（材料科学与工程专业论文）高铝锌合金组织和性能的研究.pdf

摘要 论文题嚣；高铝锌合金组织和性能的研究 学科专业：材料科学与工程 研究生：杨璀珍 指导教师：王智民副教授 摘要 签名：础兰 签名：越签名：缎j 高铝锌合金是近年来应用十分广泛的一种新型有色金属材料，它具有良好的铸造性 能、力学性能、抗磨损性能及制造成本低廉等优点，目前，工业上已取代了部分青铜、黄 铜和巴氏合金。本文对不同含铝量的高铝锌合金的室温力学性能、摩擦磨损性能和气密性 等进行了磷究，探讨了2 种复合细化剂对高铝锌合金组织和性能豹影响。本文得到的主要 结论如下： ( 1 ) 高铝锌合金酶组织为初生a 相技晶和a 与q 的共析体及少量的e 相、共晶体等。 随着合金中含铝量的增多，a 相枝晶增多，共析体减少。 ( 2 ) 热处理可稳定组织，从而改善锌铝系含金的尺寸稳定性；适当的时效处理可使组 织趋于均匀，减弱固溶强化效果，降低强度及硬度，提高塑性及韧性。 ( 3 ) 在本文试验条件下，当载荷为8 7 0 n ，转速为2 0 0 r r a i n 时，高铝锌合金的耐磨性 明显优于锡青铜。 ( 4 ) 1 撑和猫细化剂对高铝锌合金的力学性能和耐磨性都有所改善，硝细化剂对高铝锌 合金性能的改善更为显著。 ( 5 ) 制备的所有高铝锌合金在1 m p a 压力下保压5 r a i n 在水容器中均没有观察到气泡 产生，表明所制备的高铝锌合金具有较好的气鬻性，能够满足s 氏高压开关阕片的使用要 求。 关键词：高铝锌合金；力学性能；摩擦磨损性能；气密性 本研究得到教育厅产业化培育项目基金r 编号：0 6 j c 0 9 ) 的资助。 薅安理王大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho nm l c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f h i g ha l u m i n u mz n b a s e da l l o y s m a j o r ：m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g n a m e ：c u i z h e ny a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f 。z h i m i nw a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u h i g ha l u m i n u mz i n c b a s ea l l o y sh a v eb e e na p p l i e da sak i n do fn e o t y p en o n - f e r r o u s m a t e r i a l si nr e c e n td e c a d e s t h e s ea l l o y sp r e s e n tal o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha sg o o dc a s t i n g p r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e x c e l l e n tw e a r - r e s i s t i n ga sw e l la sl o wm a n u f a c t u r i n g c o s t u pt on o w , t h e yh a v eb e e nu s e di n s t e a do fs o m et r a d i t i o n a lw e a r - r e s i s t i n gm a t e r i a l ss u c h a sb r a s s ，b r o n z ea n db a b b i t tm e t a l t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，f r i c t i o n a l w e a rp r o p e r t i e sa n dg a s t i g h to fz n a 1a l l o y sw i t hd i f f e r e n ta l u m i n u mc o n t e n t sw e r es t u d i e d t h ei n f l u e n c eo ft w ok i n d so fg r a i n r e f i n e r so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f h i g h a l u m i n az i n c b a s ea l l o yw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h em a i nr e s u l t sa r cp r e s e n ta sf o l l o w s ( 1 ) t h em i c r o s t r