新型高鋁鋅基合金設計及其性能研究

1、新型高鋁鋅基合金制備及其性能研究*顧冬青，邵紅紅，紀嘉明(江蘇大學材料科學與工程學院摘 要： 通過合金成分的改變制備了新型高鋁鋅基合金。研究了鑄態(tài)、固溶處理、時效處理條件下該合金的顯微組織、力學性能、熱膨脹系數(shù)。結果表明, 稀土的加入可顯著提高合金的力學性能，同時提高了合金的尺寸穩(wěn)定性，且尺寸穩(wěn)定性明顯優(yōu)于ZA27合金。關鍵詞：高鋁鋅基合金；固溶處理；時效處理；熱膨脹系數(shù)中圖分類號：TG 146.1 文獻標識碼：A 文章編號：Preparation and research of new high aluminum Zn-based alloyGU Dong-Qing, SHAO Hong-H

2、ong, JI Jia-Ming(School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,ChinaAbstract: A new high aluminum Zn-based alloy was prepared by changing alloy compositions. Microstructures, mechanical properties and thermal expansion coefficients of the new alloy under the conditi

3、ons of cast, diffusion and aging treatment were investigated. The results show that adding RE to the Zn-Al alloy can considerably improve its mechanical properties and dimensional stability. Dimensional stability of the new alloy has an excellent improvement compared with ZA27 alloy.Key words: high

4、Aluminum Zn-based alloy；diffusion; aging; thermal expansion coefficients我國是一個多鋅少銅的國家，經(jīng)濟和社會的進步要求我們提供稀缺資源的替代產(chǎn)品。鋅合金由于具有優(yōu)良的力學性能和鑄造性能且價格便宜（僅為銅合金的1/21/3），已經(jīng)在很多領域逐漸取代青銅以及鋁合金制造的渦輪、軸瓦、滑塊、螺紋套等耐磨零件1,2。但目前成熟的鋅鋁合金（如ZA27合金）只能用于低速重載工作的零件，對于中高速運動、高溫環(huán)境下工作的鋅鋁合金零件存在著熱膨脹系數(shù)大、尺寸穩(wěn)定性差、工作溫度超過120 后力學性能急劇下降的問題，嚴重限制了鋅鋁合金的應用范圍3

5、,4。針對目前鋅鋁合金存在的問題，本課題對合金成分、鑄造工藝、熱處理工藝等方面進行系統(tǒng)研究，以期研制出能在中、高速運動條件下使用的新型高鋁鋅基合金。1. 鋅基合金成分設計鋁是面心立方結構、對稱性強，提高鋁元素含量可以增加鋅鋁合金的尺寸穩(wěn)定性。但是，從鋅鋁二元相圖6可以看出鋁含量提高液固相線寬度增大、枝晶增多、偏析嚴重，降低了鋅鋁合金流動性降低、鑄造性能下降。硅元素的加入可以改善鋅鋁合金的流動性能，硅相的解離開裂和割裂基體的作用也改善了合金的耐磨性7。加入銅、鎂元素作為增強相可以提高鋅鋁合金的力學性能。然而鎂元素的加入在提高鋅鋁合金硬度和拉伸性能的同時伴隨著明顯的韌性損失8，添加時也需要保護氣體

6、的作用。銅元素的加入既提高了鋅鋁合金的硬度、拉伸性能，也增加了合金耐磨性9；但銅元素含量超過一定范圍會造成鑄件尺寸不穩(wěn)定10。微量稀土元素的加入對鋅鋁合金的變質作用、微合金化作用、凈化作用可以細化鋅鋁合金晶粒，提高合金耐磨性，改善鋅鋁合金高溫性能；加入量在0.010.05%11。本課題研制的新型高鋁鋅基合金成分為：40 %的Al ；1%2%的Si ；1%5%的Cu 以及0.05%富鑭系混合稀土。 52 試驗結果與討論2.1 鑄態(tài)組織性能及其工藝合金熔化使用坩堝電阻爐，坩堝材質為石墨，每爐熔化約2.5 kg的合金。采用中間合金熔煉法，以降低熔化溫度，減少元素氧化和燒損；其中稀土以Al-10RE

