（材料加工工程专业论文）固液混合铸造za12合金组织与性能研究.pdf

硕士学位论文 摘要 锌铝合金显示出较高的力学性能、优良的摩擦磨损性能，是一种具有高承载 能力的新型减摩材料，其铸造性能优良，且摩擦系数和成本较低，得到了广泛关 注与应用。其中z a l2 合金是一种多用途合金，具有高致密性，易于机加工，有 很多研究表明z a l 2 合金具有优异的摩擦磨损性能。固液混合铸造技术是一种制 备微晶合金的新技术，开展锌铝合金固液混合铸造技术的研究工作对拓展锌铝合 金的应用范围具有重要意义。本论文采用固液混合铸造技术制备z a l2 合金。主 要研究此种制备工艺下不同工艺参数对z a l 2 合金组织的影响，并与金属型铸造、 半固态铸造合金进行对比，研究合金微观组织演变规律。同时还对z a l 2 合金的 力学性能和摩擦磨损性能及机理进行一定的分析。试验研究结果表明： 1 ) 固液混合铸造z a l 2 合金时，工艺参数对于合金组织有很大影响，在熔体 过热度为4 0 ，粉末加入量为3 0 ，粉末粒度为2 0 0 - + 4 0 0 目( 3 8 7 4l a n ) 条件 下，合金的组织细小、分布均匀，初生相含量也较低。 2 ) 固液混合铸造z a l 2 合金组织相对金属型铸造的铸态组织，后者粗大的枝 晶完全被破碎，白色的初生相组织偏向于团球状，平均粒度大幅度减小，且分布 较为均匀；同样的搅拌条件下，半固态铸造z a l 2 合金组织枝晶破碎、细化程度 明显不及固液混合铸造的合金组织。固液混合铸造及半固态铸造化程度明显不及 固液混合铸造的合金组织。固液混合铸造及半固态铸造合金的致密度低于金属型 铸造合金。 3 ) z a l 2 金属型铸造铸态组织、半固态铸造组织及固液混合铸造组织中相组 成基本一致。它们主要是由r z n 相、a 1 z n 相及少量口a 1 相组成。 4 ) 固液混合铸造z a l 2 合金的抗拉强度较金属型铸造和半固态铸造合金提 高幅度较小的情况可能与合金中的杂质、孔洞有关。金属型铸造合金拉伸断口为 典型的解理断裂，而固液混合铸造及半固态铸造z a l 2 合金的拉伸断口呈现解理 断裂与准解理断裂相结合的断裂特征。 5 ) 固液混合铸造工艺参数对z a l 2 合金的布氏硬度有很大影响。 6 ) 摩擦磨损过程中，试验载荷、试环转速及润滑条件对z a l 2 合金的摩擦 磨损性能有很大的影响。固液混合铸造工艺制备z a l 2 合金在室温干、湿滑动摩 擦条件下的耐磨损性能、减摩性能均优于金属型与半固态铸造工艺制备的合金。 关键字：固液混合铸造：z a l 2 合金；微观组织；力学性能：摩擦磨损 i i 同液混合铸造z a l 2 合金组织与性能研究 = = = = = ! = ! = = ! = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = a b s t r a c t z n a ia l l o ys h o w sc o n s i d e r a b l ep r o m i s ef o rb e a r i n ga n dw e a ra p p l i c a t i o n s ， w h i c hi san e wk i n d o fa n t i f r i c t i o nm a t e r i a lw i t hh i g hb e a r i n gc a p a c i t ya n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f i n ec a s t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，l o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dl o w c o s t t h e r eh a sb e e nag r o w i n gi n t e r e s ta n da p p l i c a t i o ni nt h eu s eo f s u c ha l l o y z a12 a l l o yi st h eg e n e r a l - p u r p o s ea l l o y ，a n d i th a se x c e l l e n tm a c h i n a b i l i t ya n dh i g h e o m p a c t a b i l i t y t h e r ei sg r o w i n ge v i d e n c et h a tz a - 1 2h a se x c e l l e n tb e a r i n ga n d w e a rc h a r a c t e r i s t i c s t h em i x e ds o l i d l i q u i dc a s t i n gi san e wt e c h n o l o g yu s e df o r p r e p a r i n gm i c r o c r y s t a l ，w h i c hh a sb e e no fr