u c t u r eo fa l l o y si sc o n s i s t e do fd e n d r i t ea p h a s e ，e u t e c t o i da + r lp h a s e ，a s m a l la m o u n to fep h a s ea n de u t e c t i c w i t ht h ei n c r e a s eo fa 1c o n t e n t ，t h ea m o u n to fa p h a s e i n c r e a s eb u tt h ea m o u n to fe u t e c t o i d ( a + 1 1 ) p h a s ed e c r e a s e ( 2 ) t h ed i m e n s i o n a ls t a b i l i t yo ft h ez i n c - a l u m i n u ma l l o y sc a nb ei m p r o v e db yh e a tt r e a t i n g f o rw h i c hc a ns t a b i l i z e dt h em i c r o s t r u c t u r e a p p r o p r i a t e a g i n gt r e a t m e n tc a nm a k et h e m i c r o s t r u c t u r em o r eh o m o g e n o u s ，w e a k e nt h ee f f e c t i v e n e s so fs o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g , r e d u c e t h es t r e n g t ha n dh a r d n e s s ，b u te n h a n c et h ep l a s t i c i t ya n dt o u g h h e s s ( 3 ) u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so ft h i sp a p e r , w h e nt h el o a di s8 7 0 na n dt h er o t a r y s p e e di s2 0 0 r m i n ，t h ew e a lr e s i s t a n c eo fz n a la l l o yi sb e t t e rt h a nb r o n z e a l t h o u g hb o t h 撑a n d 秘r e f i n e rc a ni m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a l r e s i s t a n c eo fz n - a la l l o y s ，t h ee f f e c to f2 # r e f i n e ri sm o r en o t a b l e ( 5 ) t h e r ei sn ob u b b l eo b s e r v e dw h e nt h ea l l o y sw e r ep l a c e di nt h ew a t e rf o r5m i n u t e s w i t hap r e s s u r e1m p a , w h i c hs h o w st h a ta l lh i g ha l u m i n u mz i n c b a s ea l l o y sp r e p a r e dh a v e g o o dg a s t i g h tt om e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fh i g hv o l t a g es w i t c hv a l v e k e yw o r d s ：h i g ha l u m i n u mz i n c b a s ea l l o y ；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 r p r o p e r t i e s ；g a s t i 曲t l l a b s t r a c t p r o j e c ts u p p o r t e db y i n d u s t r i a l i z a t i o nf o u n d a t i o no fs h a a n x in u r t u r i n ge d u c a t i o n o f f i c e ( n o 0 6 j c 0 9 ) i i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑踅申明；- 本人群呈交豹学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究i 作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 酶地方矫，论文中不包禽其他入韵研究成暴。