（有色金属冶金专业论文）多元合金化对锌铝合金性能的影响.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文以z a 2 7 合金为基体合金，复合添加n i 面的量不变，改变s i 和r e 含量， 制备出z a 2 7 s i r e 合金。利用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪等多种现代分析手 段，研究了加入微量元素s i 和r e 后z a 2 7 合金的微观组织、生成相形态及分布， 测试了合金的力学性能、室温油润滑摩擦磨损性能，并分析了相关的作用机制。 加入s i 和r e 后z a 2 7 合金的s e m 分析结果表明，复合加入s i 和r e 后，部 分的树枝晶逐渐转变成短轴晶存在。晶间析出相连续性较好且分布均匀。s i 颗粒 主要以多边形存在于基体组织中，分布较均匀。r e 主要分布于晶界处和枝晶间。 从形貌看，多数块状、粒状，少许星形状，当含量继续增大时会聚集成长条状和 大块状，有的贯穿于晶粒内部。经固溶时效后，原来的细层片组织已基本消失。 同时组织中出现了粒状晶，整个组织由粗层片状和粒状晶组成。 合金的力学性能实验结果表明，随着复合添加s i 和r e 量的增加，合金的抗 拉强度、伸长率呈下降趋势，硬度则呈现先增后降的趋势。当复合加入2 7 w t s i 和0 0 8 w t r e 时，抗拉强度和伸长率分别为3 5 9m p a 和3 1 。当复合加入3 5 w t s i 和0 1 4 w t r e 时，合金的硬度值为1 2 6 i - i b ，较基体合金提高了8 6 。拉伸断口的 s e m 形貌分析表明，合金的断裂形式为部分韧窝+ 部分准解理的混合型断裂。 合金的室温油润滑摩擦磨损实验结果表明，加入s i 、r e 后合金的耐磨性能明 显提高。当复合加入3 5 w t s i 和0 1 4 w t r e 后，相同载荷下，相同时间内合金的 磨损量较未添加任何元素的锌铝合金有明显的减少，摩擦系数较低，摩擦稳定性 提高。由合金磨损表面形貌分析可知，在油润滑条件下，低载荷情况下，z a 2 7 合 金的磨损形式为磨粒磨损，随着载荷的增大，磨粒磨损特征减弱，粘着磨损的特 征更加明显，在较大载荷下合金的磨损机制为磨粒磨损+ 粘着磨损。 经固溶时效处理后，合金的组织和力学性能均有较大改善。随着时效时间的 延长，合金的组织由原先的羽毛状细层片组织逐渐转变为粗层片状和粒状晶组成。 经1 0 0 时效后合金磨损量降低，且随着时效时间延长，耐磨性能逐渐改善。经 6 h 时效后，复合添加s i ：3 5 w t 、r e ：0 1 4 w t 的合金，在3 0 0 n 、6 0 0 n 、9 0 0 n 正 江苏大学硕士学位论文 压力下的磨损量分别比未经时效处理的合金磨损量下降了2 4 、2 1 、2 5 。硬度 值则提高了8 0 为1 3 6 i - i b 。复合添加s i ：2 7 w t 、r e ：0 0 8 w t 的合金经时效处理 后抗拉强度和型变量可达到3 9 7 m p a 和3 4 ，同比提高了1 0 5 和9 6 。 关键词：z a 2 7 合金，凝固组织，力学性能，摩擦磨损性能，固溶时效 江苏大学硕士学位论文 t h ez a 2 7a l l o y su s e di nt h ea r t i c l ea r ep r e p a r e df r o mz a 2 7a l l o yb ya d d i n gs ia n d r ew i t hs a m en i t i t h es o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r e ，t h ef o r ma n dt h ed i s t r i b u t i o no f t h er e s u l t a n t ，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 nw e a rp r o p e r t i e so fz a 2 7a l l o ya f t e ra d d i n g s ia n dr eh a v e b e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ( o n ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，e l e c t r o np r o b em i c r o a n a l y z e r ( e p m a ) a n do t h e rm o d e r n e q u i p m e n t s t h en a t u r e sa n dm e c h a n i s mo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c sh a v e b e e na n a l y z e d t h ea n a l y