（材料学专业论文）高铝锌基合金制备及其性能研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数掘库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密形 学位论文作者签名 刃，f 指剥雠：鄂事痧 匀，年易月7 日 高铝锌基合金制备及其性能研究 s t u d yo nh i g ha l u m i n u m z n - b a s e da l l o y s p r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e s 姓 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 锌基合金是近十年来国内外应用日益广泛的一种新型有色金属材 料，因其良好的铸造性能、耐磨性能和低廉的制造成本，已在工业应 用中部分取代青铜、黄铜作为制造减磨、耐磨零件的材料。而我国又 是一个多锌少铜的国家，随着经济技术的飞速发展，寻求铜的有效替 代材料已成为可持续发展亟待解决的重要问题，赋予了锌铝合金重要 的工程应用价值。但目前锌基合金普遍存在着工作温度低，尺寸稳定 性差等问题，针对锌基合金存在的问题，本文从合金化及组织结构等 方面进行系统研究，为进一步扩大锌基合金的应用范围奠定基础。 本文通过合金化及变质处理制备出了性能优良的高铝锌基合金， 其成分为z n 4 0 a i 2 c u 1 s i 。借助扫描电镜、能谱仪、x 射线衍射仪、 w t d 一2 型热膨胀仪、m g 2 0 0 0 型高温高速摩擦磨损试验机等设备，系 统研究了合金元素及其添加量、热处理工艺参数对制备的高铝锌基合 金组织及性能的影响。 力学性能实验结果表明，本文制备的高铝锌基合金铸态下硬度及 抗拉强度比传统的z a 2 7 合金分别提高了6 及2 0 。此外，0 0 5 w t 稀土元素的加入可进一步提高其硬度及抗拉强度。 热膨胀系数检测结果表明，本文制备的高铝锌基合金膨胀系数明 显低于z a 2 7 合金，其中1 0 0 下比z a 2 7 合金降低3 7 ，其主要原因 是高含铝量及高熔点c u 元素的作用。 摩擦磨损实验表明，所制备的高铝锌基合金经3 7 0 2 4 h 固溶处 理，1 5 0 1 1 m i n 时效处理后的硬度达到最大值；在相同工况条件下， 其耐磨性最好，且明显优于z a 2 7 合金。 关键词：高铝锌基合金，力学性能，尺寸稳定性，摩擦磨损性能 高铝锌基合金制备及其性能研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t z n - a 1a l l o y sa r en e wt y p eo fm e t a lm a t e r i a l sa n du s e dw i d e l yi n r e s c cn tt e ny e a r sf o rt h e i rm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sg o o dc a s t i n gp r o p e r t i e s ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，g o o df r i c t i o na n dw e a rp e r f o r m a n c e s ，a n da l s o c h e a pt om a n u f a c t u r e ，w h i c hn o wp a r t i l yr e p l a c eb r o n z ea n db r a s si n i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s t h e r ea r em o r ez i n ct h a nc o p p e ri no u rc o u n t r y w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt e c h n o l o g y , t os e a r c he f f e c t i v e s u b s t i t u t e sf o r c o p p e r h a sb e c o m ea n i m p o r t a n ti s s u er e q u i r e db y s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，w h i c hg i v e nt h ez i n c - a l u m i n u ma l l o yi m p o r t a n t e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m si nz i n c b a s e da l l o y f o ri t sl o ww o r kt e m p e r a t u r e ，a n dp o o rd i m e n s i o n a ls t a b i l i t y f o rt h e z i n c - b a s e da l l o yp r o b l e m s ，t h i sp a p e rd o e ss y s t e m i cr e s e a r c hi na l l o y i n g a n dt h eo