与我一同z 作的阏志对零文所研究的工 锌和藏慕蘸程侮贡献均涯在论文率箨了臻确韵谎虢并邑致谢 本论文爱其鞴关资瓣萋寄幂实之籍i ，蠹本天承撵甥褶关赛柽 论文作者签名| 燕辎嚣霉牵易凳t 基 学位论文使用授权声明 本天勉堕! 坠二箍导帮静指导下谶撵完成攀鳖论支：零太基透过论文熬答辩， 并已经在理安理王大学枣请博士7 。硬士学链碡。零太嚣失学搜论文著作投拥肖蠹，露意 授权蔼安理工大学拥有学位论文的部分使用权，鄹：毒) 已获学位的研究生按学授撬定j 提交印利版和电子版学位论文，学校可以采用影印：缩印或其他复制手段保存研究生 主交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；z ) 为 教学襄辩研器酶，学校可黻将公开韵孥谯论文或解密螽的学位论文僚为资料在图书馆、- 獒料室等场j 箩 或在校霆瓣上供棱肉舞垒阕读、谜燕。 本人学彼论文全郝蠛部分内容鲢公毒惫耩剃登) 授投西安理羔大学研究生帮办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说鳃) 、论文作者签名；j 螭，导师签名：酗：獬譬够月，7 日 1 绪论 l 绪论 1 1 锌铝合金的发展概况 高铝锌合金是近几十年来国内外应用日益广泛的价廉、节能、质优的新材料“ 3 】。它 具有抗拉强度和硬度高、阻尼性好、耐蘑性好、摩擦系数小、摩擦温升低、材料与制造成 本低廉等优点。同时，还具有良好的工艺性能，不仅可用予压铸，还适用予砂型、金属型、 石墨型、连铸等；且原材料来源广、价格低廉、熔化时能耗低，无污染，使用寿命长，是 国内外发展很快的一类新型合金村。目前，工业上已用其部分代替青铜、黄铜、铸铁甚 至球铁等结构材料，在模具材料及其它领域的应用上也正在开发和拓展。一些国家还将锌 铝合金列入国家标准 8 1 0 1 9 世纪中期已经开发出了铸造锌合金，现代工业广泛使用锌始于2 0 世纪初，但由于 受当时锌冶炼技术水平的制约，纯度较高豹原料锌无法获得，致使合金铸件易产生晶间腐 蚀，限制了其发展和应用9 1 。2 0 世纪以来，由于锌冶炼技术不断进步，工业锌纯度得以 提高。同时，锌合金生产技术的改进和完蒋使传统的锌合金铸件质量有了显著提高，促进 了铸造锌合金的发展和应用。 。 旱在二战结束蓠夕德匡就已成功冀鎏应用锌合金代替铜合金做轴承，主要采用重力铸造 工艺。据统计，1 9 3 9 1 9 4 3 年期间，德国锌合金用量由7 8 0 0 t 猛增到4 9 0 0 0 t ，增长了6 倍 多。2 0 世纪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 合金，7 0 年代末加拿大 n o r a n d a 矿山研究中心的魁= 艺克研究中心与美国的e a s t e r n 合金公司合作，开始新型高铝 锌合金的研究开发，嗣标是开发出一种可用于砂型铸造的高强度高韧性锌合金和一种可用 于金属型重力铸造的高强度高韧性镩合金1 1 0 1 。这最终导致了z a 2 7 合金和z a 8 合金的诞 生，这两种合金和z a l 2 一起构成了高铝锌合金系列。1 9 8 4 年美国材料与试验学会将其 列入a s t m 标准使锌合金进入系列化、标准化时代1 1 1 1 , 在国际上还出现了重力铸造用锌 基合金系列。囱从z a 2 7 和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基 合金的热潮，并且在加拿大、澳大利亚、英国、美国迅速打开市场。仅仅从美国来讲，从 1 9 7 8 1 9 8 0 年三年间，锌台金年产量由1 7 0 0 0 0 t 增至5 1 0 0 0 0 t 。随之日本，前苏联也都紧 紧跟上，大力进行锌合金的研究和应用 1 2 1 0 对于高铝锌合金，我国的许多研究院所和高等院校在2 0 世纪7 0 年代末，8 0 年代初 也开展了这方面的研究，并做了大量工作，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 i - c u 系列合金的先进水平，并已成功地厢来代替铜合金做耐磨零件及翻造模 具等。尽管如此，和发达阑家相比，我国在推广应用方面差距仍较大。我国富锌缺钢，以 锌代铜符合国情，发展高铝锌合金，使资源优势变为经济优势，在我圈的现代化建设中有 着重大的现实意义。 西安理王大学颈毒学位论文 1 2 高铝锌合金的化学成分及性能特点 1 2 1 化学成分 高铝锌合金是以z n 和a l 两种元素为主，c u 、m g 等元素为辅的多元合金1 1 2 1 。这类 合金铝含量比传统锌合金高 8 w t a 1 ，习惯上称为高铝锌合金或z a 合金。常用高铝锌合 金主要有三个牌号：z a 8 ，z a l 2 ，z a 2 7t 1 4 , 1 5 1 其化学成分觅表1 董。 表1 - 1 高铝锌基合金的化学成分 t a b 1 1z n - a 1a l l o yc h e m i c a lc o m p o s i t i o n 1 2 2 性能特点 高铝锌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。