e a ls i g n i f i c a n c ei na p p l i c a t i o n so fz n a i a l l o y s i nt h i st h e s i s ，m i x e ds o l i d - l i q u i dc a s t i n gw a se m p l o y e dt op r e p a r ez a 12a l l o y t h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nt h em i c r o s t r u c t u r e so fm i x e ds o l i d l i q u i d c a s t i n gz a i2 a l l o yw e r em a i n l yi n v e s t i g a t e d a n dc o m p a r e dw i t hz a12a l l o y p r e p a r e d b y o t h e r t e c h n o l o g i e s i na d d i t i o n ，t h e e v o l u t i o no fz a l2 a l l o y m i c r o s t r u c t u r e sh a sb e e no b t a i n e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f r i c t i o na n dw e a r c h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i c so fz a12a l l o yp r e p a r e db yd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e sw e r e a l s oe x p l o r e d t h er e s u l t sa r ec o n c l u d e da sb e l o w ： 1 ) t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sh a v ei m p o r t a n te f f e c to nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm i x e ds o l i d l i q u i dc a s t i n gz a12a l l o y t h er e s u l ts h o w s t h a th o m o g e n e o u sa n df i n e rn o d u l a rp r i m a r yp h a s e sc o u l db co b t a i n e dw i t h4 0 c d e g r e eo fm e l ts u p e r h e a t ，30 m a s sr a t i oo ft h ea d d e dp o w e ra n d38 7 4 a n o f p o w d e rp a r t i c l es i z e ，a tt h es a m et i m e ，i th a sl o w e rc o n t e n to fp r i m a r yp h a s e 2 ) m i x e ds o l i d l i q u i dc a s t i n gz a l2a l l o yh a so b v i o u s l yc r a c k e dd e n d r i t e s ， h o m o g e n e o u sa n df i n en o d u l a rn o - d e n d r i t i cp r i m a r yp h a s e sa n dr e d u c e dm e a ns i z e c o m p a r e dw i t ha s c a s ts t r u c t u r e ；a n di ti sa l s om u c hb e t t e rt h a ns e m i - s o l i ds t r u c t u r e w h i c hw a sa g i t a t e dw i t h o u tp o w d e ra d d e d t h ed e n s i t yo ft h ez a12a l l o y sp r e p a r e d b ym i x e ds o l i d - l i q u i dc a s t i n ga n ds e m i - s o l i dc a s t i n gi sl o w e rt h a nt h a tp r e p a r e db y m e t a lm o l dc a s i n g 3 ) a l lo ft h ea l l o y sp r e p a r e dt h et h r e et e c h n o l o g