i x e dc a s t i n g ，t h eg r a i ns i z eo fz a 6 0a l l o y s w a sr e f i n e da n d s p h e r o i d i z e di nac e r t a i ne x t e n ti ns e m i s o l i dc a s t i n g ，t h eg r a i ns i z eo fz a 6 0a l l o y si n s o l i d 1 i q u i dm i x e dc a s t i n gw a sr e f i n e da n ds p h e r o i d i z e db e s t ，a n dm o r p h o l o g yw a s h o m o g e ：n e o u s t h em i c r o s t r u c t u r e sw e r es t u d i e di nd i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ( f u s a n td e g r e eo fs u p e r h e a t 、p o w e rp a t i c a ls i z e 、p o w d e ra d d i t i o n ) i n t h ep r o c e s so f s o l i d 1 i q u i dm i x e dc a s t i n g ，c o n s i d e r a t i o n si ng r i a ns i z ea n du n i f o r m i t y , w h e n t h ef u s a n t d e g r e eo fs u p e r h e a tw a s4 0 c 、t h ep o w e rp a t i c a ls i z ew a s - 2 0 0 - + 4 0 0m e s ha n dt h e p o w d e ra d d i t i o nw a s4 0 ，t h em i c r o s t r u c t u r e so f z a 6 0a l l o y sw e r eb e t t e rr e f i n e da n d s p h e r o i d i z e d 2 t h ep h a s e so fz a 6 0a l l o y si n c l u d e d ：a ( a l u m i n u mr i c h ) p h a s e 、b ( a ib a s e s o s o l i d ) p h a s e 、r l ( z n i cr i c h ) p h a s ea n de ( i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ) p h a s e t h e s a m ep h a s e s w e r ef o m e di nm e t a l c a s t i n g 、s e m i s o l i dc a s t i n ga n ds o l i d - l i q u i dm i x e dc a s t i n g ，b u t t h eq u a n t i t yo ft h ep h a s e sw a sd i f f e r e n t ，i nt h et h r e ec a s t i n gt e c h n i q u e s ，t h ep r i m a r ya p h a s eq u a n t i t y i ns e m i s o l i dc a s t i n gw a sm o r et h a nt h em e t a l 。c a s t i n g ，i n t n e s o l i d 1 i q u i dm i x e dc a s t i n gt h eqp h a s eq u a n t i t yw a s m o s t i nt h ep r o c e s so fs o l i d _ l i q u i d m i x e dc a s t i n g 。