（材料加工工程专业论文）高机械压力对锌铝合金凝固特性的影响.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本课题是以z a 2 7 合金、z a 4 3 合金为研究对象，探讨高机械压力( 机械压力达几个 o p a ) 对锌铝合金凝固特性的影响。 研究结果表明：z a 2 7 合金在高压作用下组织得到了根本性的变化，高压下的宏观 组织形貌为：枝晶非常细小，致密，呈“十”字形花瓣状，具有一定方向性；在一定区 域内二次枝晶相互平行：压力越大，这种变化越明显。高压下所得试样的最后凝固组织 没有发现三元共晶体( b + n + e ) ，取而代之的是二元共晶体( q + e ) ，在高压作用 下富c u 金属间化合物e 相增加，同时高压作用下z a 2 7 合金的固溶度获得了很大的提 高。分析并讨论了高压对z a 2 7 合金熔点及固溶度的影响，以及高压对合金形核和随后 的长大过程的影响。得出以下结论：z a 2 7 合金在高压下熔点大幅度的提高，并且高压 使合金的共晶点向高温低铝方向移动，压力也使固溶度增加很大，高压促进形核阻碍长 大速度。高机械压力使z a 2 7 合金的机械性能得到很好的提高，特别是硬度增加了很 多。 由高机械压力对z a 4 3 合金凝固过程影响的实验，得出高压凝固z a 4 3 合金的组织 明显变细。没有形成粗大的树枝晶，取而代之的是细小的、分布随机、形状各异、部分 横截面类似于胞晶的粒状结构。高压增) j f l yz n 在a 固溶体中的固溶度，减少了枝晶偏 析，增加了初生a 相的析出量以及最后富锌n 相的含量。共晶体由常压下网状分布变为 细小均匀分布的蠕虫状。在高压作用下富c u 金属间化合物e 相增加。分析并讨论了成 分过冷及界面稳定性对高压下凝固过程的影响。得出高压使合金成分过冷加大，促使形 成等轴晶，但由于z h 4 3 合金在高压作用下溶质扩散系数大幅度降低，l 司溶度增加，结 晶潜热加大等，从而使z a 4 3 合金的固一液界面趋于较稳定。 关键词：高机械压力，凝固，z a 合金 沈阳工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t e f r e c to f h i g h m e e h a n i c a lp r e s s u r eo nt h es o l i d i f i c a t i o no ft h e z n m a l l o y s i nt h i sp a p e x ，t h es o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ez a 2 7a n dz a 4 3a l l o y su n d e rh i g h p r e s s u r e sw a si n v e s t i g a t e di no r d e r t ou n d e r s t a n dt h ei n f l u e n c eo f h i g h p r e s s u r eo n t h es t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e so f t h e z n - a i a l l o y ，w h i c h i sv e r yu s e f u lf o rt h e a p p l i c a t i o n o f t h ez n - a i a l l o y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h em a c r o s t m c t u r e so fz a 2 7a l l o ys o l i d i f i e du n d e rh i g h p r e s s u r eh a v ec h a n g e dg r e a t l y t h e n e t - l i k em a c r o s t r u c t u r e sw i t hv e r yf i n ea n d “+ l i k e d e n d r i t e sa n dd i r e c t i o n a ls e c o n d a r yd e n d r i t e sw e r eo b t a i n e df o rz a 2 7a l l o ys o l i d i f i e du n d e r h j 曲p r e s s u r e s t h eh i g h e rt h ep r e s s u r e sw e r e ，t h e m o r ec h a n g e sh a db e e nf o u n d t h e s o l i d i f i c a t i o nw a sc o m p l e t e db yf o r m a t i o no f ( r l + ) p h a s ei n s t e a do ft h ee u t e c t i c ( p + t 1 + e ) s t r u c t u r ea n dt h ea i r i c h 8p h a s ew a se n