i e sa r ec o m p o s e db yr z n p h a s e ，8 a i z np h a s ea n das m a l lq u a l i t yo f 伐a 1p h a s e 4 ) b e c a u s eo fi m p u r i t ya n dg a sc a v i t yi n d u c e db ys m a r ta g i t a t i n g ，t h et e n s i l e s t r e n g t hh a sn o tb e e n i n c r e a s e d t h em e t a lm o l dc a s t i n ga l l o y se x h i b i tm a i n l y c l e a v a g ef r a c t u r e ，a n dt h em i x e ds o l i d l i q u i dc a s t i n ga n ds e m i - s o l i dc a s t i n gc o n s i s t i i i 硕+ 学位论文 o fc l e a v a g ef r a c t u r ea n dq u a s i c l e a v a g ef r a c t u r e 5 ) t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fm i x e ds o l i d - l i q u i dc a s t i n gp l a ya ni m p o r t a n t p a r ti nb r i n e l lh a r d n e s so fz a 12a l l o y s 6 ) t h et e s t i n gl o a d ，r o t a t i o n a ls p e e do ff r i c t i o nr i n ga n dl u b r i c a t i n gc o n d i t i o n s h a v e g r e a ti n f l u e n c e o nf r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i co fz a12a l l o y s a t r o o m t e m p e r a t u r e ，t h em i x e ds o l i d - l i q u i dc a s t i n gz a 12a l l o yh a st h em o r ee x c e l l e n t t h ef r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i ct h a nm e t a lm o l dc a s t i n ga n ds e m i s o l i dc a s t i n g a l l o y s k e yw o r d s ：m i x e ds o l i d - l i q u i dc a s t i n g ；z a l2a l l o y ； m i c r o s t r u c t u r e s ： m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；f r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c i v 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： 套既高日期：7 哪年月彳日 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 鸯岛 琴凇够 日期：潮年f 月石日 日期：毋卵害年j 月呓日 硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 目前，铸造技术正在朝着更轻、更薄、更精、更强、更韧及质量高、成本低、 流程短的方向发展。它是制造业的重要组成部分，也是先进制造技术的重要内容。 大型化、轻量化、精确化、高效化、数字化及绿色化将是未来铸造等材料成形加 工技术的重要发展方向。锌铝系列合金以其良好的力学性能、优良的铸造工艺 性能、较低的原材料成本和熔化能耗低、对环境无污染以及工艺简单等特点而令 世人瞩目，在美、加、德、英、日、俄等工业发达国家均得到了广泛的工程应用， 我国的开发应用工作也在迅速推广。 锌铝合金系列中的z a l 2 合金强度、硬度及耐磨性能较好，价格低，被认为 是一种替代铜合金制造轴瓦、轴套等的理想材料。z a l 2 合金的流动性优于锡青 铜，充型能力强，可用于多种铸造方法制备，是一种多用途合金。采用固液混合 铸造技术制备z a l 2 合金是一种新的尝试，很有可能进一步提高z a l 2 合金的工业 应用价值乜引。 1 2 锌铝合金基本概况 1 2 1 锌铝合金发展历史与研究现状 早在公元前5 0 0 年左右，人们就发现了锌，当时它多是用来作为装饰品。