s er e s u l t so fz a 2 7a l l o ym i c r o s t r u c t u r ea f t e ra d d i n gs ia n dr ei n d i c a t e t h a tt h ee l e m e n tm a i ne x i s ti nz a 2 7a l l o yi nt h ef o r mo fr i c h s ip h a s e ，a f t e ra d d i n gs i a n dr et h ec r y s t a li sf i n e dw e l l ，m o r eh a r dp h a s e sw i t ht h ef i n es i z e sa n dt h ea p p a r e n t p a s s i v a t i n gs h a p e so nt h ee n dw e r ep r e c i p i t a t e d ；t h es ip h a s ee x i s ti nz a 2 7a l l o yi nt h e f o r mo fs ip a r t i c l e s ，t h es ip a r t i c l e sa r en e a rs p h e r e ，a n dd i s t r i b u t eu n i f o r m i t y r ep h a s e e x i s t si nz a 2 7a l l o yt h ec o n t i n u i 哆o ft h es e p a r a t e dp h a s e sa r eg o o d r ep a r t i c l e sa r e f i n e da n dd i s t r i b u t em o r eu n i f o r m i t y r ei sd i s t r i b u t e db e t w e e ni n g r a i n sa n d i n t e r d e n d r i t e f r o mi t sa p p e a r a n c e ，m o s to ft h e ma r em a s s i v e ，g r a i na n df e wo ft h e mi s s t a rs h a p e ，w h e nt h ec o n t e n tg r o w s ，i ti sa g g r e g a t e dt os t r i p ea n dm a s s i v es h a p e ，s o m e o ft h e mi si n t e r s e c t e di ng r a i n s t h ea n a l y s eo ft h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei n d i c a t e st h a t ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n d e l o n g a t i o nb e c o m e sl o w e r ，w h e r e a s ，t h eh a r d n e s sv a l u eg r o w sf i r s t l yt h e nd r o p s w h e n a d d i n 9 2 7 w t s ia n d0 0 8 w t r e , t e n s i l es t r e n g t h a n de l o n g a t i o na r e i m p r o v e dt o 3 5 9 m p aa n d3 1 w h e na d d i n gw i t h3 5 w t s ia n d0 1 4 w t r e , t h eh a r d n e s sv a l u ei s 1 2 6 h b ，w h i c hi si m p r o v e dt o8 6 c a m p a r e dw i t l lm a t r ia l l o y t h ea n a l y s eo ft h es e m o ft h et e n s i l ef r a c t u r es u r f a c es h o wt h a tt h ef r a c t u r em e c h a n i s mi sam i xt y p ef r a c t u r e ， t h ep l a s t i cf r a c t u r ea n dt h eb r i t t l ef r a c t u r ea r ec o e x i s t e n c e o i ls l i d i n gw e a rt e s t sa tr o o mt e m p e r a t u r es h o wt h a tt h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h