h a n c e d t h es o l i ds o l u b i l i t yo fz ni no 【p h a s ea n d6 p h a s ea n dt h es o l i ds o l u b i l i t yo f a 1i nr l p h a s ew e r ei n c r e a s e dl a r g e l yb yh i g hp r e s s u r e f h e e f f e c t so fh i g hp r e s s u r e so nt h em e l t i n gp o i n t , s o l i ds o l u b i l i r y , n u c l e a t i o na n dg r o w t h 、v e r e i n v e s t i g a t e d t h e ns o m e c o n c l u s i o n sw e r eb e e nm a d e u p t h em e l t i n gp o i n t m a ds o l i ds o l u b i l i t y o fz a 2 7a l l o yw a se n h a n c e dg r e a t l ya n dt h ee u t e c t i cp o i mw a sm o v e dt o w a r dt h ea l l r i c h d i r e c t i o nb e c a u s eo ft h eh i 【g h p r e s s u r e t h eh l g hp r e s s u r eb e n e f i t e dt h en u c l e a t i o no ft h e c r y s t a l l i n ep h a s e sa n di m p e d e dt h e i rg r o w t h t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o u l db ei n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y ；p a r t i c u l a r l yt h e h a r d n e s so f z a 2 7a l l o yh a sb e e ni n c r e a s e d g r e a t l y t h es t r u c t u r e so f t h ez a 4 3 a l l o ys o l i d i f i e du n d e rh i g hp r e s s u r e ( 1 5 g p a ) w e r ei n v e s t i g a t e d u n d e rh i g hp r c s s u r e ，t h ef i n a ls o l i d i f i e dr n i c r o s t r u c t u r ew a sc o n s i s t e do ft h ef i n ec r y s t a l sw i t h d i f f e r e n ts h a p e s ，s o m el i k et h es e c t i o no ft h ec e l lc r y s t a l s t h es u p e r s a t u r a t e das o l i ds o l u t i o n w a sf o r m e da n dt h ed e n d r i t i cs e g r e g a t i o nw a sd e c r e a s e dw h e nt h ez a 4 3a l l o ys o l i d i f i e du n d e r h i g hp r e s s u r e t h ee u t e c t i cp h a s ew a sw o r m l i k ec r y s t a l ，a n dt h ec u r i c h 6p h a s ew a sa l s o i n c r e a s e db e c a u s eo ft h eh i g h p r e s s u r e t h ee f f e c t so f c o n s t i t u e n tu n d e r - c o o l i n ga n di n t e r f a c i a l s t a b i l i t yo nt h es o l i d i f i c a t i o nu n d e rh i g hp r e s s u r ew e r ea n a l y z e d t h eh i g hp r e s s u r eh e l p e dt h e e q u a la x i a lc r y s t a lf o r m a t i o nw i t ht h ei n c r e a s i n go f c o n s t i t u e n tu n d e r c o o l i n g t h ei n t e r f a c i a l i i 沈阳工业大学硕士学位论文 