上世 纪初叶，为了替代价格昂贵的s n 和p b 合金，人们第一次研制出锌合金( 6 s n ， 5 c u ，0 0 5 a i ) ，用于制造印刷铅字。但是，由于冶炼技术的限制，早期的 锌合金杂质含量较高，性能不佳，存在比较严重的晶间腐蚀和老化问题。随着冶 炼技术的进步，人们发现在锌合金中加入微量的镁并严格控制杂质含量( p b ，s n ， c d ) ，抗晶间腐蚀能力大大提高，使其应用范围也逐渐扩大。 美国在2 0 世纪3 0 年代研制了z a m a k 3 、z a m a k 5 两种压铸锌合金，类似于现今 的n o 3 和n o 5 压铸锌合金，为世界各国所接受，至此铸造锌合金在工业上才真正 占有一定的地位。 在二次世界大战中，德国为了找到铜合金的替代材料，以解决其铜资源严重 匮乏的问题，特别是能够替代青铜作为轴承材料，率先开始了重力铸造锌合金代 替铜合金的研究，研究发现，含铝1 0w t 3 0w t 的锌基轴承合金，具有摩擦 系数低、机械性能好、与润滑油的亲和性好及自润滑性等优点，完全可以替代各 种青铜材料，并得到了广泛应用。 二次世界大战之后，铸造锌铝合金的研究与应用没有获得应有的发展。特别 固液混合铸造z a l 2 合金组织与性能研究 是，上世纪5 0 年代末，塑料工业迅速发展对压铸锌合金市场产生了巨大的冲击。 与此同时，出现了国际范围内的能源危机，铜、锡资源紧缺，迫切需要开发代替 铜、锡及其合金的新材料。 l9 6 2 年，国际铅锌组织提出薄壁压铸件及其相应的新型压铸锌合金研究项目， 导致i l e r o 1 2 合金的产生。该合金在重力铸造( 砂型和金属型) 条件下具有良 好的机械性能。然而其在重力铸造领域使用及其有限，很难满足各种应用要求。 2 0 世纪7 0 年代中期，加拿大与美国，在已有的研究基础上开发出了可适用于 砂型铸造，也可用于金属型重力铸造的高强度高韧性的锌铝合金。连同改进后的 i l e r o 1 2 合金，形成了z a l 2 、z a 2 7 、z a 8 的系列锌铝合金。1 9 8 4 年，美国材料 与试验学会将其列入了a s t m 标准，使锌铝合金进入了标准化、系列化年代。自 从z a 2 7 、z a 8 合金出现以来，在世界范围内掀起了研究开发高铝锌合金的热潮， 扩大了世界各国的市场。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m 咱1 。 近年来，锌及锌铝合金发展迅速。z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 等系列锌铝合金可用于 多种铸造或成型工艺，如：常规铸造、石墨铸造、壳型铸造、半固态铸造、离心 铸造、压力铸造、喷雾沉积等。为了改善和调整锌铝合金的使用性能，拓宽其应 用领域，人们采用诸如变质处理、热处理、塑性变形等措施和技术对锌铝合金进 行处理，并取得了一定成效。锌铝合金的研究也突破了传统材料的范围，锌铝基 复合材料、纳米材料、锌铝复合镀层方面的研究等也备受关注哺一1 。 1 ) 变质与细化晶粒 为了改善锌铝合金的性能，常在合金中加入晶粒细化剂即变质剂。在高铝锌 合金中常用的变质剂有：锂、锆、锑、硼、钛、锰、硅、稀土等。微量的稀土能 提高z a 2 7 合金的抗拉强度。例如高铝锌合金z a 2 7 7 ) i i 铈变质，可显著细化晶粒，提 高抗拉强度和塑性1 。但当稀土加人量( 质量分数) 0 1 时，硬脆相稀土化合物 偏聚趋于网状，对基体起割裂作用，强度下降。锰和硅均能提高z a 2 7 合金的耐 磨性。锆、锑、硼、钛均能在z a 2 7 合金中形成z r ( a 1 ，z n ) 3 ，t i a l 3 ，a i b 2 ，t i b 2 以作为异质核心，使合金中粗大的树枝晶向细小的颗粒状晶转变阳。1 。z r 对z a 2 7 合金的变质效果比b t i 、t i 好很多u 们。 2 ) 热处理 传统锌铝合金( z a l 2 、z a 2 7 等) 的允许工作温度较低，组织稳定性差，在使用 过程中易发生相变，一般需对铸件进行热处理。锌铝合金通常采用固溶时效热处 理，消除高铝锌合金中的异常组织和枝晶偏析，使之在使用之前达到相对稳定的 组织状态。例如将有连续网状组织的高铝锌合金试样，加热至3 6 0 ，保温2h 后出炉水冷，可完全消除( r + s ) 网状组织，p 相的枝晶偏析程度也可大大减轻2 l 。 z n 3 7 5 a 1 2 5 c u 0 0 5 m g 合金的而言，稳定化的优选热处理工艺为3 7 5 下 硕l - 学位论文 固溶化处理1 0 h 以上，在1 8 0 。c 下时效8 h 3 1 。将添加有某种微量元素的z a l 2 常 规铸锭进行半固态等温处理，可成功地获得初生相为均匀细小颗粒状的组织。众 所周知，材料的性能在很大程度上取决于微观组织，深入细致的研究时效过程中 组织结构变化对提高锌铝合金的使用性能及制定合理的热处理工艺有着十分重 要的意义。 3 ) 塑性变形 挤压等塑性变形加工可以显著改善z a 2 7 、z a 4 3 合金枝晶形态，细化晶粒， 将网状组织变为点状分布于枝晶间。还可以减轻合金的微观偏析，减少缩孔的形 成，提高合金的强度与延伸率、阻尼性能等n 钔。