（材料加工工程专业论文）si、bi、sb对za40合金组织及性能的影响.pdf

摘要 si 、bi 、s b 对z a 4 0 合金组织及性能的影响 摘要 锌铝合金作为减摩耐磨材料，具有很大优势，主要在机械行业代替铜合金制造 轴承、轴瓦等材料具有良好的经济效益。由于z a 2 7 合金中硬质点相的种类少，硬度 低，因此提高锌铝合金中硬质点相的数量和种类，以在更大的范围内替代铜合金成 为更重要的研究内容。含硅的高铝( a l 2 7 ) 锌基合金有着较高的力学性能和远大 于z a 2 7 合金的耐磨性能，但随着合金中含硅量的提高，大量的块状初生硅相的析出 使合金综合性能下降，并且随着合金中铝含量提高，合金的“老化 现象越严重。 本文在z a 4 0 合金中加入b i 、s b 元素，通过s i a i i ：匕来控制合金中s i 含量，并采用新变 质工艺，旨在提高z a 4 0 合金的综合性能以及改善合金时效后的尺寸稳定性。 试验采用光学金相分析( o 旧，扫描电境( s e m ) 、能谱分析( e d s ) 、x 射线分析 ( ) ( 1 m ) 、力学性能、耐磨性、尺寸稳定性等分析和测试手段，较系统地研究了b i 、 s b 对z a 4 0 合金显微组织和力学性能的影响及作用机理。研究的主要结果如下： l 、在含硅的z a 4 0 合金中，当s i a 1 9 ( 含s i 3 6 w t ) 时，合金中出现多角状 初生s i ，随着s 淞1 比的增大，合金中初生s i 数量增多，形态恶化；综合考虑，s i a i 比为9 ，即z a 4 0 合金中含s i 量为3 6 w t ，合金的综合力学性能最好，抗拉强度为 3 9 0 m p a ，硬度为1 5 1 h b ，伸长率为1 0 ，冲击韧性为5 7 6 j e i n 2 ，其磨损量最小，为 0 0 0 3 3 9 ，仅为标准z a 2 7 的1 0 8 6 ；随着s i a i 比的提高，合金在1 5 0 。c 和室温下的尺 寸变化率降低，即尺寸稳定性提高。 2 、在s i a l 比1 5 的z a 4 0 合金中加入b i 元素，x r d 检测到所有相和组织为a 相、初生s i 相、相、纯b i 相、共析体( 0 【加) 。在金属型快速凝固过程中，除少量 b i 固溶到q 相中外，大量b i 以纯b i 相分散在基体中。加入1 0 b i 对合金中初生s i 细化作用最佳，合金的综合力学性能也最佳，硬度为1 3 4 h b ，冲击韧性为4 1 5 j c m 。2 ， 比不加b i 的z a 4 0 合金提高1 5 6 ：在s i a 1 比1 5 的z a 4 0 合金中加入o 5 b i ， 其磨损量为标准z a 2 7 的1 3 8 ，为不加b i z a 4 0 合金的3 3 6 ，这主要是b i 的自 润滑作用引起的。 3 、b i 元素含量对含硅z a 4 0 合金室温尺寸变化率有显著影响，含b i 量1 o 合金尺 寸变化率绝对值最小，为0 0 8 4 3 9 6 0 ，比不n b i 的z a 4 0 合金减d x 7 9 3 。在1 5 0 条件 s i 、b i 、s b 对z a 4 0 合金组织及性能的影响 下，b i 含量、s i a l t 匕及他们的交互作用均对试验结影响不显著，相比之下，s i a 1 l l 对试验结果起主要影响作用。 4 、在含硅的z a 4 0 合金中加入s b 元素，x r d 检测到所有相和组织为0 c 相、初生s i 相、相、s b 与z n 形成z n 3 s b 4 化合物相、共析体( 0 【加) 。s b 与z n 形成的z n 3 s b 4 化合物抑 制a 相生长，从而细化仪相枝晶，加入1 8 s b 对合金中初生s i 细化作用最佳；加入1 8 s b 时合金综合力学性能最好，合金硬度1 5 3 h b ，韧性为3 7 0j c m 。2 ，比不 j h s b 合金韧 性提高3 1 ；在s i a i 比1 5 的z a 4 0 合金中加入0 5 s b ，其磨损量为标准z a 2 7 的2 6 ， 为不j j n s b z a 4 0 合金的6 3 2 。 5 、s b 含量对含硅z a 4 0 合金室温尺寸变化率有显著影响，在含硅的z a 4 0 合金中 加入1 o 的s b ，合金尺寸变化率绝对值最小，为0 0 0 9 0 0 ，比不h l l s b 的z a 4 0 合金减 d 9 7 7 ；在1 5 0 时，所有试验因素( s b 含量、s i a 1 l l 及他们交互作用) 对合金尺 寸变化率影响均不显著，相比之下，s b 含量对试验结果起主要影响作用。 关键词：z a 4 0 ；s i a i 比；b i ；s b ：微观组织：力学性能；耐磨性；尺寸稳定性 a b s i 。r a c 。