r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e ，t oa b t a i nf u r t h e ra p p l i c a t i o no fz i n cb a s e d a l l o y sb a s i s t h eh i g ha l u m i n u mz i n ca l l o y sw i t hg o o dp e r f o r m a n c ew e r ep r e p a r e d b ya l l o y i n ga n dm o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t ，a n dt h ea l l o y sc o m p o s i t i o ni s z n - 4 0 a i 一2 c u 一1 s i a l l o y s s t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e w h i c hw e r e i n f l u e n c e db ya l l o y i n ge l e m e n t s ，e l e m e n t s a d d i t i o n ，a n dh e a tt r e a t m e n t p a r a m e t e r s w e r er e s e r c h e d b ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , e n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y , x r a yd i f f r a c t i o n ，w t d - 2 一t y p et h e r m a le x p a n s i o n ， m g 2 0 0 0 - t y p eh i g h - t e m p e r a t u r eh i g h - s p e e d f r i c t i o na n dw e a r t e s t i n g m a c h i n e sa n do t h e re q u i p m e n t s t h e e x p e r i m e n t r e s u l t so fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s s h o wt h a tt h e h a r d n e s sa n dt h et e n s i l es t r e n g t ho fz n b a s e da l l o yp r e p a r e di nt h i sp a p e r w e r ei n c r e a s e db y6 a n d2 0 c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a l a l l o y z a 2 7 i na d d i t i o n ，0 0 5 w t r a r ee a r t he l e m e n t s a d d i t i o nc a ni m p r o v et h e h a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t hf u r t h e r i i i 高铝锌基合金制备及其性能研究 c o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o nt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h et h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fz n - b a s ea l l o yp r e p a r e di nt h i sp a p e ri sl o w e rt h a n z a 2 7a l l o y a n di t st h e r m a le x p a n s i o ni s3 7 l o w e rt h a nt h ez a 2 7a l l o ya t t h et e m p e r a t u r eo f1 0 0 。c ，t h em a i nr e a s o ni st h eh i g hc o n t e n to fa l u m i n u m a n dh i g hm e l t i n gp o i n te l e m e n t so fc u f r i c t i o na n dw e a re x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eh a r d n e s so fz n - b a s e d a l l o yp r e p a r e di nt h i sp a p e rr e a c h sm a x i m u mv a l u ea f t e rb e i n gt r e a t e db y 3 7 0 x 2 4 hs o l u t i o na n d1 5 0 xll m i na g i n g i nt h es a m ew o r k i n g c o n d i t i o n s ，t h eh i g ha l u