挤压铸造z a 2 7 合金中加入少量 m n ，还可以进一步提高合金的强度与耐磨性。 4 ) 锌铝基复合材料、纳米材料 利用压力侵渗、压力铸造、流变铸造、机械搅拌加压等工艺制备的铸造锌铝 基复合材料硬度和刚度较高，克服了传统锌合金耐高温性能差、热膨胀系数大等 用其他方法难以克服的弱点。锌基复合材料的研究成为近几年来的一个热门课 题。国内外纷纷开展短纤维晶须或颗粒增强体强化锌铝基复合材料的研究。利用 陶瓷纤维、晶须或颗粒增强锌基合金，改善其性能，克服其缺点，已收到较好的 成效n 引。由于复合材料使用的短纤维及颗粒强体价格较低，工艺设备较为简单， 因此制造成本低、生产率高，所以锌铝基复合材料具有较广阔的应用市场。 纳米科学与技术被认为是2 1 世纪的三大科技之一。锌及锌铝合金纳米材料越 来越受到重视。通过常规热处理和塑性变形，锌铝合金的晶粒尺寸可达到 0 5 1 a n 。氩气气氛下，在熔炼锌铝合金过程中加入微量m g ，c u ，r e 等，铸件 通过退火、热轧、淬火等前处理后，在2 9 0 左右再进行淬火处理，t e m 观察 表明，共晶锌铝合金晶粒平均粒度达10 0n m 。在氩气保护气氛中，室温下还可以 通过球磨得n z n a i 纳米材料。 通过研究，还发现z n a i 复合镀层的耐蚀寿命高于电镀锌而且焊接性和涂装效 果优于锌镀层。这给锌及锌合金涂层的应用提供了更广阔的市场。 1 2 2 锌铝合金的组织与性能特点 z n a i - - 元合金相图如图1 1 可可以看到，该合金液态无限互溶，而在固态下 有限互溶。在相当宽的含锌范围内，其凝固区间很宽，当温度为4 4 3 ，3 8 2 及 2 7 5 时，分别发生包晶、共晶及共析反应。含铝量的不同会出现不同的反应。 合金中主要的固态相变是富铝口和富锌7 7 相的沉淀析出n6 1 。 “z a ”系列主要有z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 、z a 3 5 等合金，由于含铝量的不同， 其结晶与固态相变、室温组织等也少有变化。 固液混合铸造z a l 2 合金组织与性能研究 t 、- l 1 z - - - 9 1t l | 、 n 。士口r 、 多+ 入一 啊 一诋o lb 7声+ n ， i i t 吨i l 图1 1z n a 1 - - 元系统相图 由相图可以看出，z a s - 与z a l 2 合金同属于亚共晶合金，凝固时首先从液态 中析出相。在3 8 2 。c 时剩余液体进行共晶转变，形成( + r ) 共晶体。随后冷 却过程中，相发生共析转变，形成细小的片状或粒状的共析组织。z a l 2 合金 的液固两相共存的温度区间约为5 5 c n 7 1 。 z a 2 7 合金平衡条件下凝固时，首先析出的是富铝高温口相。在4 4 3 时口，相 与剩余液相发生包晶反应，在初生口相边缘形成相。快速通过共析反应温度 后，相转变为片状或准粒状的共析组织。而高温口相在基体中，转变成为低 温的( g + r ) 。若凝固时，冷却速度较快，包晶反应不完全，剩余液体富锌， 凝固组织中还会出现共晶体。若合金中含有铜，则可观察到组织中刁相中发现含 铜化合物s 相。富铜相s 相在枝晶间隙终形核并长大，因而一般s 相总是位于晶 界附近1 8 f 1 9 1 。 锌铝合金中的铜、镁等元素及f e 、p b 、s n 和c d 等杂质元素对合金性能有很 大的影响。铜元素使锌铝合金产生固溶强化，随着铜含量的增加，合金的强度和 硬度上升，而塑性却下降，并在合金晶体的枝晶间产生占相，使材料沿晶界脆断 的倾向增加。铜在富锌的相中的溶解度大于富铝的口相，过量的铜会使铸件的 尺寸不稳定n6 一0 j 。固此，z a l 2 铜的量应控制在0 5 。1 2 5 之间。少量的镁可 防止晶间腐蚀，延缓共析反应过程，对提高合金性能与组织稳定性十分有利。少 量镁的加入可增加抗拉强度，同时降低延伸率。但随着镁的含量提高，合金的延 伸率却下降因此，镁含量控制在0 0 15 - 0 0 3 之间为宜n n2 。 锌铝合金对杂质元素的危害较为敏感，杂质会降低合金机械性能，使铸件产 生热裂倾向。所以，对f e 、p b 、s n 和c d 等元素的混入须严格控制，p b 0 0 4 ， c d 0 0 0 3 ，s n 0 0 0 3 ，f e 0 0 7 5 。 硕上学位论文 锌铝系列合金是以z n 、a l 两种元素为主，c u 、m g 为辅的多元化合金。概括 起来，锌铝合金的性能具有以下特点n 6 “引： 1 ) 锌铝系列合金具较高承载能力、良好的摩擦磨损性能和导电、导热性能； 生产成本较传统材料锡青铜、锡基巴氏合金低3 0 6 0 ，可作为耐磨材料( 如 轴瓦) 和青铜替代材料。 2 ) 锌铝合金具有较高的强度和硬度，可提高对载荷作用下变形、破坏的抗 力，也可使设计工程师选材时免去再作强度核算的麻烦。适当的塑性使制造的零 件经受住冬季室外2 5 低温动载荷工作环境的考验。其中z a 2 7 合金的强度几乎 超过所有的铸造有色合金、铸铁，同时仍保持了良好的塑性和韧性。 3 ) 锌铝系列合金具有良好的铸造成型性能，其流动性优于青铜，不易出现 分散缩孔，可以铸造较薄的铸件，且对各种铸造工艺均有较强的适应性。 