l e f f e c to fb i 、s bo nt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fz a 4 0a l l o yw i t hs i l i nh o n g b i n ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx i al a n t i n g a b s t r a c t z n a ia l l o yh a sag o o da n t i - f r i c t i o na n dw e a r - r e s i s t a n c e ，m a i n l yb e i n gi n p l a c eo fc o p p e ra l l o yt op r o d u c t m e c h a n i c a lb e a r i n ga n db u s h i n gw i t hag o o d e c o n o m i cr e t u r ni nm a c h i n e r yi n d u s t r y z a 2 7a l l o yh a sas m a l ln u m b e ro f h a r dp a r t i c e sa n dl o wh a r d n e s s ，s oi ti sb e c o m i n gi m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n t t ot a k ep l a c eo fc o p p e ra l l o yb yr a i s i n gt h en u m b e ra n dt y p eo fh a r ds p o t s p h a s ei nt h ez n - a la l l o y t h eh i g ha 1 一z i n ca l l o y ( 砧 2 7 ) w i t hs ih a sg o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df a rg r e a t e rw e a r - r e s i s t a n c et h a nz a 2 7 ，b u tp l e n t y o fb l o c k yp r i m a r ys ig i v er i s et oa l l o yc o m b i n a t i o np r o p e r t yr e d u c t i o nw i t h i n c r e a s i n gs i l i c o nc o n t e n ta n da l l o y s a g i n g b e c o m em o r es e r i o u sw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ea 1c o n t e n ti nt h ea l l o y i nt h i sp a p e r ，b ia n ds be l e m e n t sw e r e a d d e di n t oz a 4 0a l l o y , t h r o u g hs i a 1r a t i ot oc o n t r o lt h es ic o n t e n to fa l l o y , a d o p t i o no f n e wm o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , i no r d e rt oi m p r o v ec o m p r e h e n s i v e p r o p e r t ya n ds e a s o n e dd i m e n s i o ns t a b i l i t yo f z a 4 0 a l l o yw i t hs i i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee f f e c t so f b ia n ds ba d d i t i o n s o nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dc o m b i n a t i o np r o p e r t yo fz a 4 0a l l o ya r es y s t e m a t i c a l l y s t u d i e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ， x r a yd i f f r a c t o m e t e r ( x r o ) ，e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) ， m i c r o h a r d n e s s ，t e n s i l et e s t ，i m p a c tt o u g h n e s se t c t h em a i nr e s e a r c hw o r k a n dc o n c l u s i o n sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 