7、合金形式加入。試樣采用金屬型鑄造，模具材質為鑄鐵，澆注溫度選擇在650 12。因為過高的溫度影響凝固形式、造成晶粒粗大；鋅基合金的液體溫度收稿日期：20091218； 修改稿收到日期：20100123超過700 時會產(chǎn)生鋅煙（氧化鋅）。硬度測試選用HB-3000布氏硬度試驗機，每組實驗選取3塊試樣，每塊試樣選取三點測試。拉伸試驗選用WE-100液壓式萬能試驗機，每組實驗選取4根棒材進行測試。拉伸試樣的尺寸見圖1。 13圖1 拉伸試樣尺寸圖2是加入稀土前后的鑄態(tài)高鋁鋅基合金顯微組織。由圖2可以看出, 稀土的加入明顯細化了鋅基合金顯微組織，化合物均勻分散分布。顯微組織變化導致的鋅基合金力學性能相應

8、變化見表1。通過表1可以看出，加入微量稀土的高鋁鋅基合金硬度、拉伸強度明顯優(yōu)于未加入稀土的該合金，伸長率隨著硬度、強度的增加不降反升，綜合性能明顯提高。 (a 未加入稀土的合金 (b 加入稀土的合金圖2 高鋁鋅基合金鑄態(tài)顯微組織表1 不同成分高鋁鋅基合金鑄態(tài)的力學性能硬度未加入稀土的合金加入稀土的合金 (BHN 110 125 抗拉強度/ MPa 377 387 伸長率/% 0.48 0.82 2.2 熱膨脹系數(shù)測定試驗測定了鑄態(tài)條件下未加入稀土高鋁鋅基合金熱膨脹系數(shù)（其結果見圖3）和加入稀土的鋅基合金熱膨脹系數(shù)（其結果見圖4），并將兩者與成熟的ZA27合金的熱膨脹系數(shù)進行了對比。熱膨脹系數(shù)測

9、定采用WTD-2型熱膨脹儀，試驗選取的溫度區(qū)間為100200 ，試樣為尺寸20 mm×8 mm的棒材。圖3未加入稀土的鋅基合金熱膨脹系數(shù)圖 圖4 加入稀土的鋅基合金熱膨脹系數(shù)圖熱膨脹系數(shù)的大小反映了原子間結合能的大小。六方晶體結構的膨脹系數(shù)大于面心立方結構的膨脹系數(shù)，而鋅基合金富Al 的相為面心立方結構，所以鋁含量的提高降低了鋅基合金的熱膨脹系數(shù)。加入的微量稀土與Al 元素形成了高熔點的RE(Aln 相顆粒15，該顆粒可以成為相形核的基體、促進相的形成；同時稀土的加入也細化了相等晶粒的尺寸，有助于降低鋅基合金的熱膨脹系數(shù)。2.3 固溶處理對高鋁鋅基合金組織及性能的影響16鋅鋁合金固溶

10、處理溫度一般選擇低于相應組分液相線溫度100150 的范圍內。結合實際，選取370 作為固溶處理溫度；為使反應充分進行，保溫時間選取為24 h，冷卻方式為快速水冷。圖5為固溶處理后新型高鋁鋅基合金樣品的顯微組織。與圖2b 對比可以看出：經(jīng)過固溶處理后，鑄態(tài)樣品顯微組織中的枝晶基本消失，白色點狀強化相彌散分布，得到均勻的過飽和固溶體組織。經(jīng)固溶處理的鋅基合金力學性能測試結果見表2, 固溶處理后的鋅基合金力學性能較之鑄態(tài)條件下的鋅鋁合金顯著改善；并且加入稀土的高鋁鋅基合金硬度、拉伸強度、斷裂伸長率高于未加入稀土的鋅基合金。 圖5經(jīng)固溶處理后高鋁鋅基合金顯微組織表2 固溶處理后不同組成高鋁鋅基合金力