s t a b i l i t yo f z a 4 3a l l o yw i t hh i g h l a t e n th e a tt e n d e dt ob es t a b l ef o rt h ed i f f u s i v i t yw a sd e c r e a s e d g r e a t l ya n d t h e s o l u b i l i t yw a s i n c r e a s e d l a r g e l y k e yw o r d ：h i g h m e c h a n i c a l p r e s s u r e ，s o l i d i f i c a t i o n ，z aa l l o y 1 1 1 独创性说明 本人郑重声溺：所鐾交的论文是我个人在导师搀导下进行的磷究工 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 也人已经发表蠛撰写的研究成巢，也不惫含为获得 沈阳工业大学或其他教肖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西在论文中做了明确鲶说疆并寝 示了谢意。 签名：蓬手 日期： 丝。! ：鳟 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： 学校有权锞聱送交论文豹复羁】 孛，允许论文被蹇阙秽氆阗；学校爵以公 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。 ( 保密的论文在勰密后应遵循j 澈矮宠) 签名：堂查生 导师签名： 日期照墨：缝 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 机械压力作用下金属与合金凝固的概述 机械压力作用下金属与合金凝固是指将一定量的熔融金属液直接注入金属模腔，随 后在机械静压力的作用下，使处于熔融或半熔融的金属液发生流动，凝l 重l 成形，从而获 得毛坯或零件的一种金属加工方法。此工艺被称为“液态金属模压”或“液态模锻”， 后来也称之为“挤压铸造”。挤压铸造不像压铸( 其金属液以很高的速度进入压室，一 般大于l o m s ) 。挤压铸造的充型速度很慢，一般小于o 5 m s ，因而不会导致紊流，表 面破裂及其一些缺陷。 挤压铸造于1 9 3 7 年在前苏联问世，比压铸工艺晚约1 0 0 年，到6 0 年代前苏联已有 1 5 0 家工厂，约2 0 0 多种产品用此工艺生产，我国于1 9 5 7 年开始此工艺研究，至6 0 年 代中期只有少量铝合金用它生产，7 0 年代部分高校和研究所相继开展此项工艺基础研 究，推动了我国在该工艺领域的较快发展 2 1 。近几年，挤压铸造发展迅速并且逐渐商业 化【3 】。美国、英国、加拿大等国家利用挤压铸造生产一些应用件，例如用铝合金生产汽 车轮轴和柴油机的活塞卜”。 1 1 1 机械压力作用下金属与合金凝固的分类 按冲头对金属液施加压力的方向可分为水平挤压铸造和垂直挤压铸造。水平挤压铸 造类似于压力铸造，但是定量的金属液被水平放置的冲头缓慢地推入型腔，如图1 1 所 示。因此铸件的完整性被大幅度地提高了，同时可以进行随后的热处理。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。间接的挤压铸造是用冲头把金属液 从下面往上推入型腔，如图1 2 所示，这样金属液前进的速度甚至凝固速率都受冲头速 度的控制。相反，直接的挤压铸造是把定量的金属液倒入开放式型腔后，利用相应的冲 头对正在凝固的金属液施加一定的压力，如图1 3 所示。从经济上考虑，通常都用直接 的挤压铸造【8 l 。 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 1 水平挤压铸造 l a 9 1 1t h eh o r i z o n t a ls q u e e 2 f n gc a s t 图1 2 间接垂直挤压铸造 f i g 1 2i n d i r e c tv e r t i c a ls q u e e z i n gc a s t 图1 3 直接垂直挤压铸造 v i g md i r e c tv e r t i c a ls q u e e z i n gc a s t 按加压方式分有三种：凸模加压凝固法，直接液态模锻法和间接液态模锻法1 9 “ 。 有些作者又提出新的分类方法i m l 3 1 。即按施压冲头( t - 模) 端面形状分为平冲头加压法 和异形冲头加压法两种，如表1 1 。从采用本工艺加工的零件或毛坯出发，考虑保证金 属液在凝固成形直至获得合格制件的全过程中始终是在压力作用下这一特点。以此为基 础进行工艺分类，这就抓住了加压方式，取决于施压冲头的端面几何形状，而端面几何 形状又和制件的外形，金属液的流动特征相关这一关键，因而此分类即可反应工艺的实 质又易理解。