d i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sh a di m p o r t a n te f f e c to np r i m a r yq p h a s e t h eh i g h e rt h ef u s a n td e g r e eo fs u p e r h e a tw a s ，t h el e s st h ep r i m a r yap h a s e q u a n t i t y ；t h em o r e t hp o w d e ra d d i t i o nw a s t h em o r et h ep r i m a r yap h a s eq u a n t i t yw a s ； t h es m a l l e rt h ep o w d e rs i z ew a s ，t h em o r et h ep r i m a r yap h a s eq u a n t i t yw a s 1 h e q u a n t i t yo fp r i m a r yap h a s ew a s r e l a t i v et ot h ec o o l i n gv e l o c i t yo ft h es o l i d i f i c a t i o n ，a t i v 硕十学位论文 t h es a m et i m e ，i tw a sr e l a t i v et oi n c r e a s eo ft h en o n u i f o r mn u c l e a t i o np a r t i c a lw h i c h w a ss u p p l i e db ya d d e dp o w d e r 3 t h er o o m - t e m p e r a t u r et e n s i l es t r e n g t ho fz a 6 0a l l o y sw h i c hf a b r i c a t e d b y s o l i d l i q u i d m i x e d c a s t i n g w a s h i g h e s t ( 415 m p a ) ， s e m i s o l i d c a s t i n g w a s h i g h e r ( 3 6 0 m p a ) ，a n dt h em e t a lc a s t i n gw a sl o w e s t ( 2 8 5 m p a ) e l o n g a t i o no fz a 6 0 a l l o y sw h i c hf a b r i c a t e db ys o l i d l i q u i dm i x e dc a s t i n gw a sh i g h e s t ( 6 0 ) ，s e m i - s o l i d c a s t i n gw a sh i g h e r ( 3 5 ) ，a n dt h em e t a lc a s t i n gw a sl o w e s t ( 1 2 ) t h ef r a c t u r e m e c h a n i c so fz a 6 0a l l o y sw a sb r i t t l ef r a c t u r e ，t h ec l e a v a g ef e a t u r ee x i s t e di nt h e f r a c t u r eo fm e t a lc a s t i n g ，b e s i d e st h ec l e a v a g es e t b a c ke x i s t e d i nt h ef r a c t u r eo f s e m i s o l i dc a s t i n ga n ds o l i d - l i q u i dm i x e dc a s t i n g ，t h e r ew e r es o m et e a r i n ga r r i si nt h e f r a c t u r e ，i th a dt h ef e a t u r eo fq u a s i - c l e a v a g e 4 t h eh i g h - t e m p e r a t u r e s t r e n g t ho ft h ez a 6 0a l l o y sw h i c hw a sf a b r i c a t e db y m e t a l c a s t i n gw a sh i g h e rt h a ns e m i s o l i dc a s t i n ga n ds o l i d - l i q u i dm i x e dc a s t i n g i nt h e s a m er a t eo fe x t e n s i o n ( 6 6 7 x1 0 。