11、學性能未加入稀土的合金加入稀土的合金 硬度 (BHN 120 抗拉強度/MPa 394 伸長率/% 0.66 2.4 時效處理對高鋁鋅基合金性能的影響有色金屬合金最佳時效溫度應在0.50.6倍的合金熔點的范圍之內17。選取經(jīng)上述固溶處理后的高鋁鋅基合金樣品在150 溫度18下時效不同的時間后測量布氏硬度，結果見圖6所示。圖6是時效時間相同條件下，高鋁鋅基合金時效硬度值隨時效時間變化的曲線圖。溶處理后高鋁鋅基合金在150 時效11 in時硬度值最大，第二相相組織從過飽和固溶體組織析出，成為平衡相組織；11 min后析出相過時效，開始軟化。圖7驗證了文獻16中鋅基合金時效溫度的選擇。綜合兩圖可以看

12、出本文研制的高鋁鋅基合金最佳時效處理工藝是150 保溫11 min。 H a r d n e s s /H B H a r d n e s s /H BAgeing time/min Temperature/圖6 時效時間對合金硬度的影響 圖7 時效溫度對合金硬度的影響3 結論(1 研制的新型高鋁鋅基合金熱膨脹系數(shù)明顯低于工藝成熟的ZA27合金。(2 稀土的加入有效細化了晶粒，使得高鋁鋅基合金力學性能明顯提高，同時增加了合金尺寸穩(wěn)定性。(3 固溶處理明顯提高新型高鋁鋅基合金力學性能，時效處理后該合金力學性能更加優(yōu)越。參考文獻1 卜金緯. 鑄造鋅鋁合金ZA27變質處理的研究現(xiàn)狀與展望J.常州工學

13、院學報，2008(1：1-2。2 李桂玲，夏蘭廷，藺虹賓.Al 含量對高鋁鋅基合金組織的影響J.中國鑄造裝備與技術，2009(3：22-24.3 Temel Sava, Zeki Azakl. An investigation of lubricated friction and wear properties of Zn-40Al-2Cu-2Sialloy in comparison with SAE65 bearing bronzeJ.Wear, 2008,264:920-928.4 閆承俊，王吉岱，孫靜，謝永. 稀土氧化物對高鋁鋅基合金力學性能的影響J.鑄造技術，2006(8：842-8

14、44.5 閆淑卿，謝敬佩. 冷卻速度及鋁含量對鋅合金組織及硬度的影響J.熱加工工藝，2007，36(16：10-12.6 武江，未立清. 鋅基耐磨合金的研制與應用J.有色冶煉，2001(5：62-64.7 宋楊陽，王杰芳，閆淑卿，劉忠俠. 含硅高鋁鋅基合金微觀組織和性能的研究J.熱加工工藝，2009，38( 10：68-73.8 趙浩峰，王玲. 鑄造鋅合金及其復合材料M.北京：中國標準出版社，2002：48-49.9 李建春. 錳、銅含量對鋅鋁合金組織性能的影響J.理化檢驗（物理分冊），2009，45(6：331-332.10 Kaye A, Street A. 黃杏蓉等譯. 壓鑄冶金學M.

15、北京：機械工業(yè)出版社，1987：22-23.11 田衛(wèi)平. 稀土對鋅鋁合金晶粒的細化作用J.昆明理工大學學報（理工版），2003，28(1：28-29.12 陳新，宋東明，王云坤，等. 高鋁鋅基熱鍍合金熔鑄工藝研究J.云南冶金，2009，38(3：40-42.13 Prasad B K, Patwardhan A K, Yegneswarnan A H. Microstructure Property Characterization of Some ZnAlAlloy: Effect of Heat Treatment ParametersJ. Z Metallked 1996, 87(12:967-971.14 陳美玲，陳玉喜. 高鋁鋅基合金熱膨脹性