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 1 机械压力作用下金属与合金凝固的分类 t a b l e l 1t h ec l a s s i f i c a t i o no f m e t a ls o l i d i f i e du n d e rm e c h a n i c a lp r e s s u r e s 类别工艺方法特点 制件最终形状是由凹模的形状确定的， 平直 冲头施压时，金属液不作向上移动，适用于铸 锭或形状简单的厚壁件成形 冲 接 制件最终形状由合模后封闭的模膛形状 头 间 确定，制件尺寸精度高。冲头旅压时，金属液 作充填模膛流动，并通过内浇道把压力传递到 加 接 制件上，该工艺适用于产量较大，形状较复杂 或小型零件生产，也可生产等截面型材。 压 合模时，冲头插入液态金属液中使部分 异凸 金属液向上流动，以填充由凹模壁和冲头组成 的闭合模膛，获得制件的最终形状，冲头的压 形 式 力直接加在制件的上端面和内表面上，加压效 果好，该工艺适用于壁较薄，形状较复杂的制 冲 件成形。 头 合模时，冲头插入液态金属中，使液态 凹 金属沿冲头内型面直接施压在制件上的，该工 加 艺适用夜壁较薄，形状复杂制件的成型。 式 压 合模时，冲头凸部插入金属液，使其作 复 反向流动填充冲头的内部，并在冲头端面和内 合 凹面的作用下成形，从而获得制件。适用于复 式 杂制件成形。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 2 机械压力作用下金属与合金凝固的特点 此工艺是一种借鉴于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，主要特点旮“】： ( 1 ) 在成形过程中，尚未凝固的金属自始至终经受等静压并在压力作用下，发生 结晶凝固，流动成形。 ( 2 ) 己凝固的金属在成形的全过程中，在压力作用下，产生塑性变形，使毛坯外 侧紧贴模膛壁，金属液获得并保持等静压。 ( 3 ) 由于凝固层产生塑性变形，要消耗一部分能量，因此金属液经受的等静压值 不是定值，而是随凝固层的增厚而下降。 ( 4 ) 固液区在压力作用下，发生强制性的补缩。 与压力铸造相比较，除了以液态金属作原料这点相同之外，还有许多不同之处： ( 1 ) 液态金属注入型腔的方式不同，眶力铸造是借助压力沿着浇注系统在极短 时间内将熔融金属液以高速充满闭合的型腔，而此工艺金属液是通过直接注入模膛内， 其浇注速度是不高的。 ( 2 ) 压力的传递方式不同，压力铸造靠浇注系统传递压力，而此工艺的压力传递 通过施压冲头直接施加( 或通过己凝固壳) 在金属液面上，除了在成形过程中已凝固层 塑性变形要消耗一部分能量外，冲头的全部压力都用在使金属液获得等静压，并在整个 凝固过程中保持它，因而金属液始终在压力作用下发生结晶凝固，流动成形。 与模锻相比，除了在压力作用下，在闭合金属模膛内成形这点相同外，也有下面的 不同点： ( 1 ) 模锻时，原始材料与模膛形状不一致的，为了获得与模膛轮廓形状一致的毛 坯，必须在压力下使金属发生镦粗，压挤等强烈的塑性流动，以填充模膛获得一定的毛 坯；而机械压力作用下金属凝固则不具有上述特征，因为合模时，金属液在上模块和模 梁的自重作用下，使金属液可以发生流动以填充模膛，在成形过程中，也有塑性流动， 但这种塑性流动是有限的，因而此组织不可能是明显的塑性变形组织。 ( 2 ) 对于形状复杂的模锻件，均要采用多模膛模锻才能成形，而对于机械压力下 金属凝固一次便可成形。前者成形时所需要的设备吨位比后者大的多。 沈阳工业大学硕士学位论文 在机械压力作用下金属液的凝固过程中，由于施加了一定的压力，增加了铸件和铸 型之间的传热系数，导致凝固时间的缩短，提高了凝固速度，晶粒得到细化。所以挤压 铸造可以成功地应用于凝固范围宽，粘度高，表面张力大的合金1 5 “1 6 。施加的压力足以 消除气孔并且减少缩松的产生，同时凝固时金属液与型腔具有很好的物理接触，因此可 以生产出具有很高的公差、几乎不需要车床加工的铸件。 1 1 3 机械压力作用下金属与合金凝固的工艺参数 工艺参数的选用应遵循保证产品质量，提高模具寿命的原则。如液态金属浇注量越 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及至最终的铸件质量都将产生重要的影响 1 。7 - 1 9 。机械压 力作用下金属凝固的主要参数归纳为： ( 1 ) 浇注温度( t 。) ：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，进而还影响凝固时间，凝固速度和铸件补缩问题。 ( 2 ) 铸型预热温度( l ) 与铸型工作温度( t w ) ：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，其次为铸件的凝固时间。一般在 实际生产过程中，与之间有这样的关系：1 i t o + 5 0 c 。 ( 3 ) 加压开始时间( t 。) ：开始加压时间是指合金浇入型腔至开始加压的时间间 隔。开始加压时间过晚，致使金属自由结壳厚度增大，增加变形抗力，降低加压效果， 影响铸件质量。一般开始加压时间增长，合金的抗拉强度及延伸率均降低且开始加压时 间越长，要获得合格铸件所需工作压力越大。 ( 4 ) 加压速度( v ) ：加压速度指冲头接触金属液后的运动速度。速度过高会引 起金属液飞溅，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。 ( 5 ) 比压( f ) ：比压是指接触顽上的平均压力。比压与铸件的机械性能存在直 接的关系，比压值的选择存在一个经济效益问题，要根据制件使用性能的要求，选择一 个合适的比压值。 ( 6 ) 保压时间( t 、) ：保压时间主要取决于铸件的壁厚和形状复杂程度，它对铸 沈阳工业大学硕士学位论文 件凝固组织的形成和补缩特性产生重要的影响，是一项重要的参数。 ( 7 ) 高径比( h d ) ：高径比也称之为高厚比，指铸件高度h 与其直径d ( 或厚 度) 之比值。高径比与有效压力的分布有直接关系，高径比过高，则可能导致作用在铸 件上的有效压力过低，导致挤压效果不佳，因而它也是一项重要的工艺参数。 应用数理统计法优化这些工艺参数，以选择满足使用性能的最佳工艺参数的组合 即求出工艺因素与制件性能的函数关系，是当前正在发展的一项新的技术。 1 1 4 机械压力作用下金属与合金的凝固过程 机械压力作用下金属液的凝固是指在高压( 即大载荷) 下使液态金属凝固的加压方 法，因此由于压力的作用使凝固过程的热传导，金属流动等发生变化。并对其凝固方 式，凝固收缩与补缩，以及组织形成等产生重要的影响，所以它是一个复杂的物理化学 过程。 1 1 5 机械压力作用下金属与合金凝固的物理冶金过程 机械压力作用下金属与合金的凝固是一种高压下使金属液凝固成形的过程，它具有 两种重要的特征：压力使金属内部的组织得到改善。压力使半凝固状态金属成形性得到 改善。其中原因主要是，高压下使金属的热力学状态发生变化。罗守靖等人假设了其三 种热力学模型【2 0 l ： ( 1 ) 热压缩型：机械压力作用下金属凝固时，施加于半凝固状态的金属上的压力 急剧的使金属压缩形成高压现象，相当于热力学上的绝热压缩，推导其温度与压力的关 系为： d t ：t a v d p ( 1 1 ) 爿 式中p 一压力t _ 盈度h - 摩尔焓v _ 一体积。 ( 2 ) 等温压缩型：假设温度为恒定的，等温压缩下高压自由能的变化： a g ( t ，p ) = ( 7 1 ，p = 1 ) + l a v d p ( 1 2 ) 式中a g 一当凝固温度t k 为时，凝固前后摩尔自由能差： 沈阳工业大学硕士学位论文 雾= 群a g 嚣a g ， 舻傍孵c 知s ) i 一 金，则有 o ，增加压力使金属和合金凝固点升高。对于凝固时体膨胀的金属和合 i i 6 机械压力作用下金属与合金凝固的力学过程 塑性变形在机械压力作用下金属和合金凝固过程中占有重要的地位，从某种意义 讲，塑性变形这一力学过程，又和凝固成形这一物理化学过程交织在一起，研究起来十 分复杂，尤其是存在固液区间的凝固过程，为此我们对凝固体作近似假设1 2 1 j ，认为它 是一个多变的连续的组合体，即已凝固的封闭外壳层，正在凝固的固一液区和液相区， 三位一体组成一个连续分布的不均匀的组合体，因为硬层区，固液区和液相区，其力 学性质是有很大差异的。从物质流变观点出发田j ，可近似认为，已凝固的外壳为塑性 体，正在凝固的固液区为脆性体( 即脆性温度区间) ，液相区为粘性体( 存在大量结 晶晶核) 。这就构成了由塑性体一脆性体一粘性体组合的连续组合体，这个连续组合体 将发生由表及里的力学行为，外壳产生塑性变形，固一液区产生热裂，液相区在等静压 作用下挤入微小裂纹中，且塑性变形本身随结晶凝固的进行而扩大，液相区则逐渐缩 7 沈阳工业大学硕士学位论文 小，以致某一时刻。液相区完全转变为固一液区，此时组合体就转变为由己凝固区和固一 液区组合的塑性体脆性体组合体，只要凝固区的塑性变形顺利进行，脆性体在压应力 作用下，完全可以克服由于体收缩带来的拉应力，使脆性体破坏的力学条件得到消除， 最后转变为单一的塑性体，凝固就此结束。 通常当金属液浇入型腔，接着合模后，由于上模表面的激冷作用，同样使得冲头端 面附近的金属液也很快形成一硬层，此时金属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a 第一种模型，在金属液凝固过程中，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 金属液相接触。 第二种模型，在金属液凝固过程中，存在明显的固一液区，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； 固液分区，靠近硬壳层，起特点为固相区相互凝结，残存的金属液被固相团所分割。 图1 a 第一种模型 f 嘻1 4t h e f i r s tm o d e l 图1 5 第二种模型 f i g 1 5t h e s e c o n dm o d e l 1 1 7 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 游戈于熔体中的现象。在机械压力作用下金属和合金的动态凝固过程包括： 8 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 浇注( 上注) 时机械冲刷； ( 2 ) 金属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金属液流动； ( 4 ) 硬壳层塑性变形时的补缩性枝晶闯金属塑性流动； ( 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j 。 