z a 系列合金的机械性能列予表l - 2 表1 - 2 z a 系列合金的机械性能 t a b 1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fz aa l l o y ss y s t e m a ，优良的使用性能 ( 1 ) 力学性能明显优于传统压铸合金。如高铝锌合金的抗拉强度比铝合金高约 2 0 - - 3 5 ，比镁合金a z 9 1 高5 0 - - 7 0 n 2 锻。在有持续应力的条件下，使用温度范围可拓 宽到1 5 0 c 。有较高的强度和硬度，如z a 2 7 合金具有较赢的抗拉强度，超过大部分有色 合金及灰铸铁和可锻铸铁。而且，z a 2 7 合金的比重远小于铜合金和黑色金属，可以达到 较高的比强度。 2 1 绪论 ( 2 ) 优异的摩擦磨损性能。试验表明，与铝、锡青铜褶比，高铝锌合金具有优良的干 摩擦和润滑摩擦性能，如较低的摩擦系数，更大的承载能力、更低的摩擦温舞和更宽的液 体润滑特性。经过微合金化后，摩擦系数较青铜和黄铜都小，且承载能力大。表1 3 为 z a 2 7 合金与锡青铜z q s n 6 6 3 摩擦系数与承载能力的比较。 表1 - 3z a 2 7 会金与锡青铜z q s n 6 - 6 - 3 瘴擦系数与承载熊力煦比较1 8 1 t a b 1 - 3f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dc a r r y i n gc a p a c i t yo fz a 2 7a l l o y sv s t h a to fz q s n 6 - 6 3t i nb r o n z e ( 3 ) 通过热处理可以获得丰富的性能配合。高铝锌合金的固态相变很复杂，采用不同 的热处理工艺，三种高铝锌合金可以获得不同的组织和性能，满足不同的应用需要1 1 1 ( 4 ) 良好的减振性能，无磁性，无火花特性。高铝锌合金的室温减振性能虽比铸铁略 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，适 合制作汽车发动机减振零部件；由予锌合金的无磁性，它霹制造防磁手表零件和仪表零部 件；高铝锌合金的无火花特性使得它适用于危险场合，例如英国曾规定具有特定成分的锌 合金可在煤矿坑道中应用。另外，在船舶上，尤其是油轮上的通风装簧都适于采用无火花 的锌基合金。 b 。良好的工艺性能 一 高铝锌合金具有良好的工艺性能，材料的工艺性能主要包括成形性能、机械加工性能 和表面处理性能等。 f 1 ) 离铝锌合金加工性能十分优良，切削速度可以是铸铁静3 5 倍，刃具寿命得到延 长，且具有流动性好n 9 2 0 1 ，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。 它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到0 5 1 0 m m t 2 0 1 。 可铸造出最小壁厚为2 m m 的铸件，可铸潦直径为l m m 左右的小孔，而铝合金在重力铸 造条件下，只能铸出最小壁厚为4 m m ，最小孔径6 m m 的铸件渤1 。可进行粗、精车，精 车后表面粗糙度r a 值可达1 6 以上，呈光亮的银白色，非常美观。也可进行研磨加工， 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，可进行氨弧浮接 1 9 1 0 ( 2 ) 成形方法广泛，不仅可用砂型铸造、金属型铸造等常用铸造方法来成形，丽且可 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 造等多种特种成形方法来制造。任何一个有色铸造车间都可以根据自已现有生_ 产设备，采 用相应的铸造工艺来组织生产。 c 低廉的制造成本 ( 1 ) 熔化温度低，耗能低。由于高铝锌合金的熔点低，在熔化过程中合金元素的烧损 3 番安理王大学颈套学位论文 少，氧化轻，吸气少，因此熔炼时可以不加溶剂、脱氧剂和精炼荆，其能耗约为铝合金的 1 3 1 4 1 。 ( 2 ) 材料成本较低。高铝锌合金的密度约为5 “3 9 c f n 3 ，小于黑色金属，只有铜合金 的2 3 。用高铝锌合金代替铜合金时，可以节省1 3 的原材料，而且铜的价格是锌或铝价 的两倍多，故锌合金的制造成本不足铜的一半。 ( 3 ) 机械加工费用较低。离铝锌会金可以采用少余量或无余量铸造成形，省去或大大 降低机械加工量，从而降低机加工费用。 1 2 3 应用范围 z a 8 、z a l 2 和z a 2 7 这三种高铝锌合金具有不同的力学和物理性能，以及不同的应 用场合和对象，对三者进行比较如下： ( 1 ) 孤8 z a 8 主要特点是窄的凝固温度范围0 7 5 - 4 0 4 c ) 和良好的流动性。对于要求低表面粗 糙度、压密性高、低应力下使用的薄壁复杂件，它是种较理想的铸造合金材料，但在抗 拉强度和硬度方面不如z a l 2 和z a 2 7 合金。 | 2 ) z a l 2 z a l 2 合金主要用于砂型和金属型铸造，也很适合石膏型、壳型和石墨型铸造。