e a l l o yw i n ls ia n dr ei ss u p e r i o rt ot h a to fi t sm a t r i xa l l o y w h e na d d i n g3 5 w t s ia n d 0 1 4 w t r e ，t h ew e a r i n gs t a b i l i t ya n dt h ew e a r i n gr e s i s t a n c eo ft h ea l l o yi si m p r o v e d c a m p a r e dw i t ht h ea l l o y sw i t h o u tt r e a t m e n t w i t ht h ei n c r e a s eo fl o a d ，t h ew e a rl o s s w e i g h t ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta r ea l li n c r e a s e d ，t h es t a b i l i t yd e c r e a s e d t h ew e a r i n gl o s s w e i g hr e d u c e d ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n tm i n i s h e n ，t h es t a b i l i t ye n h a n c e d t h ea n a l y s eo ft h e w e a rs u r f a c ei n d i c a t et h a ti nt h eo i ls l i d i n gw e a r , i nl o wl o a d s ，t h ew e a rm e c h a n i s mi s m 江苏大学硕士学位论文 a b r a s i o nw e a r , w i t ht h el o a d si n c r e a s e ，t h ea b r a s i o nw e a rw e a k e n e dg r a d u a l l g a d h e r e n c ei n c r e a s e d ，i nl a r g e rl o a d ，t h ew e a rm e c h a n i s mi sa d h e r e n c ew e a ra n da b r a s i o n w e a r a f t e rs o l i d i c a t i o na n da g i n g ，t h em i c 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 sa r e g e t t i n gb e t t e rw 油t h ep r o l o n go fa g i n gt i m e ，m i c o s t r u c t u r ei sc h a n g i n gf o r m f e a t h e r l i k ef i n e rl a m i n a t es t r u c t u r et oc o a r s e rl a m i n a t es t r u c t u r ea n dg r a n u l a rg r a i n w h e na g i n gt e m p e r a t u r ei s1 0 0 ，t h ew e a r i n gl o s sb e c o m e sl e s s ，a n dw i t ht h ea g i n g t i m eb e c o m e sl o n g e r ，t h ew e a r i n gp r o p e r t i e sb e c o m eb e t t e r a f t e r6h o u r sa g i n gt i m e ， t h ea l l o y so fs i ：3 5 w t 、r e ：0 1 4 w t w e a r i n gc a p a c i t ya r el o w e rw i t ha g i n gc o m p a r e d w i mt h ea l l o y sw i t h o u tt r e a t m e n tu n d e rt h el o a no f3 0 0 n ，6 0 0 n ，9 0 0 n ，w h i c ha r et o 2 4 、2 1 、2 5 r e s p e c t i v e l y t l l i eh a r d n e s sv a l u ei m p r o v e st o1 3 6 h b t h ea l l o y sa d d i n g s i ：2 7 w t 、r e ：0 0 8 w t ，w h o s et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nr