4 ) 锌铝系列合金在大气中具有良好的耐蚀性。其表面容易进行电镀、阳极 处理等装饰加工，可进一步提高其耐蚀性。 5 ) 锌铝系列合金机械加工性能优良。对于铸件进行车削，刨削，铣削加工 时，切削性能良好，零件表面光洁度高。 6 ) 锌铝系列合金的气密性优于锡青铜，适于在各种要求密封的场合工作； 此外锌铝合金无磁性，受冲击不产生火花，适于在有防爆的场合工作乜引。 、 7 ) 由于锌铝系列合金的熔化温度低，因此吸气倾向小而无需覆盖，也不必 精炼；使得熔化工艺简单，且不污染环境，降低了熔化耗能。 1 2 3 锌铝合金的应用 锌铝合金按加工方法简单分为：1 ) 铸造合金；2 ) 变形合金；3 ) 热镀锌铝 合金。按用途分可以分为1 ) 仪表合金：如z a 4 1 ，适用于压力铸造，主要用于 汽车、飞机电力部门的各种仪表壳；2 ) 模具合金：最早用于印刷版制造，日本 和西欧国家成功用于汽车制造业，定名为z a s ；3 ) 滑动零件合金：又可称为耐 磨锌铝合金，早在二战期间德国因缺铜，曾用于代替青铜作轴承材料，现在如 z a 2 7 及z a 3 5 主要用于做轴瓦等滑动摩擦零件；4 ) 阻尼合金：此材料可以降低 工业噪声和减轻机械振动，是一种前景较广的新型结构材料；5 ) 防腐合金：包 括牺牲阳极以及作为喷镀、热浸镀等用的锌铝合金，使用性能优于镀锌材料；6 ) 超塑性合金：共析z n a 1 合金经适当处理后可获得特别大的延伸率即超塑性，对 于加工一些形状复杂的零件有独到之处n 引。 随着锌铝合金系列种类的增多，其应用范围越来越广。据统计，工业生产中 锌用量的4 7 用于钢材的防护镀层，1 9 的锌消耗于黄铜、青铜制造业，1 4 的 锌用来制造五金和汽车零件，有8 的锌用于半成品制造乜引。锌铝系列合金在建 筑五金、矿山设备、工程机械、运输机械等方面都取得了许多成功应用的经验， 其中应用最多的是代替部分青铜、黄铜制作耐磨零件和模具，代替锌基合金制作 同液混合铸造z a l 2 合金组织与性能研究 壳体薄壁零件和阀门等。 锌铝系列合金作为耐磨材料是其应用最多的一个方面，可制造在低速、重载 条件下工作的各种耐磨零件，使用寿命和价格均比常用的锡青铜优良。例如：美 国i d a h o 的一家采矿公司用z a l 2 锌铝合金解决了矿井通风机轴承的裂纹问题， 并使成本降低了3 0 。目前该公司已在地下电动机车枢轴轴承、矿车轴套、大型 涡轮、链轨导板上使用锌铝合金。我国也开展了在制氧机、摩擦压力机、涡轮、 制砖机、压胶机等方面的应用研究。在工作条件恶劣的工程机械上应用锌铝合金 制作轴承亦取得了成功。美国k i d dc r e e k 矿业公司已在其生产的工程机械产品中 广泛使用锌铝合金轴套。美国主要的电力车辆制造厂一斯罗德格拉斯及罗斯福公 司已开发了使用锌铝合金制造制动器传动装置和转动轴台的技术。 我国锌、铝资源丰富而铜资源贫乏。因此，立足国内资源，从经济效益方面 分析，大力发展锌铝系列合金的研究与应用，替代紧缺的铜合金，具有重大的技 术经济意义。锌铝系列合金在未来将有一个很大的发展，对锌铝系列合金的成分、 组织、性能的研究将更加深入；锌铝系列合金的应用，将主要集中在定期更换的 耐磨件、易损件或其他一些服役期限较短的零件上，并广泛应用于制造小批量的 塑料模具和大型成型模具比引。 1 3 金属型铸造简介 1 3 1 金属型铸造特点 金属型铸造又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一 种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次( 几百次到几千次) 。 金属到铸造与砂型铸造比较，在技术上与经济上有许多优点心驯。其铸件机 械性能比砂型铸件高；精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定； 铸件的工艺收得率高；节约造型材料，生产效率高；铸件产生缺陷的较少；工序 简单，易实现机械化和自动化。 金属型铸造虽有很多优点，但也有不足之处。如：金属型制造成本高：金属 型不透气，而且无退让性，易造成铸件洗不足、开裂或铸铁件白日等缺陷：金属 型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度，铸件在铸型中停留的 时间，以及所用的涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制；金属 型铸造目前所能生产的铸件，在重量和形状方面还有一定的限制。 1 3 2 锌铝合金金属型铸造 锌合金铸造所用的金属型材料可采用铸铁或铸钢。金属型铸造的合金中，沿 铸型散热方向生长的枝晶具有合适的生长速度。因此铸件的力学性能良好，特别 是延伸率。 硕士学位论文 锌铝合金金属型铸造过程中要注意以下几个方面n7 1 ： 1 ) 浇注前金属型要预热2 0 0 2 5 0 ，避免液态金属因冷却速度过快而造成、 冷隔、浇不足及缩孔等缺陷，保证合金中枝晶的正常生长。还可以延长铸型使用 寿命。 2 ) 浇注前金属型型腔表面喷刷氧化锌或滑石粉或太白粉与水玻璃及水配制 而成的涂料，控制凝固并防止铸型与锌合金的相互作用。 