它的 抗拉强度和伸长率适中，是一种用途较广的材料。z a l 2 合金的高温性能和抗蠕变能力低 于z a 2 7 合金，工作温度不应高子1 0 0 4 c 。由予该合金的凝固温度范围中等( 3 7 5 , - - 4 3 2 c ) ， 因面对于冷却速度或温度梯度十分敏感。通常应以金属型或石墨铸造为主，以求细化晶粒 结构，提高合金的韧性。 ( 3 ) z a 2 7 在三种高铝锌合金中，z a 2 7 的综合性能最好，也是科研工作者研究最多的合金。通 常可用砂型铸造生产受力较大的工程结构件，工作温度可放宽到1 5 0 。但是，由于z a 2 7 合金的凝固温度范围宽( 3 7 5 - - , 4 8 4 c ) ，含铝量高，砂型铸造时常会出现底部收缩现象( 底 缩) 。因此，z a 2 7 合金十分适合于金属型铸造。其它成型方法，如离心铸造，低压铸造 等比较困难。 1 。3 各种元素对高铝锌合金性能的影响 1 。3 。l 主要合金元素的作用 8 划的作用 舢是高铝锌合金中首要的合金元素，它可以改变初生相的种类、数量和晶间共晶( 析) 体的数量，从而影响到合金的力学性能和铸造缺陷。当刖的含量在6 - - 1 0 范围内时，随 越含量的增加，合金的抗拉强度显著增加。对于z n - 2 2 3 0 a l 合金系列，不含铜时，合 金的抗拉强度随越含量的增加呈线性增大，伸长率随越含量的增加，在2 6 a 1 时出现 4 1 绪论 峰值，超过或低于2 6 a 1 时伸长率下降。含铜为2 5 时，随愆含量增加抗拉强度增大。 a l 大于2 5 2 7 以后，抗披强度基本不变，伸长率的变化与不含c u 的类似，在2 5 - 2 7 a 1 时出现极大值。当c u 含量达到5 时，合金的伸长率很低，呈脆性材料。a l 含量的增加 会加剧比重偏析和缩松倾向。 b 。翻的作焉 在高铝锌合金中，c u 的作用主要表现在：一是圃溶强化合金；二是形成金属间化合 物相( c u z n 5 ) ；三是减缓合金共析转变速度。 ( 1 ) c u 对组织的影响。 c u 在z a 2 7 合金中的最大豳溶度为1 2 * a r - , 1 3 c u ，超过此含量将柝出8 相。 ( 2 ) c u 对性能的影响。 在高铝锌合金中，随c u 含量的增加，合金抗拉强度增加，在2 5 c u 时出现最大值， 超过2 。5 c u 螽抗拉强度隧之下降。就整体焉言，合金的伸长率下降。1 2 5 含量芷是z a 2 7 合金最大圃溶量，合金中c u 含量小予1 2 5 则固溶强化不足；合金中c u 含量大予1 2 5 则出现沿界分布的弱脆相8 相。所以，1 2 5 c u 是个关键含量。在研究热处理工艺时发现， c u 含量高的z a 2 7 合金会出现不稳定现象。当c u 含量控制在1 2 5 时，热处理十分稳定。 试验中还发现，当合金中c u 含量大于1 2 5 时，一盈晶赛大量出现8 相，由于裾与基 体a ( a 1 ) 在电极电位上的差异，会促使晶间腐蚀，使合金的抗蚀性能变差。 c m g 的作用 m g 作为一种强化元素和防止晶阉腐蚀元素加入含金。由于在高锅锌合金中m g 朐加 入量甚微( ( o 0 3 ) ，对显微组织影响不大。在m g 对会金抗蚀性能试验中发现，m g 提高 合金的抗蚀性，尤以0 0 6 为最佳。 1 3 2 添加元素的影响 a n n 的影响 锰系过渡族元素，在z a 2 7 合金中加入m n ，能形成金属闻化合物( 锰相) 构成耐磨硬质相，并对合金的组织及性能带来影响。 m n 在组织中主要以富m n 硬化相分布于晶界或晶界附近，少数贯穿晶粒。加入会金 元素m n 不但能增加晶界共析体的连续性，且增加共析体数量。晶界附近层片状组织增多。 较软随共柝体组织煞增加有利于摩擦性能提高。此外，加入m n 后z a 2 7 合金中硬化相显著 增加，m n 的加入对合金的抗拉强度影响不大，瓶塑性、韧性指标随m n 含量的增加两降 低，一般6 处于1 8 , , - 3 2 之间，造成此现象原因为：m n 相为硬脆相，以断续近网状分布 于晶界，割裂基体，从而造成应力集中；晶粒细化后补缩通道减少，组织中特别是晶界处 存在较多麴显微疏松，从焉导致塑性、韧性降低。加入0 2 夺奄7 6 m n 磊合金的耐磨性麓 较未加m n 的有明显提高1 2 1 1 b 稀土元素的影响 国内矫已对稀土在高铝锌合金中的作用进行了广泛的研究。稀土的加入将对合金的组 5 西安理王大学磺毒学位论文 织、力学性能、铸造工艺性能等产生影响。 f l 对组织豹影嫡 稀土加入羼将使合金的组织发生变化，其主要作用表现为：细化基体，改变共晶析) 体形态和数量，形成稀土化合物，中和有害杂质1 2 2 1 。 细化基体。未勰稀土静z a 2 7 含金的初生旺( a 1 ) 裙呈蓰大树枝状，二次枝晶发达，棱 晶鹫润距大。擞入混合稀瑟粳夫树枝晶大大减少，二次枝燕臀闻距减小，这表爨褥土能 较明显细化z a 2 7 食金的晶粒尺寸1 2 3 - 2 5 1 。 改变共晶( 析) 体形态和数量。稀土i j t l a 后使晶界共晶( 析) 体数量增多，同时使共晶体 中的瑟裙瞬显变成了短捧葳糍状。