e a c h st o3 9 7 m p aa n d 3 4 k e y w o r d s ：z a 2 7a l l o y ：s o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r e ：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 nw e a rp r o p e r t i e s ：s o l i d f i c a t i o na n da g i n g i v 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， 同意学位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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密。 学位论文作者签名：公辛荟协 文庙g 年，明馆 指导教师签名：司乃嘲 妒眸i 月y 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：庶徘 日期：渺g 年，月y _ 日 江苏大学硕士学位论文 1 1锌铝合金发展概述 第一章绪论 锌及其合金的发展经历了一个漫长的过程，第一个记载并描述锌的是p a r a c e i s u s ，他指出：有一种为人们谋生的金属叫锌( 狲。它有特殊的来历和性质，有许多 金属与其共生在一起，它的本质对我们来说还未完全认识【。锌远在公元前5 0 0 年 就为人们所知，人们在c a m e r o s 遗址中发现了古人用锌制作的手镯。大约1 6 世纪， 金属锌传入欧洲。有史料证明，锌合金出现于上世纪初期，锌的加工和应用最早起 源于印度，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锌 基合金含6 s n 、5 c u 和0 5 舢。但早期的锌合金易产生晶间腐蚀而过早失效， 在潮湿环境下易开裂，这些不良特性使得锌合金的“不光彩名声长期以来难以摆 脱，导致人们没有给予充分的重视，也难以想象锌及其合金能成为性能优良的工程 材料。随着锌冶炼技术的进步，人们可以得到纯度很高的锌，使改善锌合金的晶间 腐蚀性成为现实。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【2 】。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的应用。上世纪6 0 年代前后，由于塑料工业的兴起，使锌合金 面临竞争与挑战。1 9 5 9 年国际铅锌研究组织i l z r o ( i n t e r n a t i o n a lk a dz i n cr e s e a r c h o r g a n i g a t i o n ) 发起了一项旨在开发新型的、先进的压铸锌铝合金的研究计划，这个 计划促使了薄壁锌铝合金压铸技术和i l z r o 1 6 、i l z r o 1 2 铸造锌铝合金的出现 1 3 , 4 1 。i l z r o 1 2 ( 后经改进发展成z a l 2 合金) 铸造锌合金的蠕变性能与z a m a k 3 和 z a m a k 5 相当，但其铸造性能和力学性能更好。上世纪7 0 年代后期又开发了性能更 好的z a 8 和综合力学性能最佳的z a 2 7 合金。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【5 】。 我国对于高铝锌基合金的研究也比较早，许多科研院所和高等院校在2 0 世纪 7 0 年代末，8 0 年代初也开展了这方面的研究。现在，在综合机械性能和使用性能 方面已达8 0 年代国际上z n - a 1 c u 系列的先进水平，并已成功地用来代替z q p b d 合金做耐磨材料及制造模具等。尽管如此，我国和发达国家相比，在推广应用方 江苏大学硕士学位论文 面差距仍较大。我国富锌缺铜，以锌代铜符合国情，发展高铝锌基合金，使资源 优势变为经济优势，在我国的现代化建设中有着重大的现实意义【明。 1 2 锌铝合金性能特点及研究现状 锌铝铸造合金具有良好的力学性能和耐磨耐蚀性能、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、碰撞时不产生火花、 减振降噪性能和成本较低，正越来越广泛地应用于各个领域，并带来显著的经济 效益。锌铝合金以其低能耗、无污染、原材料丰富以及良好的力学性能、工艺性 能和机械加工性能等一系列优点，已经成为广泛应用的合金材料。由该合金体系 制造的铸件主要用在五个方面；一是构件类，如用于造纸机械、纺织机械、制砖 机械、筑路机械、冶金机械、起重机械、印刷机械、塑料机械及矿山机械等的配 件；二是轴瓦、轴套、滑板及滑块等；三是汽车、拖拉机配件；四是模具类，如 注塑模、吹塑模、压型模、冲裁模；五是装饰工艺品。最近十年来，锌铝合金在 汽车、模具和玩具等行业倍受青睐，已成为研究和开发的热点。