5 s d ) ，t h eh i g h e rt h et e n s i l et e m p e r a t u r e ，t h el o w e rt h e t e n s i l es t r e n g t ho fz a 6 0a l l o y sw a s ，i nt h es a m et e n s i l et e m p e r a t u r e ( 2 0 0 。c ) ，t h e h i g h e rt h er a t eo fe x t e n s i o nw a s ，t h eh i g h e rt h et e n s i l es t r e n g t ho fz a 6 0a l l o y sw a s t h ef r a c t u r eo fz a 6 0a l l o y so f m e t a l - c a s t i n gw a si n t e r c r y s t a l l i n ec r a c k i n g 、s e m i s o l i d c a s t i n gw a sq u a s i - c l e a v a g ec r a c ka n dt h ec r a c kf e a t u r e so fs o l i d - l i q u i dm i x e dc a s t i n g w a sc l e a v a g e t h e yw e r eb r i t t l ef a c t u r e k e yw o r d s ：z a 6 0a l l o y s ；s o l i d l i q u i dm i x e dc a s t i n g ；m i c r o s t r u c t u r e s ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；f r a c t u r ea n a l y s i s v 硕士学位论文 插图索引 图1 - 1z n a 1 二元合金相图3 图1 2 球形颗粒的演化过程示图1 2 图2 1z a 6 0 合金固液混合铸造工艺流程图1 9 图2 2 标准室温拉伸试样2 3 图2 3 高温拉伸标准试样2 3 图3 1 粉末形貌的s e m 照片2 4 图3 2 粉末x r d 图2 5 图3 3 合金密度与粉末加入量的关系2 6 图3 4 不同过热度时z a 6 0 合金的显微组织2 7 图3 5 不同粉末粒度时z a 6 0 合金的显微组织2 9 图3 6 不同粉末加入量时z a 6 0 合金的显微组织3 0 图3 7 三种不同铸造工艺微观组织3 1 图3 8 不同过热度时z a 6 0 合金固液混合铸造的x r d 3 4 图3 9 不同粉末粒度时z a 6 0 合金固液混合铸造的x r d 3 6 图3 1 0 不同粉末加入量时z a 6 0 合金固液混合铸造的x r d 3 7 图3 11 z a 6 0 合金三种铸造工艺的x r d 3 8 图4 1z a 6 0 合金三种铸造工艺室温拉伸曲线4 2 图4 2z a 6 0 合金三种铸造工艺的室温拉伸断口形貌4 7 图4 3z a 6 0 合金金属型铸造和半固态铸造高温拉伸断口( s e m ) 4 7 图4 4z a 6 0 合金不同拉伸速度时高温拉伸断口( s e m ) 4 8 图4 5z a 6 0 合金不同温度时高温拉伸断口( s e m ) 4 9 i x 固液混合铸造z a 6 0 合金显微组织及其性能的研究 附表索引 表1 1z n a 1 合金牌号及力学性能4 表2 1z a 6 0 合金的化学成分( w t ) 1 9 表2 2 粉末雾化工艺参数：2 0 表2 3 固液混合铸造实验方案2 1 表2 4z a 6 0 合金高温拉伸实验方案2 3 表3 1 不同工艺参数时z a 6 0 合金密度( g c m 3 ) 2 6 表3 2 不同过热度时的平均晶粒度2 7 表3 3 不同粉末粒度平均晶粒度2 9 表3 4 不同粉末加入量平均晶粒度3 0 表3 5 三种不同制备工艺合金的平均晶粒度3 2 表3 6z a 6 0 合金在不同过热度时初生a 相分数3 5 表3 7z a 6 0 合金在不同粉末粒度时初生q 相分数j 3 6 表3 8z a 6 0 合金在不同粉末加入量时初生a 相分数3 7 表3 9z a 6 0 在不同铸造工艺时初生a 相分数3 9 表4 1 三种铸造工艺的室温拉伸强度4 1 表4 2z a 6 0 三种铸造工艺初生a 相三强线衍射角度4 3 表4 3 固液混合铸造时z a 6 0 合金硬度( h b ) 4 4 表4 4z a 6 0 合金高温拉伸强度_ 4 5 x 湖南大学 学位论文原创性声明 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：维花渤 日期：伽谚年，月叼日 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，同意学校保留并向 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。