这说骧稀改变了共晶结晶和固态裙变过程，其原因 可熊与稀土镳撬弓l 起成分过冷釉技箍游离有关，此终，稀土加入还使褥枝晶耀的富铜楣足 寸减小，分布均匀。 形成稀土化合物。稀土在z a 2 7 合金中的存在形式主要是圊溶体形成稀土化合物。加 入稀主少于0 0 5 时，基本上看不裂稀土诧合耪。可滥认为英隧溶予基体翱其他穗孛。当 稀土加入量超过o 。0 5 瞅，将形成块状耩化含物2 章锄1 ，随黄操入塞增拥，稀化会物 数量增多，尺寸增大。稀土化合物主要分布于枝晶问的共晶体中，也有少量存在于枝晶边 缘。 孛和有害杂质元素。辩诧合物属于金属蠲纯合耪，除了含有瓢，越和稀原予井， 还禽有氏和c u 。当褥土含量增加时，如z a 2 7 中混合舔土从0 0 5 增加到0 5 时，稀土 化合物中f c 含量增加，说明稀土化合物具有捕获有害杂志f e 的作用。 2 ) 对摩擦襄损性能的影噙 锌基合金的耐磨性熊健良，稀土魏入可蕊摩擦瘗按性能进一步褥到改善渤。文献渤 指出，稀土变质后，可细化晶粒，提高硬质点的弥散度，使之分布均匀，可提高合金的耐 磨性和疲劳度。 对于混合稀主来说，隧着耩蕊入量增热，磨撰失重越来越小，鄂纛砉蘑性提高。健加 入量超过o 。3 对，对轴摩损嬲显增加，这是硬质臻土鞠过多造成的。可见稀土含量较多 时对配对轴的不利影响不容忽视。 铈( c e ) 的影响 毒计算箱，c e 与越鞠z 蕤鹩原予半径鳇相对毽分裂淹兹帮4 6 ，嚣嚣c e 在z 娃积 越中的溶解度都很低，但属于表恧活性元素，晶体生长对c e 主要富集在固液界两上， 从而对合金的成分过冷将产生影响，据资料3 报导， 与其它元素对多元系的成分过 冷其有叠加效应。 在z a 2 7 趣入c e 瑟，对z a 2 7 和z a 2 7 c e 嚣合金性畿进行院较，发现后者不仅强度 高，塑性更优予前者。宋义全2 1 等人的试验表明，加入0 0 6 的稀土c e 后，z a 2 7 合金 铸态组织中1 3 枝晶的长度由原来的9 1 p r o 减少到6 2 p r o 。说明c e 变质处理后使晶粒得到细 讫。z a 2 7 合金的铸态组织中，黑色的( p + q ) 裰存在于p 初晶之闻，将使缀织构成网状形 6 l 绪论 态，热入c e 嚣网状结构消失，相硬质点细小，弥散且均匀遗随机分布于组织之中，因 而使合金的强韧性提高。c e 稀土对z a 2 7 合金拉伸性能的影响见图1 1 所示。 对富c e 稀土变质处理z a 2 7 合金细化晶粒机理，还有如下一些分析与解释：( 1 ) 由于 c e 的活性甚高，易于与熔体中的o 、h 、n 及a l 相结合成稳定的高熔点化合物。x 射线 衍射分析已证实存在a 1 c e 、a 1 2 c e 、a 1 4 c e 等物相，这些异质晶核可成为结晶核心，细化 组织。由于c e 原子很容易填补生长中的合金新相晶粒的表面缺陷处，生成能阻碍晶粒继 续长大的膜，从而使晶粒细化”邓4 1 。( 2 ) 也可以这样分析，由于c e 是表面活性元素，可 以使熔体的表面张力降低，因此降低了形成临界晶核所需功，使结晶核心增多，使晶粒细 化。同时因c e 的原予半径较大，在z a 2 7 合金中不太可能有太大的固溶度，根据固溶度 4 0 0 盘 z 留 萋3 0 0 鼋 2 0d 0 5 50 1 偶0 z 晒o 3 瞩 图1 - 1c e 稀土对z a 2 7 合金力学性能的影响 f i g 。1 - 1i n f l u e n c eo f c ee l e m e n to i lm e c h a a i c 滋p r o p e r t i e so f z a 2 7a l l o y 和晶间吸附关系的规律，固溶度愈小的溶质，在晶界处吸附的趋势愈大，因此c e 易偏谥 聚于晶界t 3 4 1 。 镧( l a ) 的影响 h 可以细化锌合金初生c t 相，改善共晶相的形貌与分布，提高合金的塑性和韧性指 标，z a 2 7 ( l a ) 合金的摩擦磨损特性优于z q s n 6 6 3 t 3 5 1 。 总之，无论是z a 2 7 ，z a l 2 ，z a 8 ，也无论是采用金属鍪还是砂型铸造，加入混和稀 土或单一稀土等均能改善抗拉强度和延伸率3 6 , 3 7 1 ，但稀土的加入量要适当。 钛、钛盐、硼、硼盐的影响 文献玛8 旄1 研究了t i 对z a 合金铸态组织的影响，结果均指出，加t i 能使z a 合金 铸态组织细化。通常认为，豇在铝合金中形成以t i a l 3 金属间化合物为基的固液体，它的 熔点商，在初生相结基前就已析出，可佟为初生晶的细化荆。所以，少量钛加入z a 2 7 合 金中可以细化初生晶并增加枝晶间共晶体数量。过量的t i 将形成小块状或十字花状硬质 相，对耐蘑健有利。 严俊萍等“3 1 试验表明，加入0 0 3 t i 后，可使组织细化，沿晶界分布的8 相和q 相 尺寸明显变小。同时，由于初晶细化，遥使曩相、相的分布更均匀，从丽大大减少了品 7 嚣辞牟譬 强 m 5 鑫 西安理王大学颈士学位论文 界的阻碍和破坏作用，便合金的机械性能得到提高。 对于硼，文献认为，硼加入z a 2 7 合金后，会形成a 1 8 2 化合物，这种化合物的熔 点很高，且与z a 2 7 合金中的初生a 固溶体枝晶有极好的共格关系，因此能起到良好的外 来晶核作用。