锌铝系列合金种 类越来越多，锌铝合金的应用范围越来越广【8 1 0 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 9 1 。 锌铝合金之所以能在短时间内迅速发展，与其良好的使用性能、加工性能和 低廉的成本密切相关。其性能特点概括如下： ( 1 ) 优良的使用性能 1 ) 锌铝合金的力学性能显著优于传统压铸合金，如高铝锌基合金的抗拉强度 比铝合金3 8 0 高约2 0 - 3 5 ，比镁合金a z 9 1 高5 0 , - - - , 7 0 1 10 ，1 1 】，抗拉强度提高 约5 0 ，蠕变强度提高3 4 倍。在有持续应力的条件下，使用温度范围可拓宽到 1 5 0 ，有较高的强度和硬度，而且z a 2 7 合金的比重远小于z q p b d 和黑色金属， 可以达到较高的比强度。 2 ) 锌铝合金的重要应用领域就是在低速重载工况条件下代替铜合金制造耐磨 2 江苏大学硕士学位论文 材料结构件，试验表明，与铝、锡青铜相比，高铝锌基合金具有优良的摩擦磨损 特性【1 2 - 1 4 1 ，如较低的摩擦系数、更大的承载能力、更低的摩擦温升和更宽的液体 润滑特性。经过微合金化后，摩擦系数较青铜和黄铜都小，且承载能力增大。 3 ) 良好的减振性能，无磁性，无火花特性。高铝锌基合金的室温减振性能虽 然比铸铁略小，但比钢和铝合金高得多，而且该合金的减振性能随温度升高和频 率下降明显增大，很适合制作汽车发动机机械零部件。 ( 2 ) 良好的工艺性能 1 ) 高铝锌基合金加工性能十分优良，切削速度可以是铸铁的3 - - 5 倍，刀具 寿命得到延长，且具有流动性好；可进行研磨加工，加工后可根据需要进行镀铬 或阳极钝化处理及化学无电化处理，处理后的表面具有优良的耐腐蚀性，可进行 氢弧焊接【1 5 1 。 2 ) 成型方法广泛，锌基合金产品不仅可用砂型铸造、金属型铸造等常用铸造 方法来成型，而且可以采用压力铸造、壳型铸造、石墨型铸造、石膏型铸造、连 续铸造、半固态铸造、挤压铸造等多种成型方法来制造【1 甜9 1 。任何一个有色铸造 车间都可以根据自己现有生产设备，采用相应的铸造工艺来组织生产。 1 。2 1 锌铝合金的组成及显微组织 锌铝合金基本化学成分为z i l 和，添加元素主要有c ! u 和m g 。其基本成分 及性能见表1 1 刚。 表1 - 1 不同牌号锌铝基合金的化学成分及力学性斛2 1 1 t a b l e1 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l lk i n d sz n i c - a la l l o y s 合金牌号化学成分，铸造方法力学性能 笪垒垒堑鱼! 丛旦主堡曼：经 8 00 80 0 1 5 砂型 2 4 8 2 7 68 2 8 81 - 2 7 _ a 8 - 一 金属型 2 2 1 2 5 58 5 9 01 - 2 8 81 30 0 3 0 乐铸 3 6 5 3 8 69 9 1 0 73 1 0 注：化学成分中余量为z i l 。 3 江苏大学硕士学位论文 由于锌铝合金中合金元素应用较多，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： 砧：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 1 2 、2 2 3 0 范围内，强度和硬度均随含铝量地增加 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相( c u z n 4 ) 。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 i l 中，过量则形成金属间化合物。它能够减轻晶间腐蚀，提 高强度、硬度，但显著降低塑性、韧性，增大热裂、冷裂倾向。 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 i 系中，可形成两个固熔 体：叩固熔体( 几乎是纯锌) 和仅固熔体。其中a 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 i l 而仅有1 7 舢) 。在一定的温度范围和浓 度范围，固溶体可分解为两个同样晶体结构：多锌( 锄) 和少锌( 啦) 的固熔体。 与z n 础相图( 见图1 1 ) 相对应，a 固熔体在2 7 5 c 发生偏析转变a _ 仅l 邯，同时 锌在铝中的溶解度自2 7 5 随温度降低而急剧下降。因此含5 。1 0 的锌合金 的组织是亚共析合金胪共析体( n 邶) 。当快速冷却时，偏析转变可能不进行。a 2 相过冷至室温，该不稳定组织将发生变化( 过冷的眈相分解) ，因而导致制品尺寸 的变化。研究表明，锌铝合金中含有少量的镁，可防止晶间腐蚀，延缓共析反应 过程。但含镁量大于0 1 时断后延伸率急剧下降。铜使锌铝合金产生固溶强化， 并阻碍共析转变，但过量的铜使铸件尺寸不稳定。稀土和钛都可以细化晶粒，使 树枝晶向细团状过渡，从而提高强度和硬度，并显著提高耐磨性。