本人授权湖 南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密豳。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 务兹疡 孑懈彩 日期：泸g 年r 月刁日 日期：抄沪r 月参7 国 硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 1 9 世纪中期就已开发出的铸造锌铝合金，由于当时无法获得纯度较高的原料 锌，使合金铸件易产生晶间腐蚀，因而其发展和应用受到限制。上世纪初以来由 于工业技术的不断进步，促进了铸造锌合金的发展和应用。同时世界性的能源危 机日益严重，铜、锡资源的日益减少以及对环境保护的要求，人们对锌合金产生 了极大的兴趣。2 0 世纪初，为了替代价格昂贵的锡和铅合金，人们第一次研制出 锌基合金( 6 s n ，5 c u ，0 0 5 a l ( w t ) ) ，用于制造印刷铅字。但是，早期的锌合 金存在比较严重的晶间腐蚀和老化问题，致使在使用过程中强度下降出现变形， 零件变脆，严重的甚至完全损坏。随着研究的深入及科学技术的进步，人们发现 在锌合金中加入微量的镁，并严格控制杂质含量( 铅、锡、镉) ，可以改善合金的老 化现象。在2 0 世纪3 0 年代，美国新泽西锌合金公司研制了z a m a k l ，3 ，5 三种锌铝 压铸合金。德国早在二次世界大战结束前夕就成功地用锌合金代替铜合金做轴承。 随后，加拿大科学家研制了z a l 2 、z a 2 7 和z a 8 锌铝合金，从而形成了现在的“z a ” 系列锌铝合金。一些国家还将锌铝合金列入国家标准l l 】。目前，锌铝合金在美、加、 德、英、日、俄等工业发达国家均得到广泛应用，同时我国的开发应用也在迅速 推广。 新型高铝锌基合金因优良的力学性能和摩擦性能、耐大气腐蚀性能及对各种铸 造方法的适应性而受到人们的广泛重视，在代替铜合金作为耐磨件、代替传统的 压铸锌合金及铸件方面取得了实质性的进展【2 3 l 。目前铜的价格很高，开展锌铝合 金的应用研究也具有重要的经济意义。为了提高锌铝合金的高温强度和耐磨性，人 们研究和开发了含铝更高的锌铝合金，如z a 3 5 、z a 4 3 等高铝锌合金【2 4 】。高合 金化铸件由于在铸造过程中的冷速受到限制，会产生晶粒和析出相粗大、成分偏析 等问题，严重影响合金的力学性能、使用性能和后续的塑性加工性能【4 巧】。固液混 合铸造是一种制备微晶合金的新技术，所谓固液混合铸造工艺主要是在过热的合 金熔体中加入大量的同种合金粉末或润湿性好的异种合金粉末，经强烈均匀搅拌 后进行铸造或各种热加工的一种材料制备工艺【几l o 】，有望应用于高性能锌基合金的 铸造。 1 2 锌铝合金概述 锌铝系列合金是以锌、铝两种元素为主，铜、镁为辅的多元化合金。合金元素 固液混合铸造z a 6 0 合金显微组织及其性能的研究 在锌铝合金中所起的作用不同。锌铝系列合金具有成形温度低，铸造和机械加工 性能优良，良好的力学性能和摩擦磨损特性、较低的原材料成本和熔化能耗低、 对环境无污染等特点而受到广泛关注。 1 2 1 锌铝合金的主要组元及其作用 锌是具有低熔点( 4 1 9 c ) 、低汽化温度( 9 0 6 c ) 及高密度( 7 1 9 c m 3 ) 的金属。晶体 点阵为六方点阵，无同素异构转变。纯锌具有高塑性( 6 = 5 0 ) 和低强度( o = 1 5 0 m p a ) ，难以满足工程上的要求，因此在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 提高锌基合金的流动性，细化晶粒改善铸件的力学性能。锌铝合金中，随着铝含 量的增加，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 0 ，室温 下其溶解度变为2 ，这使得锌铝合金有很强的固溶强化效果【1 1 1 。 由z n a l 系二元合金相图可知，含5 ( w t ) a l 的锌合金在3 8 0 时产生共晶反应， 在2 7 5 时发生共析反应，目前常用的z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 皆为过共晶合金。铸态组 织为白色或灰色的初晶相、黑色共晶相以及分布于枝晶间的少量相。从电镜照片 中发现，含铝量变化对铸态组织影响不大，但随着铝量的增加层状组织中灰黑色 的微细组织增多，故铝在锌合金中能起到提高强度、细化晶粒的作用。 铜在锌中可以产生有限固溶，而在z n a l 合金中的a 相中的溶解度更大。