3 ) 锌合金充型时间应尽量短，比铝的充填时间短1 5 - 2 倍。 4 ) 由于金属型无退让性及大量吸热，因而铸件可早点从铸型中取出。取出 的过晚，铸件可能会因为铸造应力而开裂。 1 4 半固态加工技术简介 1 4 1 半固态加工技术概念 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院的研究人员，发现了金属在凝固过程中 的特殊力学行为，半固态金属仍有相当低的剪切应力。这种特殊性能是由于基体 中存在奇特的球形微粒结构，随之深入研究并发展成半固态加工技术。 半固态成形工艺( s e m i s o l i df o r m i n g ) ，简称s s m 。其基本原理是在液态 金属凝固过程中施以剧烈搅拌，破碎所生成的树枝晶，其形态发生变化，由枝晶 _ 蔷薇状一团粒状，而形成近球形的团粒状初晶晶粒和残余液相共同构成的具有 非枝晶组织特征的合金浆料乜5 吨”。这种浆料在力的作用下即使固相率达到6 0 ， 仍具有较好的流动性，可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形。其 科学含义也可以这样表述，半固态成形是利用金属材料从固态向液态，或从液态 向固态的转换过程中具有半固态的特性所实现的成形。目前，半固态金属成形方 法主要分为流变成形和触变成形。工艺流程如图1 2 所示。 该技术的主要核心是使混合浆料( 坯料) 获得非枝晶组织，晶粒必须球化( 等 轴晶) 和细化( 晶粒度约1 0 0 a n ) 。这种组织的合金在半固态下，比枝晶组织合 金表现出非常低的流动阻力。它们的触变行为( 静止时象固体、剪切时象液体) 是半固态成形的基础。半固态铸造，是指将即非全液态，又非全呈固态的固态 液态的金属混合浆料铸造成形的新方法。根据在麻省理工学院进行的试验研究发 现，当剧烈搅拌正在凝固的金属合金时，虽然随着温度的下降，合金中的固体组 分不断增加，甚至增加到4 0 6 0 以至更高时，这种合金仍然象糊状浆料一样， 具有很好的流动性，仍可以用压铸等铸造方法成型。试验表明，液态金属在凝固 过程中经剧烈搅拌，不会形成交错的树枝状结晶组织，而是形成均匀的混和组织 阳引。在这种混和组织中，隔离开的球状初次固体质点悬浮在其余仍是液态的金 属基体中。由于这些单个的初次固体质点始终保持被金属母液( 即液态的金属基 体) 分隔的状态，因此这些质点也不会形成相互连接的网状组织。这就是半固态 同液混合铸造z a l 2 合金组织与性能研究 合金粘度降低但仍然具有流动性的原因。 图1 2 半固态成形工艺流程图心6 1 1 4 2 半固态加工技术的特点 传统的金属加工方法主要分为压力加工和铸造加工，而半固态加工被世人称 为现代冶金加工新技术，与传统的压力加工和铸造加工相比，半固态加工技术优 点有一们： 1 ) 半固态合金液粘度较高能防止金属的飞溅与吸气，表面光洁度高，内部 组织致密，缺陷少，晶粒细小，力学性能高，可达锻件性能。 2 ) 加工件的精度高，几乎是近净成形，尺寸公差接近机加精度。 3 ) 成形温度低于液态成形，节能。生产同样的零部件，它与普通铸造相比， 节能约3 5 。 4 ) 成形温度低，结晶潜热少，延长了模具的使用寿命。 5 ) 半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力小于塑性变形，可以更高的 速度成型部件，扩大了合金成形的壁厚范围，缩短加工周期，提高材料利用率， 降低生产成本。 6 ) 提高成形件品质与力学性能，扩大了产品范围，可生产金属基复合材料。 但是，半固态加工技术由于增加了制坯等中间环节，生产成本会有所提高。 从可持续发展的观点综合考虑各种因素，半固态成形技术仍具有相当强的市场 竞争力。 硕士学位论文 1 4 3 半固态加工技术研究发展现状 半固态金属加工技术是近2 0 多年来才诞生和发展起来的现代冶金加工新技 术。它虽然诞生晚，但发展很快，只用十几年的时间就从试验室过渡到试生产， 又很快实现了产业化和商品化。被世人称为新一代的合金成形工艺。 日本学者最近开发了一种半固态流变成形新工艺。该工艺的半固态金属浆料 是利用电磁搅拌直接在射室中制备。然后将其挤入模具型腔成形。生产的 a 1 7 s i 0 3 m g 半固态成形件的性能比液态挤压铸件高，与半固态金属触变成 形件的性能相当。 铝合金大型汽车零件毛坯半固态成形和钢铁半固态成形系统研究才刚刚起 步，可以说这两个方向都是当今金属成形领域的最前沿且最有意义的课题。如果 钢铁半固态浆料制备及直接成形与大直径铝合金半固态坯料制备和成形的基本 问题得到解决，就可以缩短现有冶金生产流程、降低能耗，生产高质量的大型汽 车铝合金毛坯。随着半固态成形技术的不断完善和成熟，预计在航空航天、汽车 制造、通讯以及国防尖端领域都会有广阔的前景，它将是2 l 世纪新一代新兴的金 属成形技术。 美国的半固态金属成形技术处于全球领先地位。19 7 8 年，美国的阿鲁玛克斯 公司( a l u m a x ) 的分部，率先将此技术转化为生产力，建成世界上第一条高度自动 化的触变成形生产线，用于汽车零部件的生产。 目前，a l u m a x 公司m t h o l l y 铝厂与i a t a l c o 铝厂已大批量生产出7 6 2 和 l5 2 4 m m 的半固态加工坯锭。