稀土和钛还能 提高相同电极电位，提高晶间耐蚀能力。但是当稀土含量大于0 1 0 ，钛含量大 于0 1 5 时，会析出硬质点相，对性能不利【2 1 1 。 图1 1 为锌铝合金的二元相图，从图中可以看出，有一个共晶发应和一个偏析 反应， 共晶反应为：l 唧历) 玛2 8 历) + 饰棚 ( 1 - 1 ) 偏析反应为：口2 ( 7 8 刎曼型l 气3 1 6 刎+ 叩( o 膈砷 ( 1 - 2 ) 4 一垩蔓盔堂堡主堂垡笙壅 一一 _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ 一 一一 t r h _ _ 、 、百：驴王。 资酴一 q ，一。；j 。 b n 、 ， t t ql l 图1 1z n - a i 二兀合金相图 f i 9 1 1 p h a s ed i a g r a mo ft h ez n - a ia l l o y 1 2 2 锌铝合金的成型工艺及熔化特点 1 2 2 1 铸造锌铝合金的成型工艺方法 ( 1 ) 砂型铸造 锌合金砂型铸造的特点是：浇注温度宽，可在小于6 7 5 的低温下浇注： 铸型的吃砂量较小( 砂子用量为铸铁件的1 2 ) ：打箱时间长，试验表明，锌合 金在5 1 2 0 m i n 范围打箱，对合金的力学性能几乎无影响；砂型的水分含量允 许较宽，浇注温度在5 6 5 7 3 7 范围内，砂型含水量在4 5 8 范围对合金的抗 拉强度几乎无影响【2 2 1 。 底缩是z a 2 7 合金砂型铸造中出现的典型工艺问题【2 3 调。在锌铝合金凝固时， 往往在铸件的底部出现蜂窝状缩孔，有时缩孔的厚度超过铸件厚度的4 0 ，这种 现象称为底缩。底缩的产生与锌铝合金宽的凝固温度区间，组成相的密度差及特 殊的合金液体表面张力有关。含铝量对底缩有重要的影响。z a 8 合金和z a l 2 合金 由于其凝固温度范围较窄，不易发生底缩，但是对z a l 2 ，当合金铸件壁厚较宽及 冷却速度较小时会发生底缩。对厚为1 2 7 m m 、2 5 4 n 蛐及5 0 8 r a m 的z a 2 7 合金板 的凝固试验发现，只有在一定的冷却条件下才底缩产生。影响底缩产生的工艺因 素有：板厚、浇注位置、冷铁及冷铁的尺寸、液体过热温度、平均冷却速度或温 度梯度等。过热度较低及增加冷铁可以提高冷却速度，因而能减少底缩倾向。当 冷却速度达1 5 * c m i n 时，效果最好 2 7 1 。 合金元素对锌铝合金的底缩也产生明显影响。除了铝对底缩有影响之外，还 有许多合金元素对底缩产生影响，加n a 、u 、k 、c a 、b e 和s r 等活泼元素都能在 铸件壁厚处减弱底缩倾向。活泼元素减弱底缩的原因在于，它们能形成过量的浮 5 江苏大学硕士学位论文 渣。在氧化条件下，表面膜以及所形成的浮渣阻碍了液体在枝晶间隙的光滑流动。 因此，它们可以使底缩减弱。m 、z r 和b 元素对锌铝合金的底缩无影响【2 8 】。 ( 2 ) 挤压铸造 挤压铸造是使液体金属在较高机械压力下充型并凝固的一种新的铸造工艺， 它可应用于各种有色、黑色金属及复合材料，获得力学性能高、尺寸精度好的优 质铸件，且易于实现机械化、自动化，因而是一种优质、高效、节能的先进技术。 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、z q p b d 合金等方面己有大量研究并得到较好应用p 3 2 1 。 于海朋p 3 矧研究了挤压铸造z a 2 7 合金的组织与性能，结果表明：挤压铸造显 著提高z a 2 7 合金的力学性能，使强度和延伸率同时提高。挤压铸造减少缩松缺陷， 提高合金致密度，细化和改善组织，减轻偏析是z a 2 7 合金塑性显著提高的主要原 因。抑制a 和卢相的分解，特别是获得过饱和卢相结构是提高z a 2 7 合金强度的主 要原因。 ( 3 ) 半固态铸造 以金属成形工艺对象为固态或液态分为两种，一种是完全的液态成形，即为 常规的铸造工艺；另外一种是完全固态的金属成形，即为锻压或挤压。而半固态 铸造是介于两者之间的加工方法，是指在金属或合金凝固中，以强烈的搅拌是初 生固相碎化，形成流变浆料即固相与液相共存，然后铸造成形的一种材料加工方 法。 半固态铸造分为半固态流变铸造和半固态搅融铸造。半固态流变铸造是利用 熔化的炉料批量制备或连续制备流体浆料，然后直接浇注成形的方法。而半固态 搅融铸造是利用铸造生产所得的锭料重新加热融化，然后压铸成铸件的方法。搅 融性是浆体在一定时间内黏度随剪切率增加而降低的特性。半固态流变铸造往往 与压铸连接在一起，熔体浆液在半固态金属连续制备器中连续或半连续制造出来， 然后定量地将浆液直接送到冷室压铸机的压射室中进行压铸，这种方法称为半固 态挤压铸造。根据半固态浆料制备的方法不同，半固态铸造又可分为机械搅拌、 电磁搅拌、应变诱发熔化激活法等。 半固态铸造的优点是：产品的质量高，其原因是金属在进入压型之前已呈半 固态，气孔及疏松很少，液体的黏度较高，能防止金属的飞溅及吸气；合金的晶 6 江苏大学硕士学位论文 粒较为细小；减小了对成形模具的热冲击，原因是合金本身的温度降低及成形速 度快，还与对压型的热导率降低有关系。