、p o l y g o n o u sp r i m a r ys ia p p e a r e di nt h ez a 4 0a l l o ys t r u c t u r ew h e n t h e s i a 1 9 ( s i3 6 w t ) ，m o r e o v e r , t h en u m b e ro fp r i m a r ys ii n c r e a s e da n dt h e s h a p eo fp r i m a r y s iw o r s e n e dw i t hi n c r e a s i n g s i a 1 c o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o n ，t h ec o m b i n a t i o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r eo p t i m u m w i t hs i a 1 u pt o9 ，t h et e n s i l es t r e n g t h3 9 0 m p a ，h a r d n e s s151h b ，e x t e n s i b i l i t y1 o ， i m p a c tf l e x i b i l i t y5 7 6 j c m z t h ew e a r i n gc a p a c i t yo f s i a i9 z a 4 0 a l l o yi sm i n i m u m0 0 0 3 3 9 ，o n l y10 8 o fs t a n d a r dz a 2 7a l l o y d i m e n s i o n ； s i 、b i 、s b 对z a 4 0 合金组织及性能的影响 c h a n g er a t i oo fz a 4 0a l l o yd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gs i a 1 2 、w h e nb iw a sa d d e di n t ot h es i a 1 15 z a 4 0a l l o y , t h e m i c r o s t r u c t u r eo fa l l o yc o n s i s t e do fap h a s e ，p r i m a r ys i ，p h a s e ，p u r eb i p h a s ea n de u t e c t o i d ( a + 1 1 ) b yx r d d e t e c t i o n m u l t i t u d eo fb ie x i s t e di nt h e m a t r i xa sp u r em a s se x c e p th a n d f u lb is o l u t i o n 仪p h a s eu n d e rd i ec a s t i n g r a p i ds o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n w h e n1 o b i i s a d d e d ，p r i m a r y s iw a s e v i d e n t l yr e f i n e da n dc o m b i n a t i o np r o p e r t i e so fz a 4 0a l l o ya r eo p t i m u m ，t h e h a r d n e s s13 4 h b ，i m p a c tf l e x i b i l i t y4 15 j c m z ，i n c r e a s e d15 6 t h a nn o a d d i n gb ia l l o y w h e n0 5 b ia d d e d ，t h ew e a r i n gc a p a c i t yo fz a 4 0i s 13 8 o fs t a n d a r dz a 2 7 a l l o ya n d33 6 o fn oa d d e db iz a 4 0 a l l o ya sr e s u l t o fb is e l f - l u b r i c a t i n ga c t i o n 3 、b ie l e m e n ti sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c ef a c t o ro nd i m e n s i o nc h a n g er a t i o a tr o o mt e m p e r a t u r e d i m e n s i o nc h a n g er a t i oo fa l l o yi st h es m a l l e s tw i t h a d d i n g1 o b i ，o n l y0 0 8 4 3 ，d e c r e a