其它公司也开始商业生产半固态铸件，t h i x o m a 公 司使用溅射沉积专利技术生产镁合金半固态零件。t t t 公司用半固态技术生产黄 铜电插件。 在欧洲，意大利是最早将半固态加工技术商业化的国家之一。欧洲各国对金 属半固态成形技术作了大量的研究和开发，目前约有4 0 家公司从事半固态金属及 合金零件毛坯的生产，这一趋势仍在增加。w e d e r 公司19 9 3 年开始用半固态加工 技术为n l d 公司生产油料注射档板。法国p e c h i n e y 公司是主要生产坯料的厂商， 目前能生产7 6 2 、1 2 7 、o1 5 2 4 r a m 的a 3 5 6 和a 3 5 7 系列铝合金棒材。德国e f u 公司也采用半固态加工技术。 日本对金属半固态成形的研究和生产相对落后于欧美，但也从事了大量的研 究和开发上作。于8 0 年代后期成立了一家有l8 个成员企业组成的r p e o t e c h 公司， 其成员包括1 4 个钢铁企业和4 个有色金属公司。日本制钢所已批量生产镁合金半 固态触变铸造机，( 可铸壁厚为o 5 m m 的工件) 。据称已为全球制造了1 0 0 多台。 有报道，日本宇部公司设计制造的新型流变铸造机，它既可进行半固态模锻，又 可进行半固态触变铸造与流变铸造。该机成形压力为8 m n t ，这台研究试验培训 机出售给了奥地利，2 0 0 0 年一季度试产。 同液混合铸造z a 12 合金组织与性能研究 我国是从8 0 年代后期开始这方面研究的，先后有许多学和研究院所开展了工 作，如哈工大、北京科技大学、清华大学、西北工大、西安交大、东北大学、南 昌大学、中南工大和北京有色金属研究总院等。北京有色金属研究总院已实现了 a 3 5 7 、z l l 0 8 铝合金半固态的半连续流变铸造，并自行设计建成了半固态坯料制 备试验线。同时与东风汽车公司合作，开始进行应用研究，试制出涡轮盘和水泵 盖两个零件，经解剖分析，零件完全合格。华中科技大学开发出了集半固态浆料 制备、输送和注射成形于一体的半固态镁合金流变注射成形机，镁合金半固态浆 料的制备量可达l 4 k g ，浆料的固相率可达1 5 5 0 ，晶粒直径为3 0 5 0 a n ，产 品性能比一般液态压铸提高了2 0 。与美国、英国、法国、意大利、日本等国 家相比，中国在半固态加工技术方面的研究和生产起步较晚，水平也相对较低心乱 2 9 3 0 o 1 4 4 半固态技术成型工艺 半固态加工的主要成形手段有压铸和锻造。也有人试用挤压和轧制等方法。 其工艺路线有二条： 1 ) 将半固态金属浆料( 用电磁搅拌、机械搅拌、溅射沉积等方法获得) 冷却 凝固后下料，再将此半固态金属坯料重新加热到半固态温度进行成形，通常称为 触变成形( t h i x o m o l d i n g ) 。触变成形解决了半固态金属浆料之内与成型设备的 衔接与保存问题，是现今半固态成型的主要工艺。 2 ) 将搅拌获得的半固态浆料在保持其半固态温度条件下，当切应力大于或 者等于屈服切应力时，碎枝晶含量达到5 0 7 0 ( 体积分数) ，金属( 合金) 浆料仍具有液态的性质，能流动，即施加压力就可充填型腔心7 1 。具体的工艺过 程，也就是将预先制好的碎晶金属( 合金) 坯料加热至半固态然后移至金属模具 中直接加工成型，称为流变铸造( r h e o c a s t i n g ) 。1 9 7 2 年，f l e i m i n g s 等人在研 究半固态金属浆料粘性的基础上提出了这种叫流变铸造( r h e o e a s t i n g ) 的新型材 料成型技术。 对于铸造合金的流变性能研究只是近三四十年以来的事，特别是近十多年以 来。流变铸造中，直接获得的半固态金属浆料的保存和输送很不方便，使其工艺 过程控制困难，因而制约了流变半固态成形技术的发展。但其于触变成形相比， 省去了二次加热，生产流程短，节约能源，成本低，仍受到国内外的诸多关注。 流变铸造所使用的为半固态金属( 合金) 浆料，其中含固态晶粒或质点5 0 ( 体 积分数) 以上，也就是说5 0 以上的金属结晶潜热已经消失，这样显著的降低了 金属( 合金) 的温度和热量，减少对金属模具的热蚀作用，能显著提高压型寿命。 半固态金属( 合金) 浆料具有较大的粘性，压铸时无涡流现象，卷入的空气少， 减少甚至消除了气孔、夹杂、缩松等缺陷乜 。 硕士学位论文 1 4 5 半固态加工技术应用范围 半固态加工技术可用于汽车、摩托车、自行车、电子、电器、运动器材等零 部件的近净形制造以及使其轻量化，此外，该项技术还被越来越多地用于航空、 兵器、仪表等工业中主要构件的生产心卜3 0 1 。 半固态加工技术在合金制备领域中的应用起步较早、发展也较为成熟。半固 态加工技术对于铝、镁、锌、铜、镍、钢铁等有较宽液固共存区的合金体系均适 用。尤其是低熔点的铝镁最为适用，因此，目前铝合金及镁合金利用半固态加工 技术，大批量生产其零部件并已获得广泛应用。 半固态加工技术应用交通运输行业，特别是汽车行业，许多零部件用半固态 成形技术来生产，采用这种方法制造机械零件，可以大大改善产品质量、降低能 量消耗、并延长铸型寿命