半固态铸造技术与传统的铸造技术相比， 以其诸多的优越性而被称为2 1 世纪的金属成型技术【3 5 ，3 6 】。 半固态铸造技术的应用已有很多报道【3 7 删。赵风雷【4 1 】研究了电磁搅拌下z a 2 7 合金在等温搅拌制度下初生相的演变过程和机理，结果表明：搅拌强度、固相体 积分数的搅拌时间对控制合金半固态浆料初生相的形态和分布有重要影响，获得 的半固态搅拌试样的力学性能与经变质处理的结果相近。 游晓绀4 2 】等分别对常规z a 2 7 合金和经机械搅拌得到的半固态z a 2 7 合金在不 同的温度下进行二次重熔挤压成形试验，并对z a 2 7 合金在二次重熔后的金相组织 与挤压成形得到的金相组织进行了分析。结果表明，半固态z a 2 7 合金在3 9 0 4 1 5 下二次重熔，组织中蔷薇状a 枷分离球化，晶粒更加细化，近球形的仅相长 大，边缘更加光滑，此时进行挤压成形挤压应力较小，挤压件的金相组织与外部 品质都较好。 ( 4 ) 压力铸造 压力铸造是将液体或半固态金属在高压下瞬间填充铸型并在短时凝固成铸件 的一种方法。压力铸造自本世纪4 0 年代问世以来，作为一种金属零件接近最后形 状尺寸的精密加工工艺，其发展方兴未艾【4 3 】，从1 9 7 9 年开始，高铝锌基合金压铸 就成了锌铝合金技术一个最具活力的方面。锌铝合金压铸为设计高强、耐磨和轻 质铸件以代替较重材料和成本较高的制造方法提供了唯一的机会m 。 在压铸条件下，锌合金凝固及冷却极为迅速，导致铸件中晶粒细小，具有很 好的机械性能。锌铸件由表面向中心凝固，产生两个不同的区。一个为组织致密 区，一个为普通组织区。在距铸件表面0 3 8 - 0 5 0 m m 处，组织细小而致密。这种 具有致密而细小晶粒组织的部位具有优越的机械性能，因此这种薄层处单位面积 的性能要比其它部位大得多。 压铸锌合金的优点是：熔点低，可延长压铸寿命；不易粘模；铸造工艺好， 可形成各种复杂、薄壁铸件；具有良好的电镀性；具有良好的常温使用性能。与 重力铸造合金一样，其缺点是密度大；易老化；抗蚀性差，易产生晶间腐蚀。 于海朋【4 5 】等人研究了压铸z a 3 5 合金的组织和性能，获得强塑性、耐磨性均 较好的压铸z a 3 5 合金，取得较满意的结果。 7 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 离心铸造 离心铸造是将熔化的金属浇入旋转的铸模中，在离心力的作用下进行冷却、 结晶凝固成型的一种方法，能够使铸模旋转的设备即为离心铸造机。 离心铸造的优点是：液体金属在离心力的作用下结晶，组织致密且机械性能 高；气体及渣子浮在金属液表面，不易产生缩孔及夹杂缺陷，液体在离心力作用 下充型，能够浇铸成型铸件和薄壁铸件；可以不用芯子制出筒形铸件；不采用浇 注系统，铸件出品率高；生产成本低，生产效率高。但缺点是：铸件内部质量差； 容易产生偏析；难以铸造复杂铸件闱。 陈刚【4 7 1 等研究了不同工艺因素和添加剂的加入对离心铸造z a 2 7 合金中铝的 偏析的影响，结果表明，浇注温度、浇注速度和重力倍数对偏析有明显的影响， 加入锰和稀土能有效地抑制铝的偏析。 1 2 2 2 重力铸造的熔化工艺 ( 1 ) 原材料及其准备 熔化锌基合金的主要原料有铝锭、锌锭、镁锭及电解铜板等。原材料在使用 前必须去污及预热。铜元素往往是以中间合金形式加入到合金液体中的，因此在 熔制锌基合金前要熔制铜中间合金。熔制铝铜中间合金时，首先要使铝锭和电解 铜板上的污垢去除并预热。若使用较小的坩锅熔化，还须事前将铝锭破碎小块， 最好用锻工垛刀在锻锤上切开。 ( 2 ) 附加材料 采用木炭作为合金液体的覆盖剂以防止合金的氧化。氯化锌、六氯乙烷及其 它一些无毒精炼剂可以作为锌铝合金的精炼剂用以除气造渣。为了防止杂质特别 是铁渗入液态合金中，要对所用工具事先涂刷涂料。 ( 3 ) 配料方式 假设c 为元素在合金中的含量( 叭) ，m 为炉料总量( k g ) ，p 为合金元素在 熔化中的烧损率，那么合金元素的需要量q ( k g ) 可由下式计算得到 q = c x m 0 一力( 1 3 ) 锌铝中各合金元素在熔化中的烧损率见表1 2 。 8 江苏大学硕士学位论文 堑塑圣q ：兰二兰q ：曼二!竺：兰兰二! q ( 4 ) 熔化设备及工具 由于锌合金熔点低，加热熔化方式较多。常用的有感应电炉、反射炉、坩锅 电阻炉等。坩锅是锌合金熔化的主要工具。如果在坩锅中熔化，必需具有合适的 炉料，采用碳化硅或石墨粘土均可。如果用反射炉，采用普通耐火砖及耐火粘土 即可。因为锌铝合金中的铝易于铁发应形成有害的化合物如f e a l 3 ，因此最好不要 使用铁坩锅熔化锌铝合金。已经知道，锌铝合金中有害锌相及富铝相，由于它们 的比重不同，在熔化中会出现元素的偏析。因此，熔体在浇注前要有较好的搅拌 措施。有芯感应电炉熔化有自动搅拌熔体的作用，对无芯感应电炉的熔体需要稍 加搅拌即可浇注。对反射炉或电阻坩锅炉熔制的熔体在浇注前要整体搅拌。 1 2 2 3 合金的熔化及浇注工艺特点 重力铸造合金的熔化方法有中间熔化法及直接熔化法。中间熔化法是将所加 合金元素事先熔制成中间合金，其特点是防止元素的氧化。