s i n g7 9 3 t h a nn oa d d i n gb ia l l o y t h ee f f e c to fa l lt e s tf a c t o r s - - b ie l e m e n t ，s i a la n dt h e i ri n t e r a c t i o n ，i s i n s i g n i f i c a n to nd i m e n s i o nc h a n g er a t i oa t 15o b yc o n t r a s t ，si a 1i st h e m a i nf a c t o rt h a ta f f e c td i m e n s i o nc h a n g er a t i oa t150 c 4 、w h e ns b w a sa d d e di n t ot h ez a 4 0a l l o yw i t hs i ，t h em i c r o s t r u c t u r eo f a l l o yc o n s i s t e do fap h a s e ，p r i m a r ys i ，p h a s e ，z n 4 s b 3c o m p o u n dp h a s e a n de u t e c t o i d ( 仅却) b yx r dd e t e c t i o n s ba n dz nf o r mz n 4 s b 3c o m p o u n d t h a tc a nr e f i n e0 cp h a s ea sar e s u l to fi n h i b i t i n gg r o w t ho f 仪a r b o r e s c e n t s t r u c t u r e w h e n1 8 s bi sa d d e d ，p r i m a r ys iw a se v i d e n t l yr e f i n e da n d c o m b i n a t i o np r o p e r t i e so fz a 4 0a l l o ya r eo p t i m u m ，t h eh a r d n e s s15 3 h b ， i m p a c tf l e x i b i l i t y3 7 0 j c m ，i n c r e a s e d3 1 t h a nn oa d d i n gb ia l l o y w h e n o 5 s ba d d e d ，t h ew e a r i n gc a p a c i t yo fz a 4 0i s2 6 o fs t a n d a r dz a 2 7 a l l o y a n d6 3 2 o fn oa d d e ds bz a 4 0a l l o y 5 、s be l e m e n ti sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c ef a c t o ro nd i m e n s i o nc h a n g er a t i o a tr o o mt e m p e r a t u r e d i m e n s i o nc h a n g er a t i oo fa l l o yi st h es m a l l e s tw i t h a d d i n g1 o s b ，o n l y0 0 0 9 0 0 o o ，d e c r e a s i n g9 7 7 t h a nn oa d d i n gs ba l l o y t h ee f f e c to fa l lt e s tf a c t o r s - - s be l e m e n t ，s i a la n dt h e i ri n t e r a c t i o n ，i s i n s i g n i f i c a n to nd i m e n s i o nc h a n g er a t i oa t15 0 b yc o n t r a s t ，s be l e m e n ti s i v a b s t r a c t t h em a i nf a c t o rt h a ta f f e c td i m e n s i o nc h a n g er a t i oa t15 0 。c k e y w o r d s ：z a 4 0a l l o y ；s i a ir a t i o ；b i s m u t he l e m e n t ；a n t i m o n ye l e m e n t ； m 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 y ；w e a rr e s i s t a n c e ； d i m e n s i o ns t a b i l i t y v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：一雠 日期：颦：查：翌 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：茴墅量日期：兰! ：兰：三! 