因此机械压力作用下金属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，使液态金属发生波动，对凝固前沿进行机械冲刷，使未结牢的晶块重新溶解，崩离 并卷入金属液内，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，一般取与旋压方向相反的方向，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。 1 1 8 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已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 )压力对晶核的生长过程产生影响： ( 6 ) 压力对凝固过程中的溶质再分配产生影响； ( 7 ) 压力对金属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。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 锌铝合金的概述 1 9 世纪中期就已经开发出的铸造锌合金，由于当时无法获得纯度较高的原料锌致 使合金铸件易产生晶间腐蚀，因而其发展和应用受到限制。本世纪以来由于工业技术的 不断进步，工业锌纯度得以提高，同时通过对锌合金生产技术的改进和完善使传统的锌 合金铸件质量有了显著的提高，从而促进了铸造锌合金的发展和应用。加之，世界性的 能源危机日益严重。铜，锡资源的日渐减少以及对环境保护的要求，人们对锌基合金产 生极大兴趣。德国早在二次世界大战结束前就成功地用锌合金代替铜合金徽轴承1 2 4 j 。6 0 年代初i l z r o ( 国际铅锌研究组织) 开发了z a l 2 ，7 0 年代末加拿大n o r a n d a 矿山研究 中心又成功地研究出适合于金属型铸造的z a 8 合金。这样就使锌铝合金发展为一个系 列2 姐8 1 ，目前已用部分锌铝合金代替青铜，黄铜，铸铁甚至球铁等作结构材料，同时在 作模用材料及其它必须领域的应用也正在开发和拓展 2 9 1 。 1 2 1 锌铝合金的凝固特性 在锌铝合金的凝固特性研究中，首先遇到的就是对于锌铝合金相图中是否存在包晶 转变的争论。3 0 年代早期的研究者认为存在包晶转变，而4 0 年代和5 0 年代的研究结 果认为不存在包晶反应，如图1 6c “。而近来随着采用定量热分析技术等手段最终确定 了包晶反应的存在o “，大量研究也充分肯定了包晶反应的存在”“1 ，如图1 7 。“。故由 图1 7 所示，锌铝合金凝固及冷却过程发生的相变主要有： 墨釜 i 。一一i x e l 卜、 k 卜、9 一 、4 二 j 一，：蒜霹。：i 广1密 2 7 5 。 _ ， ，1 m i ， 十t 图1 6 无包晶反应的z n - a i 合金二元相图 f i g 1 6b i n a r yz n a ia l l o yp h a s ed i a g r a m w i t h o u tp e r i t e c t i cr e a c t i o n ： ” 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 7 存在包晶反应的z n - a i 合金的二元相图 f i g 1 7b i n a t ) z n - a ia l l o yp h a s ed i a g r a m w i t hp e r i t e c t i cr e a c t i o n ( 1 )初晶转变：l o ； ( 2 )包晶转变：l ( 1 4 a 1 ) + d ( 3 0 a 1 ) 竺! = _ 1 3 ( 2 8 a 1 ) ； ( 3 )共晶转变：l ( 5 1 0 6 a 1 ) 马n ( 1 1 a 1 ) + b ( 1 7 2 a 1 ) ： ( 4 )调幅分解：n ( a 1 ) 二堑盐哼d 。( a 1 ) + c t 。( h d ； ( 5 ) 共析转变：1 3 ( 2 2 a 1 ) 马q ( 6 8 4 a 1 ) + ( 9 3 4 z n ) ： 以典型的过共晶合金z a 2 7 为例说明锌铝合金的凝固特点，由图1 7 可以看出液相 线和固相线的水平度较大，它们之间的距离较宽，因而使锌铝合金在凝匮【条件下，先从 液相中析出富铝的初生n 相，且由于结晶温度范围很宽，初生a 相一般生成树枝晶状， 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n 相并未有完全消失，液 相也仍有剩余并继续转变为1 3 ，随着温度的进一步降低，液相成分逐渐移向共晶点。从 而使剩余的液相发生共晶转变，转变为沿1 3 晶界分布的网状共晶体( 1 3 + n ) 组织，当 温度进一步降低时将发生固态相变，既包括脱溶分解和共析转变，脱溶又包括调幅转变 和实效过程中的过饱和脱溶，共析转变过程是a 相和n 相以协作方式从1 3 相中形成并长 大的过程。所以z a 2 7 合金的铸态显微组织由初生富铝n 相，富锌共晶体和富铜的e 相 组成。非平衡凝固组织中存在三元共晶体( 1 3 + + r 1 ) 。”。 