因此， 铜可使锌合金产生固溶强化。实验证明，在锌铝合金中，当铜含量低于1 2 5 时， 可提高合金的抗拉强度、硬度、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硬质相，这种硬相质点能弥散分布于合金组织 中以提高锌合金的强度和硬度。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，引起铸件尺寸的不稳定。另外，铜还能起到抵 消有害杂质的作用，减缓合金的晶间腐蚀，并提高蠕变强度和抗腐蚀性等。 镁可固溶于基体中，但其固溶度不大，室温下镁的固溶度仅为0 0 0 5 ( 叭) 。镁 元素对锌铝合金q 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 2 化合物，分布于晶界。镁的加入起到固溶强化、提高耐磨性能和力学性能的 作用；同时，镁还能防止晶间腐蚀、延缓锌铝合金的共析转变、降低合金的阻尼 性能等。镁的含量应控制在0 0 1 - 0 0 2 ( w t ) 之间。但是，镁是活泼元素，与氧的 亲和力极强，其熔点是6 5 0 ，当温度超过镁的熔点处于液态时，镁的氧化速度大 大加快。随着温度的升高，镁的损耗增大。为减少镁的损耗，应控制铝合金的加 热温度、除气精炼过程、变质处理过程及变质处理后的保温时间【1 2 】。 锰和硅均能提高锌铝合金的耐磨性。周吲1 3 l 对加入锰的z a 2 7 合金组织和性能 作了研究，结果表明：锰在组织中主要以大量富锰独立硬化相分布于晶界或晶界 2 硕士学位论文 附近，少数贯穿晶粒。锰能细化晶粒，减小二次枝晶间距，增加了共析相；加锰 对抗拉强度影响不大，但塑性、韧性降低较多。另外合金的耐磨性、高温力学性 能有大幅度提高，综合性能分析得出z a 2 7 合金中锰的合适加入量为0 5 一o 7 5 ( 叭) 。在z a 2 7 s i 合金中，硅除极少量固溶于i x 和t 1 相外，主要形成分布于晶界的富 硅化合物和分布于q 枝晶相内和枝晶间的初生硅相。 铁、铅、镉、锡在锌铝合金中属于杂质元素，在使用中应严格控制它们在合金 中的含量。其中铅、镉和锡可引起锌铝合金的晶间腐蚀，铁使合金的韧性大大下 降，属有害杂质。而向合金中加入少量锰，并用锶进行变质处理，可削弱铁对合 金性能的危害，使其性能有所改善。应该特别指出，杂质对锌铝合金机械性能影 响极大，即使是少量的锡、铅、镉也会使机械性能恶化，促使铸件形成裂纹，引 起晶间腐蚀。 1 2 2 锌铝合金中的相的组成 z n a i - - 元相图如图1 1 所示。 2 盏 图1 1z n a l 二元合金相图【1 4 】 在z n a i - - 元系中不存在金属间化合物，形成的是几种固溶体。 n ( z n ) 相 它是少量a 1 固溶于z n 中形成的以z n 为基的固溶体，密排六方晶格；相的形成 途径有三个；一个是共晶反应；二是共析转变；三是过饱和q 相的脱溶沉淀。 i x ( a 1 ) 相 该相是z n 固溶于铝中形成以a l 为基的固溶体，面心立方晶格，但z n 含量和晶 格常数差别较大。 1 3 ( z n a l ) 相 它是a l 基固溶体或以z n a l 为基的有序固溶体，面心立方晶格。p 相只在中温区 存在( 4 4 3 2 7 5 ) 存在，降温通过共析温度时将发生共析转变； p a ( a 1 ) + 1 1 ( 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1 3 相转变不完全。 固液混合铸造z a 6 0 合金显微组织及其性能的研究 如果在z n a 1 z 元合金中加入c u 元素，则合金变为了z n a i c u = 元合金，由于 c u 的加入在合金凝固过程中也会形成一些新相。 相 相是由c u 和z n 形成的化合物，有的文献写作c u z n 5 ，也有的写作c u z n 3 ，大部分 文献写作c u z n 4 ，它属于密排六方结构，成分为7 8 8 7 ( w t ) z n ，能溶解约5 ( w t ) a 1 。当不含铝，含8 2 ( w t ) z n 时，相的晶格常数为a = 2 7 4 x 1 0 - 1 0 m ，c = 4 2 9 x 1 0 1 0 m ，硬度h v l 5 0 ，比0 c 相和d 相高的多。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a 相，光 学显微镜下呈浅棕色。 1 2 3 锌铝合金的力学性能 随铝含量增加，“z a ”系列合金收缩率增大，密度降低，伸长率、硬度、冲击 值及抗蠕变性增大，耐磨性提高。这类合金通常用重力铸造法生产铸件，广泛用 于制作轴承、各种管接头、滑轮以及各类受冲击和磨损的铸件。