导师签名：及至塾日期：兰= 2 ：三：三兰 第一章综述 第一章综述 1 1 锌铝合金的发展状况 锌的矿物储量在全球居第三位，仅次于铝和铜。锌铝合金具有许多优良的特性， 比如密度较低、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 磁性以及碰撞时不产生火花等；同时，锌铝合金熔点低、耗能少、成本低廉、成型 方便且无污染，适用于多种铸造方法，但是，锌铝合金也存在塑韧性差、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 点以便提高锌铝合金的综合性能，扩大其应用范围进行不懈努力。目前，锌铝合金 在美、英、日、加、德、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。 1 1 1 国内发展状况 我国是世界上锌资源最丰富的国家，储存量占世界总储量的4 6 ，不仅能满足 国内的需求，而且还可大量出口。明代天工开物一书曾记载，我国是世界上最 早使用金属锌的国家，明代已能大量生产，把锌称为“倭铅 ，作为锡和铅的代用 品用于制造印刷铅字。建国初期，锌铝合金主要作为压铸合金使用。7 0 年代末鞍山 钢铁公司开始用z a 2 7 合金取代锡青铜制造轴承滑块，提高使用寿命并降低了成本。 江苏海安重型剪床厂采用z a 2 7 合金生产滑动轴承，成本仅为原来的2 8 2 6 。上世 纪9 0 年代至今，科研工作者对锌铝合金的发展作了大量的工作。江苏理工大学的张 成华等研究了合金元素s i 对z a 2 7 合金耐磨性能的影响；甘肃工业大学的陈体军2 】 等对z a 2 7 合金的微观组织作了详细阐述；西安理工大学的黄俊【3 】等研究了稀土变质 高锌铝合金的组织和性能；武汉科技大学潘应君【4 】等研究了z n 舢合金在长江水中的 耐蚀性；广西大学的司家勇1 5 j 等对z a 2 7 高温冲击性能作了深入研究等等。通过对微 观组织的研究、加入不同合金元素以及改变工艺来提高锌铝合金的强度、耐磨性、 耐蚀性等各种性能。 在锌加工方面，我国具有很大的资源优势，具有很好的前景。党的十六大指出 我国应走新兴工业化道路：坚持信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走一条 科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源得到充分发挥的新 型工业化路子。我国锌加工工业必将迅速健康的发展。具体措施如下【6 】： ( 1 ) 调整重组将使优势企业规模扩大实力增强 s i 、b i 、s b 对z a 4 0 合金组织及性能的影响 党的改革、调整、重组的经济政策推动下，我国的锌加工工业改变了原来以几 个产量上万吨的国有企业为主的格局，出现了多种经济性质的企业共同发展的格局。 随着企业的重组和市场的竞争，出现了规模大、实力强、集约化程度高、技术优、 品种多的龙头企业。国内已有锌带连铸轧机系列和9 0 t 的有芯感应炉的先进生产技术， 可以适应市场需求，替代进口，进而出口。 ( 2 ) 开展高技术、高附加值的新材料 我国的锌加工业大量生产电池锌饼，支持我国成为电池产量和出口均居世界第 一功不可没，但是电池锌饼是技术含量不高的粗加工产品，增值不大。锌加工冶金 企业，应当发挥自身优势，开发高技术、高附加值的新产品、新材料来代替铜产品。 超塑性的锌铝镁合金是高科技产品，但若只生产板材，则产量、产值和利润不可能 高。北京超塑性新技术公司不限于生产板材，最主要的是超塑成型机械难以加工制 造的复杂制品。这已经成为我国锌加工业科技含量高、深加工程度大、附加值高的 典范。 ( 3 ) 采用先进适用的技术 应当根据我国锌加工工业的情况，选用先进的制造技术。先进国家的新加工工 厂都选用感应电炉一双钢带式连铸轧生产锌带，生产的锌板、带、片、箔、饼、筒产 量大、质量好、消耗低。广州锌片厂引进双钢带式连铸机和国内的配套设备组成生 产线。广州番禺大石联益五金厂研制四轮轮带式连铸轧生产线，设备包括1 2 t 柴油炉、 轮带式连铸机、自动升降架、仪态大转矩两辊热轧机、飞剪机、卷取机和电气系统， 连铸锌带经过一道次的热连轧，便成各种规格的电池锌饼厚度，不必去毛边。这将 大大提高我国锌加工企业的机械化及自动化。 1 1 2 国外发展状况【7 - 1 1 】 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 1 ) ，用于制造印刷铅字。1 9 3 0 年左右，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。二战期间，德国为解决铜资源紧缺问 题，成功地用重力铸造锌铝合金代替铜合金制造轴瓦、轴套等轴承材料。