根据需要一般须先制 成铝铜中间合金，然后用中间合金熔制锌基合金。直接熔化法是一种直接加入所 需金属的方法。采用这种方法配制合金的缺点是温度高，锌极易被氧化，所产生 的氧化锌对人体健康不利。 因此，在生产z a 2 7 合金的电炉熔炼时有人采取下列方式：在备料时，铜以厚 度为3 m m 的小薄条加入，长度不得超多炉膛直径的2 5 。所有炉料均需在1 5 0 烘烤3 0 m i n 以去除油污。配料按锌烧损5 w t 、铝烧损5 w t 及镁烧损2 5 计算。 铜烧损忽略。熔炼时先加入铝块，注意不要过热，然后加入铜条及锌块。最后加 入镁块。合金用0 5 的氯化锌精炼。浇注温度为5 5 0 6 0 0 炉前检验采用断口分析， 银白色及灰白色为合格【铝】。 也有人推荐含铝2 1 - 一2 8 w t ，含铜2 3 w t 及含镁0 0 1 , 4 ) 0 3 5 w t 的锌铝合金 的配制为：配料按锌烧损l 一3 w t 、铝烧损5 - 2 0 w t 及镁烧损1 0 。3 0 w t 计算。 熔炼顺序为：先进行炉料及工具的准备，然后加料并熔化，接着用0 1 - 4 1 5 w t 的 精炼剂及0 0 5 0 0 7 w t 的变质剂进行处理。变质剂的主要成分为r e - 4 5 。熔炼温 度控制在5 8 0 , , , 6 0 0 。c ，过热温度在6 0 。8 0 c 范围。浇注温度在5 1 0 。5 2 0 。c 。实践表 9 江苏大学硕士学位论文 明，温度高于6 0 0 c 会造成元素大量烧损，还会引起严重吸气。处理温度低于5 8 0 c ， 会使精炼、变质、炉前检验及静置时间不够，夹杂不易排除。回炉料不宜超过 2 0 w t 。实践表明，回炉料过多会降低材料的延伸率【4 9 】。 锌铝合金的液相线温度分别为：z a 8 4 0 4 c ；z a l 2 - 4 3 2 ；z a 2 7 4 8 4 。浇 注前的过热度以4 0 8 0 为好。浇注温度取决于合金类型、合金液体在铸型中的流 动长度、( 铸型内) 铸件的厚断面尺寸、内浇口的相对位置以及造型材料等因素。 温度过低，则合金及充型能力变差；温度过高，则影响凝固形式及造成晶粒组大。 另外当合金液体温度超过7 0 0 。c ，会产生锌烟( 氧化锌) 。建议浇注温度不要超过 6 5 0 。c 5 0 】。 总之，锌合金的熔化工艺特点为：熔化设备使用范围广，可使用感应电炉、 电阻坩锅炉、燃油坩锅炉、燃气坩锅炉及燃焦坩锅炉等，但主要用前两者；熔化 工艺简单易行，无需专门的造渣及除气处理，也无需使用专门的覆盖剂；熔化速 度快，熔化效率高，能源消耗少；为限制有害杂质的带入，要求原料的纯度高， 另外在备料时炉料要与铝合金、铜合金隔离放置；熔化过程要上下搅动以避免比 重偏析；熔化要迅速，不易过分过热。鉴于这些特点，熔化时特别要注意如下事 项：保持容易洁净，原材料要纯，要清洁，凡是与液态金属接触的容器或工具 都应刷有涂料，防止容器或工具上的杂质进入溶液；避免水汽存在，所用工具 如各种勺、搅拌棒、金属型等在使用时都应烘干预热以去除水汽，防止工作中出 现液体飞溅伤人事故以及产品气孔缺陷，预热温度一般在2 0 0 左右；严格控制 浇注温度。 1 2 3 锌铝合金的凝固特性 锌铝合金凝固特性研究中首先遇到的问题是使用的锌铝合金相图哪个更准 确，两种z n 二元相图的最大区别就在于是否存在包晶反应。3 0 年代早期研究 者认为存在包晶反应；而4 0 年代及5 0 年代的研究所得结论认为根本不存在所谓 的包晶反应；从近期的研究来看，包晶反应是存在的。 7 _ a 2 7 合金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舢初 生a 相，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 c 时，发生包晶反应，包晶转变结束后，初生a 相并未完全消失，液相成分逐 渐移向共晶点，从而使剩余之液相转变为沿声晶界分布的网状共晶体( 斛叩) 组织。 1 0 江苏大学硕士学位论文 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( 叩咿d 【5 1 1 。 锌铝合金中的铸造缺陷： ( 1 ) 宏观偏析 z 1 1 合金用压力铸造或重力铸造，其强度随含铝量的增加而提高。7 0 年代 发展起来的z a 2 7 合金具有近1 1 0 的凝固温度范围，高铝锌基合金完全为糊状凝 固，凝固过程中形成网状枝晶，没有清晰的凝固前沿。 高铝锌基合金凝固时，首先凝固的是富铝相，因为它的密度比剩余液相小， 引起富铝枝晶上浮。最初形成的枝晶上浮速度可达5 2 1 m m s 5 2 1 ，但是铸体凝固 接近固相线时，枝晶含锌量增多，合金液的粘度也增大，上浮速度则减小。当固 相析出约5 0 时，枝晶上浮受到遏制，固相量达7 0 时，枝晶上浮停止。 合金的两个主要组元锌和铝密度差异很大，凝固过程中最先析出富铝0 t 相经 微区分析，含铝量可高达5 7 ，其密度比母体合金液小，要上浮。而合金的宽结 晶间隔不仅决定了先析出的a 相中铝含量较高，上浮倾