由于强度高、铸 造性好、导热性好、耐磨性好、成本低和工艺简便，从而成为部分铜合金、铝合 金和铸铁件的良好代用品【l5 1 。具有典型成分的锌铝合金在一定条件下表现出良好 的超塑性。还可通过连铸或离心铸造生产型材用以制造轴瓦、衬套等。“z a ”系列 合金包括z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 ，具有较高的强度、硬度，且流动性好，适于生产各 种薄壁压铸件。同时，该合金还可用于制作模具，我国用z a 2 7 合金制作橡胶波纹 管成形模具取得良好效果。表1 1 为z n a l 合金牌号及力学性能1 7 1 。 表1 1z n - a 1 合金牌号及力学性能 注。化学成分中余量为z a 4 硕士学位论文 锌铝铸造合金( 含a 1 4 5 0 ( w t ) ) 熔点低，因而流动性能很好，适合于铸造 薄壁件和工艺品。锌铝合金结晶温度范围较宽，随牌号不同在5 0 1 1 0 范围之间， 因此凝固方式一般为体积凝固，补缩性差，容易出现晶间缩松。 1 2 4 锌铝合金的分类及应用 锌铝合金具有优良的铸造性能和优越的力学性能及加工性能，因而被称为“魔 术合金”。日本科研工作者曾预言此类合金将成为2 l 世纪的“时髦金属材料”而发挥 其重要作用。由于此类合金耐磨性较好，德国专家又称其为“白色青铜”。尽管锌铝 合金问世不久，其研制工作的发展、推广及应用却非常迅猛。锌铝合金有着广阔 的潜在市场，目前，美国、加拿大等工业发达国家有较多应用成功的实例，仅美 国就有数十家公司与厂家研究、使用锌铝合金【l 引。 目前，锌铝合金在美、加、德、英、日、俄等工业发达国家均得到广泛应用， 我国的开发应用也在迅速推广。锌铝系列合金是以锌、铝两种元素为主，铜、镁 为辅的多元化合金。其中还含有硅、锰、铁、铅、锡、镉等元素，它们在锌铝合 金中所起的作用不同。为了改善和调整锌铝合金的使用性能，拓宽其应用领域， 人们采用诸如合金化、变质、热处理、塑性变形等措施和技术对锌铝合金进行处 理并取得了成效。根据铸造方法、性能和用途的不同，锌铝合金可分为压铸锌铝 合金、模具锌铝合金、超塑性锌铝合金和高强度锌铝合金等： ( 1 ) 压铸锌铝合金：美国开发的z a m a k 3 和z a m a k 5 合金，其含铝量均在4 左右， 属于亚共晶合金，其成分与共晶点很接近，因此该合金的铸造性能良好、收缩率 低，切削加工性也较好，在压铸业得到了较大发展和广泛应用： ( 2 ) 模具用锌铝合金：化学成分接近于z n a 1 c u 三元合金的共晶点。该合金的 主要优点是可采用铸造法制模，加工周期短，工艺简单，而且材料能重熔回用， 因而成本低，经济效益显著，最初用于制造飞机、汽车行业的拉延模，后来应用 范围不断扩展，几乎应用于各类模具制造之中 1 9 - 2 1 g ( 3 ) 超塑性锌铝台金：几乎所有典型成分的锌铝合金，如纯锌、共晶合金和共 析合金，在一定条件下均可表现出良好的超塑性能，其中z n 2 2 ( w t ) a 1 共析合金 的超塑性最好、应用最广、研究也最深入。具有等轴超细晶粒的z n a l 2 2 c u m g 合金 在2 0 0 - - 3 0 0 下和适当的应变速率下拉伸时，可获得高达1 5 0 0 的延伸率【2 卜2 2 1 。由 于超塑性锌铝合金在一定条件下延伸率特别高，因此可以一次成型形状复杂、尺 寸精确、表面光洁的模腔和零件，可用于制造各种形状复杂的模锻件和挤压件， 此外还可用来制作各模具； ( 4 ) 高强度锌铝合金：这类合金包括z a 8 、z a l 2 和z a 2 7 合金系列。其中z a l 2 合金具有良好的机械性能和耐磨性，并具有价廉、节能等优点，一经问世很快便 开拓了市场。z a 2 7 合金是在z a l 2 合金基础上开发出来的，具有比z a l 2 更好的机 械性能和耐磨性。z a 8 合金强度和硬度不女i i z a l 2 和z a 2 7 合金，但合金的凝固温度 固液混合铸造z a 6 0 合金显微组织及其性能的研究 范围窄、流动性好，是理想的铸造合金。这类合金随铝含量增加，合金收缩率增 大，密度降低，延伸率、硬度、冲击值及抗蠕变性增大，耐磨性提高。总之，锌 铝合金以其优良的性能，较低的原材料成本和低的熔化能耗受到了人们的重视， 其研究和应用日益深入。我国铜资源短缺，锌、铝资源丰富，因此大力研究和推 广锌铝合金的应用具有重要的经济意义。 锌铝合金可取代铜合金作耐磨材料。锌铝合金问世不久就用于取代铜合金做为 耐磨材料。有实验表明，高铝锌合金可代替青铜作低、中速中温重载轴承，价格 较青铜轴承降低5 0 。此外，还可通过连铸或离心铸造生产型材用以制造轴瓦、 衬套等。 “z a ”系列合金包括z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 ，具有较高的强度、硬度，且流动性好， 适于生产各种薄壁压铸件。