但文献4 5 1 认为，过多的硼会在组织中产生偏析，从而失去细化组织的作用， 硼含量一般控制在0 0 3 以下。 添加硼、钛盐类细化割，能使z a 2 7 台金的晶粒从粗大树技晶转变为细小的等轴晶， 从而减少共晶体的数量，并且改变其分布状态，变的均匀而细小。沉淀相e ( c u z n s ) 分布更 加均匀。另外由于晶粒细化，晶界的液态合金在凝固过程中容易得到补充，显微缩松降低， 也减少了低熔点元素在晶界的偏聚。以上各因素都有利于提高z a 2 7 合金的 率长率，改善 其综合力学性麓。 田上道弘1 的研究指出，采用中间合金时t i a l 3 颗粒尺寸约为3 0 p r a ，具有最强的细 化效果，粗大的n 舢3 不能作为伍相的活性异质晶核，将成为杂质而危害合金的性能。 1 3 3 杂质的影晌 高铝锌合金中的有害杂质能对其性能产生重要影响。酃使是少量的锡、铅、镉也会使 机械性能恶化，促使铸件形成裂纹。这些元素不溶于液态锌，主要分布于晶粒边界，孳| 起 晶间腐蚀。铁虽然能提高合金的流动性，但极大地降低其机械性能。硅的作用类似于铁。 镍、铋等亦能促使晶间腐蚀，同样为有害杂质。 鑫s n 、c d 、p b 在高铝锌含金中，s n 、c d 、p b 均为有害杂质元素，即使是千分之几的s n 、p b 、c d 也能使机械性能恶化，使铸件产生裂纹。同时由于这些元素不溶于锌，且分布于晶界，引 起晶间腐蚀，应严格控制，他们主要影响合金的抗蚀性并增加热裂倾向。 黥在z 鑫中也基本不圈溶，它常常与z 鑫形成低熔点共晶体两存在于晶阆，弓| 起鑫阀 腐蚀，热脆，热裂，降低韧性。而且它能大大加剧合金的尺寸不稳定，使尺寸长大。c d 可以少量固溶于z n ，c d 降低合金的耐蚀性和铸造性能。 z n 和p b 在液态下不能互溶，室温下z n 中基本不能圈溶p b 。确的熔点低于锌合金 的固相线湿度，故锌合金中的珀常常班膜状或孤立相形式分布予晶界。另外，轴相与基 体电极电位不同，很易引起合金的次表层的晶间腐蚀。 b f o 在高铝锌合金中，f e 被公认为是主要的有害元素。它严重危害合金的力学性能，尤其 是塑性和韧性。它通常不与c a ，z n 发生作用，丽与越形成以f e a l 3 为基的固溶体，其 主体形貌为针状。f e a l 3 属单斜晶系，是一种比较稳定的硬脆相。随着f e 含量增加，f e a l 3 也增加，必然给塑性和韧性带来很大伤害。苏德煌“7 研究了铁对z a 2 7 合金高温拉伸性 能的影响，试验中铁的加入量为0 1 一1 麟，温度分别为2 0 和1 5 0 9 c ，结果表明，高温 下f e 对抗拉强度均有所提高，合金的伸长率和断面收缩率则随含铁量提高丽交大地降低。 高铝锌合金中的f e 主要来源于材料和所使用的铁质工具的污染。因此，在原材料准 囊 1 绪论 备和熔炼过程中应格外注意。合金中的f e 含量最好控制在0 0 5 以下。王灵卉强酗等人研 究认为铁主要是降低合金塑性，但对抗拉强度和腐蚀老化影响不大，其允许含量可适当放 宽，如f e 含量小予0 2 f e ( a s t m 规定z a 2 7 中f e 0 。l ) ，这样可以放宽对原材料纯度 要求，降低原材料成本。 c s b 对于s b ，文献“1 认为s b 的有害作用大于f o 和s i ，会大幅度降低合金的冲击韧性。 s b 常常以十分细长的针状相存在于高铝锌合金中，是一种金属间化合物。其化学式可能 是s b 4 忿5 z n 域s b 4 a 1 6 z n 。所以要尽量防止s b 对合金的污染，一般要求s b 0 1 时将出现针状的n 渊3 相，使韧性降低，一般要求n i - - 9 9 9 9 z n ) 、高纯铝锭( 童9 9 5 灿) 、电解铜：( 至9 9 7 c u ) 、2 撑纯镁锭( 主9 9 o m g ) 、复合细化 剂l 撑，2 捍配制。复合细化剂1 撑、2 拌是由混合稀土按一定的比例组成。 表2 - 1 实验合金的化学成分( 叽) t a b 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f z n a 1a l l o y si nt h ep r e s e n tp a p e r 实验合金 a 1c u m g z n 复合细化剂 z a 2 72 72 40 0 2 其余无 z a 2 7 ( 1 撑) 2 72 40 0 2 其余0 1 ( 1 的 z a 2 7 ( 2 # ) 2 7 2 40 0 2其余0 1 ( 2 彬 z a 3 03 0 2 40 0 2 其余无 z a 3 0 ( 1 哟 3 02 4 0 0 2 其余0 1 ( 1 群) z a 3 0 ( 2 # ) 3 02 4 0 0 2 其余0 1 ( 2 彬 z a 5 05 0 2 40 0 2 其余无 z a s 0 ( 1 撑) 5 02 4 0 0 2 其余0 1 ( 1 彬 z a s o ( 2 # ) 5 02 4 0 0 2 其余0 1 ( 2 群) z a 6 86 82 4 0 0 2 其余无 z a 6 8 ( 1 杓 6 82 4 0 0 2 其余0 1 ( 1 彬 z a 6 8 ( 2 # ) 6 82 4 0 0 2 其余 o 1 ( 2 柳 1 5 西安理工大学硕士学位论文 由于锌、铝、铜、镁在熔炼时均有不同的烧损，敌根据文献拜5 制定的原材料烧损率 值( 见表2 - 2 ) ，由公式q 2 壶m 哺1 计算原材料加入量，式中q 表示元素计及烧损时的 实际质量，a 为元素在合金中的百分含量，e 为冗素的烧损率。 