1 9 5 9 1 9 6 2 年，国际铅锌组织i l z r o 发起了一项旨在开发新型的、先进的压铸锌铝合金研制计 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 铸造锌合金的出现， i l z r o 1 2 ( 后经改进发展成z a l 2 合金) 的蠕变性能与z a m a k 3 和z a m a k 5 相当， 2 第一章综述 但其铸造性能和力学性能更好。上世纪7 0 年代中期，加拿大的n o m d am i n e sl i m i t e d 研究中心与美国的e a s t e r n 公司合作，相继研制出了z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 合金，这 三种合金具有机械性能好、耐磨性高、节能等一系列优点，同时还有良好的工艺性 能，不仅可以用于压铸，还可以用于砂型、金属型、石墨型、连铸等，应用越来越 广泛，尤其是z a12 和z a 2 7 合金用于取代铜合金在低速、中温条件下在轴承轴瓦应用 领域发展飞快。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、系列化的年代。目前，工业上已部分代替青铜、黄铜、铸铁等作为结 构材料，同时在作模用材料及其它领域的应用也在开发和拓展。2 0 0 3 年，日本神户 制钢所研制纳米微细结晶粒锌铝合金已用于大阪市旅馆的防震装置。据介绍，这种 合金在遇到外力突然撞击时会像口香糖一样伸缩，因此在交通事故和地震突然发生 时，它可以减少外力的冲击。为进一步扩大用途，除汽车材料外，神户制钢所正探 讨这一合金作为桥梁和私人住宅防震材料的加工方法。 1 1 3 锌及锌铝合金的发展动态 1 2 - 1 6 l ( 1 ) 锌电极材料 锌由于来源丰富、价格便宜、毒性低、比能量高、单电极电位低等优点成为碱 性锌锰、锌空气、锌镍、锌氧化银等电池的负极材料。尤其在碱性条件下，锌电极 的电化学性能十分优越，与传统的镉镍、铅酸电池相比，锌电池除了具备较好的电 性能外，锌可以回收利用，避免环境污染。近年来，锌空气电池的研究又成为了热 点。锌空气电池以空气中的氧气为正极活性物质，锌为负极材料，碱性溶液为电解 液。电池反应为：z n + 0 2 一z n o 。电池反应中消耗的氧来源于空气，电池容量取决 于锌负极的锌容量。锌空气电池作为手机电池，其通话时间比镍氢、锂电池长5 1 0 倍，待机时间可达4 5 d 以上。国外一些电动车公司开发了机械再充式锌空气电池，只 需要更换锌极板与补充电解液就能使电池重新工作，每次补充燃料后，可驱车行驶 4 0 0 k i n 以上。 ( 2 ) 纳米材料 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。材料在室温下的热稳定性对产品的制备至为关键，共晶z n a 1 合金在 室温下以富铝相( 0 【) 与富锌相( t 1 ) 稳定存在，0 和1 1 两相在常温下的体积比大致为4 3 5 7 ，因此具备制备纳米晶z n a 1 合金的条件。通过常规热处理和塑性变形，合金的 3 s i 、b i 、s b 对z a 4 0 合金组织及性能的影响 晶粒尺寸可达到0 5 l u m 。 ( 3 ) 锌基复合材料 上世纪9 0 年代，随着复合材料的兴起，国内外纷纷发展短纤维晶须或颗粒增强 的锌铝基复合材料的研究。锌基复合材料克服了锌基合金耐高温性能差、热膨胀系 数大等用其他常用方法难以克服的弱点。研究表明，纤维对合金耐磨性的改善不如 相同材料在相同尺寸级别下的颗粒效果好。陈锋等进一步对高能超声振动制作的s i c 颗粒增强的z a 2 7 基复合材料的摩擦磨损性能进行研究，结果表明其耐磨性比基体合 金提高3 倍，高温强度比基体合金提高4 0 - - 5 0 。 1 2 铸造锌铝合金的组织与性能 1 2 1 锌铝合金的显微组织【1 7 - 2 1 】 锌是具有低熔化温度( 4 1 9 。c ) ，低汽化温度( 9 0 6 。c ) 及高密度( 7 1g c m 3 ) 的 金属，晶体点阵为六方点阵，无同素异构转变，锌的电化学次序在铬、铁之前，标 准电极电位为0 7 6 3 v ，易和c l 。、o 五等离子化合。铝是锌合金中的最重要元素之一， 铝的主要特性是密度小，只有钢的1 3 ，良好的导电导热性，由于铝能形成致密的氧 化铝膜，在大气、水及部分腐蚀介质中具有耐蚀性，良好的塑性，具有可焊性。在 铸造锌铝合金中研究发现铝与一定比例的锌熔合能明显改善流动性、细化铸件晶粒 结构并因此提高合金的力学性能。锌铝合金中主要的添加元素还有铜和镁。图1 1 为 z n - a i 二元相图，有相图可知，锌铝在液态下无限互溶，在固态下有限互溶。锌在铝 中的溶解度为1 1 4 w t 。成分为8 6w t z n 的合金液在4 4 3 和成分为7 0w t z n 时 的口相互作用生成7 2 w t z n 的p 相，即发生包晶反应，1 3 相为富锌的面心立方结构。 成分为9 4 9w t z n 的合金液在3 8 2 时发生共晶反应，形成富锌的具有密排六方晶 格的”相( 含9 8 9w t z n ) 和1 3 相( 含8 2 8w t z n ) 组成的共晶体。在2 7 5 ，1 3 相进行共析转变，生成0 c 相及t 1 相。