热处理对高铝锌基合金组织与性能的影响

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  摘要:采用传统的重力铸造的方法,通过金相显微镜、电子布氏硬度计以及万能拉伸试验机等检测设备,研究了热处理对高铝锌基合金组织与性能的影响。实验结果表明:热处理能够有效地细化合金晶粒,改善ZA45Si3Cu合金的组织和力学性能。当固溶温度为360℃+保温时间5h,时效温为150℃+保温时间为5h时,ZA45Si3Cu合金显微组织的细化效果最佳,粗大的树枝晶组织均匀、细小的形状,合金抗拉强度达到224MPa,伸长率为3.33%。
  关键词:热处理;高铝锌基合金;组织与性能
  1 前言
  高铝锌基具有较好的力学性能,较好的耐磨性能,优异的铸造性能,优异的减震性能,因其性能良好,价格相对便宜,自出现以来就一直备受人们所关注。同时,它的原料资源丰富,制造成本低廉,生产熔化耗能低,熔炼工艺简单,对环境的污染小,因此高铝锌基合金被大量应用于机械制造、冶金、汽车制造等多个领域。因为这些合金拥有良好的综合力学性能,在金属材料界引起热烈反响,使人们对锌铝合金的研究达到前所未有的热潮,比如用新型高铝锌基合金替代贵金属做为耐磨材料、模具材料、减震材料等,解决了我国铜资源的短缺问题,也使资源得到优化配置,符合我国绿色发展的道路,为以后的高铝锌基合金研究发展打下了坚实的基础。
  苏枫[1]通过对高铝锌基合金涂层的耐蚀机理研究,结果表明,Zn-15Al合金由于结合了锌的牺牲阳极作用和铝良好的耐蚀性,具有良好的电化学保护作用和优异的耐盐雾腐蚀性能,因而在钢铁材料的腐蚀保护中应用广泛。纪嘉明、邵红红等[2]对新型高铝锌基合金组织及性能的试验研究,通过合金成分的改变并加入0.05%富镧混合稀土制备了新型高铝锌基合金,并对该合金铸态条件下显微组织、力学性能、热膨胀系数进行了试验研究。结果表明:新型高铝锌合金具有比传统的ZA27更细小的显微组织,更高的强度、硬度和较小的热膨胀系数;稀土的加入不仅对合金强度、硬度和热膨胀系数而且对合金塑性改善均有有益作用。沈阳工业大学的徐向阳[3]等通过Zr对ZA27进行变质处理,发现加入一定量的Zr元素会使合金产生亚稳Al3Zr相,析出Al2ZnZr(LI2)相,抑制合金的再结晶,得到非再结晶组织,相当于细化晶粒,同时,合金的硬度、拉伸性能也得到了提高。赵静[4]等研究了Er、Zr对ZA43合金进行复合变质处理,发现添加0.2%Er和0.1%Zr时合金的微观组织由粗大的树枝状变为细小的花瓣状,抗拉强度比没经过变质处理时提高了26.7%。
  通过国内外对高铝锌基合金的研究可知,对高铝锌基合金进行热处理可以改善合金的微观组织,提高综合力学性能。而且,我国锌资源丰富,但铜资源则相对较少,为了更好的发挥本国的资源优势,研发铜类合金的锌铝合金替代产品,可以有效的解决我国铜资源紧缺的问题,在金属材料领域极具研究意义。
  2 实验材料以及方法
  2.1 实验材料
  实验所用材料为高铝锌基合金(ZA45Si3Cu)合金,其成分如表1所示。为了避免杂质元素所造成的实验误差,采用了工业高纯铝(99.9%),纯锌(99.9%),铝硅合金和Al-Cu中间合金为原料,按照配比(其中Al的含量为45%,Si的含量为3%,Cu的含量为1%,其余的为Zn)配制而成。热处理工艺如表2所示。
  2.2试验方法
  根据合金成分设计,称量实验所用原料,把预先称量好的纯铝原料预热,放入熔炼炉内,缓慢加热到750℃。待加入的纯铝完全熔化后,再把称量好的Al-Si和Al-50%Cu合金经预热后放入熔炼炉。待Al-Si和Al-50%Cu完全熔化后,放入预热的锌锭,待锌锭完全熔化后,充分搅拌,将熔内温度设置到720℃,静置0.5小时后,将炉液浇入到预热200℃的拉伸模具中,得到拉伸棒,工艺流程图2所示。浇铸前在模具内壁,搅拌棒、扒渣勺等工具表面均匀的涂一层氧化锌与水玻璃的混合溶液(水玻璃+水+氧化锌,体积比为1:4:1)。拉伸试样尺寸如图3所示。