表2 - 2 锌锅合金中元素的烧损率 t a b 2 2t h eb u r n i n gr a t eo f e l e m e n ti nz aa l l o y 合金元素z na 1 c u m g 烧损率腻51 0l2 5 2 。3 合金的熔炼及热处理工艺 2 3 1 实验准备工作 a 金属型的制备 实验采用由a 3 无缝钢管焊接而成的金属型模具，直径o s 0 m m ，高度为3 0 0 m m 。金 属模及熔炼工具预热蘑刷好涂料烘干。涂料为2 0 z n o + 6 - , 8 n a 2 s i 0 3 溶液+ 7 2 7 4 h 2 0 。 金属模预热温度约为2 5 0 。 b 。配制a i - c u 中闻合金 纯砧和c u 质量各为5 0 ，预热石墨坩埚至5 0 0 c ，然后装入c u 块，使c u 块排布 在坩锅内壁四周，趟块置于中闻，加热至熔化，搅拌均匀，静置，扒渣，在合金液温度 降至7 5 0 时，浇注到金属型模具中。 2 3 。2 熔炼工艺 合金熔炼采用功率为5 0 0 0 w 的井式坩锅炉。测温采用铠装n i c r - n i s i 热电偶，测温 精度为5 k 。原料锭须预先除去油污、锈蚀和污垢并经过干燥去除表面水分。熔炼时先 将增锅加热至暗红色( 5 0 0 左右) ，加入纯铝和铝铜中间合金，升温至铝锭全部熔化后， 分批加入预热过的锌块，锌块熔化后，用钟罩压入镁和复合细化剂，加入脱水六氯乙烷除 气耩炼，静鬻1 0 m i n 聪，去除浮渣，在金属型模具中浇注成0 5 0 m m x 3 0 0 m m 的试样毛坯， 采用水冷成形。 熔炼和浇注所需模具内壁、执渣工具及精炼工具需除锈后涂z n o 涂料。 2 3 3 时效处理 时效是在热风循环电炉中进行，时效温度为1 0 5 c ，时效时间2 5 h 。时效处理结束后 采用空冷自然冷却。 1 6 2 研究内容及实验方法 2 4 分析测试方法 2 。4 。1 合金金相组织观察与分析 金相试样在铸态和热处理态拉伸试样上截取。显微组织观察与分析具体过程为：试样 切取_ 试样铡备_ 试样腐蚀- 金相组织观察_ 显微组织分析。腐蚀剂为5 h n 0 3 + 5 h c i + 9 0 蒸馏水。z a 6 8 合金的金相试样所用腐蚀剂为5 氢氟酸+ 9 5 蒸馏水。金相组织观察 与分析在n e o p h o t - 2 1 型金相显微镜上进行。 2 4 2s e m 显微组织观察与分析 s e m 显微组织观察与分析在a m r a y - 1 0 0 0 b 型扫描电子显微镜上进行。第二相相组 成分析在与扫描电镜配套的高性能x 射线能谱仪( o x f o r di n c a ) 进行。 2 。4 。3t e m 显微组织观察与分析 t e m 显微组织观察与分析是在j e m 2 0 1 0 f 型透射电子显微镜上进行，主要观察不同 处理态下材料的微观缌织和结构、第二楣的形貌、大小、分布及其在合金凝固、变形和再 结晶过程中的作用机理和对材料影响等。试样制备：选好试样先用线切割切出l m m 左右 的薄片，然后在砂纸上磨至4 0 6 0 1 u n ，经离子减磨仪双喷穿孔，最后在j e m 。2 0 1 0 f 型透 射电子显微镜下观察薄区。并对第二相用与透射电镜配套的高性能x 射线能谱仪( o x f o r d i n c a ) 测定其元素组成。 - 2 4 。4x - r a y 衍射分析 x r a y 衍射分析在r i g a k u d m a x - 3 c 型x - r a y 衍射仪上进行，其中辐射源为c u k a ， 采用步进扫描，扫描步长0 0 2 0 ，扫描范围2 0 0 - - , 8 0 0 。 2 5 力学性能测试 室温拉伸试样参照金属挝伸实验诚样( g b t 6 3 9 7 。1 9 8 6 ) 加工试样尺寸如图2 3 所 示。拉伸实验在w d w 3 1 0 0 型微机控制电子万能实验机上进行，拉伸速度为2 m m m i n ， 每个测定值均为3 个试样的平均僮，测逛褶应的抗拉强度和伸长率。 6 3 岔s其余1 7 闰2 3 抗拉试样的形状与尺寸 f i g 2 - 3t h es h a p ea n dd i m e n s i o no f s p e c i m e n 1 7 西安理工大学硕士学拔论文 本实验测定的硬度为布氏硬度。 布氏硬度在h b 3 0 0 0 型布氏硬度实验机上进行测试。载荷为2 5 0 k g f , 加载时间3 0 s ， 压头为直径为5 m m 的钢球，硬度值均取三次测试的平均值。 2 6 摩擦磨损性能测试 摩擦磨损实验在环盘式m m w - 2 立式万能摩擦试验机上进行。实验时上试样转动而下 试样固定，上试样为试验材料，接触表面的粗糙度为r a 0 8 ，下试样为调制处理的4 5 群钢， 硬度为4 4 - - 4 6 h r c ，表面粗糙度为r a 0 8 ，上下试样加工尺寸如图