z a 2 7 合金的铸态组织一般是由树枝状白色或灰 色的仅固溶体+ 灰色的片状共析产物( 0 【+ r 1 ) + 沿晶界呈网状和粒状分布的相( 含铜 相) 组成的。 在铝锌二元相图中有一条调幅分解线。在铝锌二元相图共析侧存在有a 和0 【的两 相区，表明冷却时单相固溶体分解成晶体结构相同而成分不同的两相混合物。图中 两相区内的a 。和o 【是平衡的，所以自由能曲线必有一公切线存在。两极小值之间，曲 线有一极大值。在两个拐点之间的成分范围内，d 2 g d c 2 0 ，称为拐点区。各温度 下拐点连成的曲线就是调幅分解线。a 。相和0 【相皆为面心立方体。 4 第一章综述 厶伽吨h 乏 ii i l x 二i i 卜 _ 、 tf i i l 。 。，3 。 一 o j 矗、 1 。r 一。， i 一一，7 珥- li n ! 1 l4 - i q 气 露#铒 、 1 | 霉 k ，弋d i i _ 4 n 、 | | t o i 4 0羽 洳i - m ， l 目n z n 图1 1 触z n 二元合金相图 f i g1 1b i n a r yp h a s ed i a g r a m o fa la n dz n 1 2 2 铸造锌铝合金的类型 铸造锌铝合金按铸造方法可分为压铸合金和重力铸造合金两大类；若按用途来 分，可分为仪表用合金、阻尼合金、模具耐磨合金及零件耐磨合金等。目前国际上 用作铸件的标准系列有两大类，一类是z a m a k 合金，一类是z a 系列合金。使用的 z a m a k 合金有z a m a k 2 、z a m a k 3 、z a m a k 5 及z a m a k 7 ( 为方便起见，下文统 称上述合金为2 号、3 号、5 号、7 号合金) 。z a 系列有z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 及z a 3 5 。 表1 1 和表1 2 分别给出重力铸造和压力铸造锌铝合金的化学成分2 2 1 。 表1 1 重力铸造锌铝合金化学成分( 叭) t a b l el 一1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc a s t i n gz n a ia l l o y z a 8 8 0 - - 8 8 0 0 1 5 , - - , 0 30 8 1 30 10 0 0 40 0 0 30 0 0 2 z a l 21 0 5 1 1 50 0 1 5 0 30 5 - 1 20 0 7 50 0 0 40 0 0 30 0 0 2 其余 z a 2 7 2 5 0 - - - 2 8 0 0 0 1 0 22 0 - - - 2 50 10 0 0 40 0 0 30 0 0 2 s i 、b i 、s b 对z a 4 0 合金组织及性能的影响 表l - 2 压力铸造锌铝合金的化学成分( 叭) t a b l e1 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fd i ec a s t i n gz n a 1a l l o y 2 拌合金3 5 9 - 4 3o 0 2 0 0 52 6 0 0 7 50 0 0 40 0 0 3o 0 0 2 3 撑合金 3 9 4 30 0 2 0 0 50 10 0 7 50 0 0 40 0 0 30 0 0 2 5 捍合金 3 9 - 4 30 0 3 0 0 60 7 1 2 50 0 7 50 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 苴全 ， f 哪、 7 群合金3 9 4 30 0 1 o 0 2o 0 10 0 7 50 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 1 z a 88 0 8 80 0 1 0 0 3 0 8 1 30 10 0 0 40 0 0 30 0 0 2 z a l 21 0 5 1 1 50 0 1 0 0 30 5 1 2 50 0 7 50 0 0 4 0 0 3 0 0 0 2 z a 2 72 5 2 80 01 - 0 0 22 0 2 5o 10 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 z a 8 主要用于热室压铸，z a l 2 及z a 2 7 有特殊的熔化要求，只能用于冷室压铸， z a 3 5 一般用于重力铸造。z a m a k 合金的发展要先于z a 系列合金，主要用于压力铸 造。3 - g - 合金是锌铝合金压铸件的首选材料，5 - g - 合金的强度及硬度高于3 号合金，但 其韧性降低了，5 号合金性能的改变是因为它比3 号合金多加了1 吼的铜，该合金具 有良好的铸造性能，抗蠕变性能比3 号合金优越。7 号合金是在3 号合金中加入了少量 镁的改进材料，加镁是为了提高流动性，为了降低晶间腐蚀，还加了少量的镍。