o u#，ruzu 沈阳工业大学硕士学位论文 由于上述凝固过程的特点，因此这类合金为典型的糊状凝固，其补缩机制就比较复 杂，一般可分为三个阶段：在初始阶段，初晶体未连成骨架，彼此互相分离，悬浮于液 态金属中，固相和液相可以整体流动，提供补缩，这就是整体补缩阶段。第二阶段，初 晶已连成骨架，液态金属的运动只能限制在枝晶间进行，补缩已相当困难。最后凝固阶 段，液态金属区域已完全被固态金属分割，形成孤立的液态金属窝，收缩时再也得不到 金属液的补缩。因此，此类合金的铸件很容易产生分散性缩孔，下表面缩松和偏析等缺 陷，导致力学性能。特别是延伸率和摩擦性的下降。 1 2 2 提高锌铝合金性能的方法 ( 1 ) 锌铝合金的凝固范围宽，补缩困难。若采用加大冷却速度和设置冒口来促进 顺序凝固以获得致密铸件是难以奏效的嘲。除非加大温度梯度，在有利于补缩的温度条 件下，设置合适的冒口，才能获得较好的补缩效果；并且芯子和铸型要使用导热性不同 的造型材料制造。 ( 2 ) 浇注温度和浇注速度对形成有利的温度梯度有很大的影响，对于锌铝合金在 低温，慢速浇注下是有利的。 ( 3 ) 铸型材料对铸件的致密性影响很大，采用导热性好的铸型材料，对加强补缩 有一定效果。 ( 4 ) 采用挤压铸造工艺生产的铸件尺寸精度高，细化和改善组织，减轻枝晶偏 析，使塑性提高。机械性能好，且易于实现操作机械化，自动化。它综合了金属型铸造 和锻造工艺的优点。使之一次形成致密且无气孔的工件。8 0 年代以来国内已开始用这 种新的生产工艺来生产各种金属基复合材料，铝合金及锌铝合金铸件。无疑，挤压铸造 为锌合金的广泛应用，开辟了新的途径。 ( 5 ) 在锌铝合金熔体中加诸如硼，钛，钻或稀土元素等可增加结晶核心，晶粒得 到细化，性能也随之提高，有试验表明：锌铝合金中添加适量硼、钛，延伸率可由原来 的6 提高至1 5 以上。晶粒细化剂的种类、加入量、添加方式、工艺稳定性等均对其效 果产生影响。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 用热处理方法来提高合金的机械性能历来为人所注重，有人将z a 2 7 熔炼成 试样，在3 6 5 。c 固熔处理2 小时，然后空冷或水冷。结果发现，它与铸态相比，空冷试 样抗拉强度增大很多，断裂韧性比铸态平均减小1 3 ，还有实验指出z a 2 7 合金的最佳 强化处理规范为3 5 5 3 8 0 cx1 5 2 5 h 空冷，经此热处理，其抗拉强度可达6 6 7 m p a ，还 可能提高其室温，抗蠕变能力。 1 2 3 锌铝合金的应用概况及研究趋势 到目前为此，商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，测量墨器蜗轮，汽车外壳压型模具，轧钢机瓦向 联轴节滑块以及冲载模具，拉延成型模具等。可以相信，随着锌基合金的潜在市场逐渐 被开发，高锌基合金的应用前景将十分广阔嘲。 目前国内外高锌铝合金的研究趋势有：在不同条件下研究高铝锌合金的凝固过程和 组织；在合金基本成份的基础上，进行合金化，并和工艺相结合，进一步提高合金的性 能：研究利用喷射沉积方法制陶瓷颗粒或石墨颗粒，高铝锌合金复合材料，改善合金的 高温性能和摩擦磨损性能；研究合金的超塑性等。 1 3 在机械压力作用下锌铝合金研究的现状 传统锌铝合金的铸造性能和力学性能均较好，是种广泛应用的工程材料，但延伸 率低，脆性以及自然老化使机械性能过低。甚至造成自然溃散失效等缺点，因而限制了 它的使用范围。机械压力作用下金属与合金的凝固工艺给锌铝合金的应用带来新的活 力，因为此工艺使液态金属在压力下结晶，因而可以细化晶粒。均化组织和消除内部缺 陷，有利于力学性能的进一步改善。 锌铝合金在通常的铸造条件下，由于当温度降到液相线以下时凝固收缩后，减小了 金属液和模具之间的物理接触从而导致了凝固过程中传热系数减小和冷却速度的降低， 最终形成粗大的技晶，增大了枝晶间距，在枝晶问形成了缺陷”3 。机械压力的作用弥补 了这些缺陷，但是很少有人对其进行深入的讨论。很多研究表明挤压铸造可以获得比重 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 力铸造更细的微观组织。这些结论一般都归因于与传热系数相关的高的冷却速度。但 是微观组织形状一般都很复杂，对其进行温度控制和测量是很困难的，因此还没建立起 相关精确的传热机制。 i 6 a l l e r n e a u l t 等人1 利用热电偶装置、光学显微镜及图像分析 研究了压力、熔化温度等工艺参数对铝铜合金凝固和冷却行为及其相应的宏观和微观组 织的影响。m a s a v a s 通过研究挤压铸造对z n - 2 7 a l ，a 1 2 0 s i 等七种凝固范围宽的合 金的密度、布氏硬度、抗拉强度和延伸率的影响，认为此类合金很适合挤压铸造，因为 挤压后机械性能有了很大的提高，经退火热处理后具有更高的强度“。 针对z a 2 7 合金在常规铸造下易出现缩松，偏析等缺陷的特点，有试验分析了挤压 工艺参数与z a 2 7 合金性能之间的关系“”，并且还研究了合金元素m n 对冲头式挤压铸造 z a 4 3 合金铸态及热处理后组织和性能的影响“，得出适量的m n 显著提高合金常温强度 和高温力学性能，但降低塑性；适宜的热处理使富锰相和富铜相分解在基体内以二次相 弥散析出，进一步强化挤压铸造z a 4 3 合金。