同时，该合金还可用于制作模具，我国用z a 2 7 合金制 作橡胶波纹管形成模具取得良好效果。随铝含量增加，“z a ”系列合金收缩率增大， 密度降低，伸长率、硬度、冲击值及抗蠕变性增大，耐磨性提高。这类合金通常 用重力铸造法生产铸件，广泛用于制作轴承、各种管接头、滑轮以及各类受冲击 和磨损的铸件。由于强度高、铸造性好、导热性好、耐磨性好、成本低和工艺简 便，从而成为部分铜合金、铝合金和铸铁件的良好代用品。 具有典型成分的锌铝合金在一定条件下表现出良好的超塑性。例如，z n 2 2 ( w t ) a l 共析合金的超塑性好，在一定条件下伸长率特别高，因而可以一次成型形状 复杂、尺寸精确的零件和模腔，可用于制造各种形状的模锻件、挤压件和模具。 锌铝合金是非磁性材料，本身具有高的阻尼性能，且阻尼性能不受磁场影响， 有利于电子器件及仪器仪表的减振降噪。锌铝合金密度中等，力学性能好，具有 良好的耐磨减摩特性，碰撞时不产生火花，因此可望用于大多数结构阻尼的场合， 特别是某些有特殊环境要求的阻尼场合，如减振轴承，石油贮运减振器等。 可以预料，z a 系列合金作为性能良好的结构材料具有广阔的应用前景，同时， 用于模具和其它领域的研究和开发也必将拓展和扩大。 总之，锌铝合金因其性能优良、原材料成本低、熔化能耗低而倍受人们的重视。 另外，我国铜资源短缺，锌、铝资源相当丰富，因此大力研究和推广锌铝合金的 应用具有重要的经济意义【2 3 1 。 1 2 5 锌铝合金研究进展 多晶体进行塑性变形时，晶粒内部的位错运动往往在晶界受阻，并在晶界附 近形成位错塞积群，因此多晶体能否产生显著的宏观变形，取决于位错塞积群造 成的应力集中能否激发相邻晶粒的位错源开动，也就是说相邻的各个晶粒产生相 关的协调的塑性变形，根据上述分析可以得出晶体抵抗塑性变形的能力( 屈服强 度) 与晶粒尺寸的1 2 次方成反比，这个就是著名的h a l l p e t c h 公式表示为 o s - o o + k d 。l ，2 6 硕士学位论文 式中o o 是晶粒尺寸无限大时的强度，k 为比例常数，d 为晶粒直径。这个公式表明， 当晶粒尺寸减小时，多晶体的形变抗力增大，反之则形变抗力减小，因为当晶粒 尺寸大时，在一定外力作用下晶粒中位错塞积群中的位错数目增多，在塞积群前 沿的应力集中将增大，容易引起相邻晶粒的协同变形。大量的实验数据证实了晶 粒尺寸与屈服强度的上述关系。晶粒细化不仅可以提高合金的强度，而且可以改 善合金的塑性，所以，晶粒细化在改善合金力学性能方面具有重要的意义【2 4 1 。 锌铝合金虽然具有许多优良的性能，但也存在一些缺陷。比如在高温( 1 0 0 ) 时强度低、易发生蠕变、热膨胀系数大、成分偏析严重、底缩等【l4 1 。为改 善锌铝合金的使用性能，拓宽其应用领域，人们常采用合金化、变质和热处理等 方法对锌铝合金进行处理，并取得了一定的成效。 1 2 5 1 合金化及变质 在锌铝合金中常使用的变质剂有：锂、锆、锑、硼、钛、锰、硅、稀土等。在 z a 2 7 合金中加入0 0 4 0 0 8 ( w t ) 的锂，发现其组织明显细化，晶界相变得细碎且 分布不连续，在l5 0 和l8 0 时抗拉强度分别为2 3 0 m p a 和l8 5 m p a ，比未变质强化 的z a 2 7 合金分别提高4 1 1 和4 2 - 3 【2 5 粕】。锆、锑、硼、钛均能使z a 2 7 合金中的仅a i 相由粗大的树枝晶向细小的颗粒状晶转变，原因是这些变质剂在z a 2 7 合金中形成 z r ( a 1 ，z n ) 3 、t i a l 3 、a 1 8 2 、t i b 2 ，以作为a a i 相的异质核心【2 7 - 2 引。 稀土对改善锌铝合金的综合性能也有重要的作用。曾有人对稀土在锌铝合金中 的应用作过专门研究，发现其在提高锌铝合金的硬度、尺寸稳定性、抗氧化性、 抗拉强度以及抗晶间腐蚀等方面都有重要作用。稀土元素在锌和铝中的溶解度非 常小，没有形成固溶体，这可能与稀土元素原子半径较大有关。 稀土元素的化学性质非常活泼，能与氧、氮、氢等分别形成密度小，熔点高的 化合物，这些化合物易与熔渣一起从液态金属中排除，所以对流动性有良好的作 用【2 5 1 。 文献【3 0 】锌铝合金经钠盐精炼和0 2 w t r e 变质后，硅相和其它晶间相被变为球 状或细短条状，均匀的分布在晶界上；合金生长形态发生较大变化，a 树枝晶发达 而细小，二次枝晶臂间距显著减小；变质后，抗拉强度提高了2 9 5 ，伸长率提高 了3 4 8 。赵沛廉【3 l 】等研究了c e _ 4 5 ( w t ) 的混合稀土对z a 2 7 合金显微组织及高温 力学性能的影响，结果表明在锌铝合金中，稀土元素可与a i 、z n 、c u 等形成多种 复杂成分化