z a 8 合金l l z a m a k 系列大多数合金的强度、硬度及蠕变性能高，在使用中，3 号及5 号合 金难以满足要求时，可以用z a 8 合金代替。z a l 2 是一种多用途合金，即可用于压铸， 也可用于重力铸造，在压铸方面，它比乙地7 合金的成品率高，压铸材料的延伸率、 冲击性能也较高，该合金的轴承性也较好，但它的表面涂镀较z a m a k 系列合金差。 z a 2 7 合金是用于重力铸造及压力铸造的高强度锌合金，其重量较轻，具有良好轴承 性及耐磨性，但该合金熔化铸造时需注意避免铸件的内部缺陷，另外，在有较高的 6 第一章综述 尺寸要求时需进行必要的稳定化处理。 1 2 3 铸造锌铝合金的力学性能1 2 3 - 2 6 j 表1 3 为压铸锌铝合金的力学性能，时效工艺为9 5 。c 下时效1 0 天随炉冷却到常温。 不同的铸造方法得到合金的性能不同，石墨型得到的抗拉强度要比金属型及砂型高。 另外，挤压铸造得到的合金性能与重力铸造不同。同样是钢制金属型，预热温度同 是5 0 0 ，重力铸造得到的抗拉强度在2 6 3 - - 3 1 7 m p a ，伸长率为2 5 4 7 ；挤压铸 造为5 2 2 , - 一7 0 0 m p a 和8 9 1 6 2 ，可以看出性能相差极大。当钢制金属型预热温度 为3 5 0 时，重力铸造所得合金抗拉强度为4 1 7 - - 一5 8 0 m p a ，延伸率为6 7 8 。可见 除铸造方法外，铸造条件对力学性能有决定性的作用。合金微量元素对合金的性能 影响非常大，在合金中加入s r 和l i 元素，明显提高合金的硬度，如z a 2 7 合金铸件截 面上的平均硬为5 9 5 h v ，外表面的硬度为8 6 4 h v ，在z a 2 7 合金中加入0 0 5 w t 的s r ， 铸件截面和外表面的硬度分别为7 5 8h v 和8 9 5h v ；在合金中加入0 1 w t 的l i ，硬度 分别为1 1 0 4 h v 和1 1 9 5 h v ，可以看出，这两种元素对合金硬度提高贡献较大。但是， 加入0 0 5 w t s r 的合金抗拉强度则降低3 0 m p a ，其原因是在合金中出现了有害锶化合 物，力l l l i 稍微提高合金的抗拉强度，“对锌铝合金的高温力学性能有重要影响。 表1 3 锌铝合金的力学性能 t a b l e1 - 3m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fz n - a ia l l o y 力学性能 2 # 合金3 辑合金5 # 合金7 抖合金 z a 8z a l 2z a 2 7 抗拉强度 | n q a 屈服强度 7 n p a 铸 3 5 8 52 8 2 7 态 时 3 3 1 o2 4 1 3 效 3 2 8 02 8 2 73 7 44 0 44 2 6 2 6 8 92 4 1 32 9 73 1 03 6 0 2 9 03 2 03 7 1 2 2 52 4 13 1 7 铸 71 071 36 l o4 72 5 态 7 一 一 一 一 一 一 一 一 铸 态 时 效 s i 、b i 、s b 对z a 4 0 合金组织及性能的影响 伸长率 硬度 h b 剪切强度 m p a 压缩屈服强度 伊a 冲击功 n 2 3 o 1 0 08 29 l8 0 l o o 9 5 1 0 51 1 6 9 87 28 06 7 铸 31 7 o2 1 3 72 6 2 o2 1 3 7 态 时 效 1 0 6 9 1 1 2 2 1 0 0 2 7 52 9 63 2 5 2 2 72 3 42 5 7 4 1 3 75 9 9 84 1 3 72 5 22 6 93 8 5 1 7 11 8 3 2 8 8 5 8 36 5 15 8 34 22 95 时 6 85 5 65 4 25 5 6 效 疲劳强度 5 8 64 7 65 6 54 6 91 0 3 m p a 2 2 1 4 5 1 2 4 铸造锌铝合金的摩擦磨损行为 含大于2 5 w t 锌铝合金往往被用作耐磨件。实验发现，含a 12 5 w t 锌铝合金 的耐磨性与合金中的相有关，并且发现随铜含量的增高，耐磨性增大。其原因和组 织中的相有关，相硬度高，随铜含量增加，相数量增多，因而导致合金的平均硬 度增大耐磨性提高【2 7 1 。z a 2 7 合金中的各相软硬不同，其中基体相较软，第二相较硬 因此是很好的减摩材料，用作轴瓦材料时主要用于低速重载的情况，其承载能力高 于锡青铜，在润滑时不发生咬焊现象，减震性能好口踟。锌铝合金与锡青铜的摩擦磨 损行为见表1 4 1 2 9 1 。 8 时效铸态时效 二 ， 伽 一 邪 删 一 钉 铸态时效铸态 第一章综述 表1 4 机油润滑条件下的摩擦磨损性能 t a b l e1 - 4f r i c t i o na n dw e a r a b i l i t yp r o p e r t i e su n d e rt h ec o n d i t i o no fl u b r i c a t i n go i l 1 2 5 铸造锌铝合金的高温性能 3 0 1 由于锌的熔点及锌铝合金的共晶温度低，凝固区域大，合金的高温强度较低。