通过对挤压铸造z a 2 7 合金的锰硅化研究。5 ，获得了具有一定塑性的高强度，耐磨锌铝合金。 自1 9 8 2 年以来，哈尔滨工业大学就开始对锌基合金液态模锻工艺进行了研究并成 功地将其用于模具制造“7 1 。用它制作冲材模以实现无间隙冲裁( 凹模为钢模) 时，冲口 质量高，无毛刺，空隙距离可大大缩短：用于成形模时，模腔尺寸稳定，表面光洁，克 服了铸模工艺的不足。 虽然对于机械压力作用下锌铝合金的凝固已有了很多研究，但迄今为此，对于此工 艺技术的基础理论研究还较少，涉及的问题还有很多。 1 4 本课题的主要研究内容 机械压力作用下金属与合金凝固的技术集铸造和冲压的优点于一身，是当前国内外 正大力发展并具有广阔前景的一项技术。因而有很多学者已多年从事此项技术的研究， 我们课题组也已经研究了多年。但一般其机械压力只在几十至几百m p a ，而本课题主要 是研究高机械压力( 机械压力达几个g p a ，通常这么高的机械压力用于制取非品或纳米 材料) 对锌铝合金的微观组织、相图及其性能的影响，同时借助差热分析技术进一步研 究锌铝合金在不同机械压力作用下的凝困特性。其主要内容有： 1 4 沈阳工业火学硕士学位论文 ( 1 ) 利用金刚石液压机，在不同的高机械压力作用下挤压不同成分的锌铝合金试 样。 ( 2 ) 利用金相分析、图像分析、扫描电镜及其x 射线衍射等分析手段，研究高 机械压力对锌铝合金的显微组织，生成相及其相分布的影响，同时测试高机械压力对锌 铝合金硬度的影响 ( 3 ) 采用差热分析技术，得出差热分析曲线来考察和探讨不同高机械压力对锌铝 合金某些凝固参数的影响。 ( 4 ) 高机械压力对锌铝合金凝固特性影响的规律。 通过此课题的研究，得出不同机械压力对合金凝固过程的影响。同时把差热分析 技术应用于机械压力作用下合金凝固的研究中，为合金在压力下凝固问题的发展提供某 些新的依据。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 实验材料、设备及实验过程 2 1 实验材料 实验用锌铝合金为z a 2 7 ，z a 4 3 ，用z n - 0 ，a i 0 0 及a 1 5 0 c u 中间合金等原料在石 墨坩埚电阻炉中熔炼成母合金，再加工为高压试样，其化学成分见表2 1 ： 表2 1 实验合金的化学成分( w t ) t a b l e 2 ic h e m i c a lc o m p o s i t i o no f l et e s t m ga l l o y s 2 2 实验设备 2 2 1 熔炼设备 实验使用的熔炼设备为： ( 1 ) 电气高温炉：最大功率为9 k w ，最高温度为1 0 0 0 c ，额定电压2 2 0 v 。 ( 2 ) 高温箱式电阻炉：该炉的额定功率为1 0 k w ，额定温度为1 3 5 0 c ，额定电压为 3 8 0 v 。 2 2 2 高压实验机 本实验采用中科院金属研究所提供的y 7 5 1 0 0 0 金刚石型两顶高压实验机，标称压 力为1 千吨，工作压力为1 7 g p a ，工作温度可达1 5 0 0 k ，采用可编程序控温、升稳、降 温，速率及保温时间均可调节，控温精度为0 2 9 6 左右。此设备的实验装嚣及样品安装 如图2 1 所示，样品放入酬容器内，并填充b n 粉末，b n 及叶蜡石用做传压介质。用 石墨管套在b n 容器外面作为加热炉，用n i c r - n i a l 热电偶置入b n 容器内检测温度，热 电偶坝6 温度端尽可能地接近样品中心温度。实验温度有b n 管内引出的n i c r n i a l 热电 偶测量，热电偶是用高温水泥密封在叶蜡石壁内从高压腔体引出的。 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 容器装置示意图：( 1 ) w c 压钻：( 2 ) w c ；( 3 ) 石墨加热炉 ( 4 ) b n ：( 5 ) 样品：( 6 ) 叶腊石；( 7 ) w c 压缸 图2 1 高压实验装置示意图 f i g 2 1t h ed i a g r a mo f h i g h - p r e s s u r es e t t i n g 2 3 分析与测试手段 光学显微镜：利用光学显微镜观察合金宏观组织的变化。 扫描电镜：o x f o r ds e m 分析电镜，并利用背散射技术观察铸态相的分布和形态。 x 射线衍射仪：x 射线衍射分析考察样品铸态及高压处理后的物相变化，使用日本 理学r i g a k u m a x r a x - m y 衍射仪( 1 2 k w ，c u 如辐射，波长九= 1 5 4 0 5r i m ) 。 差热分析仪： 差热分析仪是由瑞士m e t t l e rt o l e d o 公司生产， 型号为 t g a s d t a 8 5 1 c 几f 1 6 0 0 。其主要性能指标是：温度范围从室温到1 6 0 0 ( 2 ，天平的 沈阳工业大学硕士学位论文 精确度为0 0 0 0 1 m g ，冷却加热速度可以任意设定，可以在真空下测试。其基本功能 为：可以得出t g a 曲线，d t a 曲线，d d t a 曲线，同时还可以把d t a 曲线转换为d s c 曲线 ( 此时温度误差范围在1 0