  3 试验分析
  3.1 金相显微试验分析
  热处理工艺不同,对ZA45Si3Cu合金的晶粒细化作用是不同的。ZA45Si3Cu合金经热处理后,可以形成LI2型的 Al2ZnZr相,Al2ZnZr粒子可以起到形核的作用,达到细化晶粒的效果。
  图4为铸态下的高铝锌基合金金相显微图,组织由初生树枝α(Al)相、(α+η)共析体、少量ε(CuZn4)相和硅相组成,其中粗大枝晶为初生α相,是锌溶于铝形成的固溶体。由于该合金铝含量较高,组织中α相枝晶比较发达,在铸态条件下,存在严重的非平衡偏析组织。晶粒粗大,分布不均匀,所以韧性很低。
  图5为合金在固溶温度为350℃+保温时间5h,时效温为150℃+保温时间为5h时的金相图,初生的α相组织由粗大树枝晶组织向花状结构组织和少量的团聚状组织转变,二次枝晶组织也有数量降低,此时晶界共晶体组织变化不大,晶粒粗大。
  图6为合金在固溶温度为360℃+保温时间5h,时效温为150℃+保温时间为5h时的金相图,合金中几乎看不到α相粗大的树枝晶组织和花朵状组织,转变为团絮状组织,并且分布比较均匀,晶界非平衡共晶组织也有减少并变得细小。
  图7为合金在固溶温度为370℃+保温时间5h,时效温为150℃+保温时间为5h时的金相图,合金中的团絮状组织尺寸相对于图3-3略有增大。
  高铝锌基合金由于含铝量较高,所以组织中α相枝晶比较发达,铸态条件下存在严重晶内偏析,金相组织分布不均匀,晶粒粗大,韧性低。经过锆变质处理后,原来粗大的树枝状组织变得细小、致密,晶粒得到细化,韧性得到提高。特别是添加Zr的含量为0.3%时细化效果最好。
  3.2 力学试验分析
  表3的数据是经不同的热处理后的高铝锌基合金的力学性能。由表3的实验数据可以清楚地看出,热处理能够有效地细化合金晶粒,改善ZA45Si3Cu合金的组织和力学性能。当固溶温度为360℃+保温时间5h,时效温为150℃+保温时间为5h时,ZA45Si3Cu合金显微组织的细化效果最佳,粗大的树枝晶组织均匀、细小的形状,合金抗拉强度达到246MPa,伸长率为3.4%。热处理对合金的硬度影响不是特别明显。
  4结论
  (1)熱处理能够有效地细化合金晶粒,改善ZA45Si3Cu合金的组织和力学性能。
  (2)当固溶温度为360℃+保温时间5h,时效温为150℃+保温时间为5h时,ZA45Si3Cu合金显微组织的细化效果最佳,粗大的树枝晶组织均匀、细小的形状,合金抗拉强度达到246MPa,伸长率为3.4%。
  参考文献
  [1]苏枫. 高铝锌基合金涂层的耐蚀机理研究[D].南京航空航天大学,2018.
  [2]纪嘉明,邵红红,孟国萃,顾冬青.新型高铝锌基合金组织及性能的试验研究[J].热加工工艺,2014,43(02):61-63+66.
  [3]徐向阳. 微量Sc、Zr对ZA27合金组织与性能的影响[D]. 沈阳工业大学,2009.
  [4]赵静. 微量元素Er和Zr复合合金化对锌铝合金组织及性能的影响[D]. 沈阳工业大学. 2012.
  *通讯作者:杨途才(1992-),男,汉,广西来宾人,本科,助理工程师,研究方向:高性能铝合金
  基金资助:2019年百色学院自治区级大学生创新创业训练计划项目:《热处理对高铝锌基合金组织与性能的影响》(项目编号201910609083)
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