m i n u mz i n ca l l o y sp r e p a r e di nt h i sp a p e rh a v et h e b e s tw e a rr e s i s t a n c ec o m p a r e dw i t hz a 2 7 a l l o y k e y w o r d s ：h i g ha l u m i n u mz i n c b a s e da l l o y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， c o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n ，f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 高铝锌基合金发展概况1 1 2 高铝锌基合金的化学成分及其性能2 1 2 1 高铝锌基合金化学成分2 1 2 2 高铝锌基合金性能特点2 1 2 3 高铝锌基合金应用现状4 1 3 高铝锌基合金中不同合金元素的作用5 1 4 高铝锌基合金国内外研究现状8 1 4 1 高铝锌基合金力学性能的改善研究9 1 4 2 高铝锌基合金耐磨性能的改善研究1 1 1 5高铝锌基合金存在的问题1 2 1 6 本文的研究目的、意义及研究内容1 2 第二章实验方法及过程。1 4 2 1 高铝锌基合金成分设计1 4 2 2 合金熔炼及热处理工艺1 7 2 2 1 实验材料准备1 7 2 2 2 合金熔炼工艺1 7 2 2 3 合金热处理工艺1 9 2 3 分析测试方法1 9 2 3 1 微观组织观察及成分分析1 9 2 3 2s e m 显微组织观察1 9 2 4 力学性能测试1 9 2 4 1 硬度测试1 9 2 4 2 拉伸强度测试1 9 2 5 热膨胀系数测定2 0 2 6 摩擦磨损性能测试2 1 第三章合金元素对高铝锌基合金铸态组织与性能的影响。2 3 3 1s i 元素对高铝锌基合金铸态组织与性能的影响2 3 v 高铝锌基合金制备及其性能研究 3 2c u 元素对高铝锌基合金铸态组织与性能的影响2 7 3 3 稀土元素对高铝锌基合金铸态组织与性能的影响3 0 3 4 本章小结3 2 第四章热处理对高铝锌基合金组织性能的影响3 4 4 1 固溶处理对高铝锌基合金组织性能的影响3 4 4 2 时效处理对高铝锌基合金组织性能的影响3 5 4 3 本章小结3 7 第五章高铝锌基合金摩擦磨损性能及其影响因素的研究3 8 5 1 磨损机理与摩擦磨损影响因素3 8 5 1 1 磨损机理3 8 5 1 2 摩擦磨损的影响因素。3 9 5 2 实验结果与分析4 0 5 2 1 载荷对高铝锌基合金摩擦磨损性能的影响4 1 5 2 2 温度对高铝锌基合金摩擦磨损性能的影响4 4 5 2 3 转速对高铝锌基合金摩擦磨损性能的影响4 6 5 3 本章小结4 7 第六章结论4 9 参考文献5 0 j ! l ：谢! ；z l 攻读硕士期间发表的论文。5 5 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1高铝锌基合金发展概况 高铝锌基合金具有抗拉强度和硬度高，阻尼性能好，耐磨性好，摩擦系数小， 摩擦温升低，材料与制造成本低廉等优点【1 。2 】；成为二十世纪九十年代以来金属材 料研究的热点之一【3 - 5 】。锌铝合金还具有良好的工艺性能，不但可用于压铸，还适 用于砂型、金属型、石墨型、连铸等【6 1 ，并且高铝锌基合金的原材料来源广、价格 低廉、熔化时能耗低，无污染，使用寿命长，发展前景光吲硼，已经在很多领域 逐步取代青铜及铝合金制造的涡轮、轴瓦、滑块、螺纹套等耐磨零件【9 】。与此同时， 锌铝合金在模具材料及其他领域的应用也在不断开发和扩展中【协1 1 】。 我国是世界上最早使用金属锌的国家，英国在1 8 8 1 年发明了熔炼高纯度锌的 工艺，即锌电解工艺，而锌电解工艺的关键技术问题在第一次世界大战期间得到 了解决，为今天锌铝系列合金的发展打下了良好的基础【1 2 1 。二十世纪初，为了替 代价格昂贵的锡和铅合金，人们第一次使用锌基合金用于制造印刷铅字，但早期 的锌合金普遍存在着比较严重的晶间腐蚀和老化问题。2 0 世纪3 0 年代，美国新泽 西锌合金公司研制 z a m a k l ，3 ，5 - - - - 种锌铝压铸合金，而德国早在二次世界大战结束 前夕就成功的用锌合金代替铜合金做轴承材料。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 矿山研究中心的魁北克 研究中心与美国的e a s t e r n 合金公司合作，开始新型高铝锌基合金的研究开发，其 目标是开发出一种可用于砂型铸造的高强度高韧性锌基合金和一种可用于金属型 重力铸造的高强度高韧性锌基合金【1 3 1 。这也最终导致了z a 2 7 合金和z a 8 合金的诞 生，而这两种合金和z a l 2 合金一起构成了高铝锌基合金系列。1 9 8 4 年美国材料与 实验学会将其列入a s t m 标准使得锌铝合金进入系列化、标准化时代【1 4 1 。自此，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。仅仅美国，在1 9 7 卜1 9 8 0 年的三年间，锌合金年产量就 由1 7 0 0 0 0 t 增至5 1 0 0 0 0 t 。随后日本，前苏联也都大力进行了锌合金的研究和应用【1 5 】。 我国很多的研究院所和高等院校一直都在进行高铝锌基合金的研制与改进等 方面的研究，使其在综合机械性能和使用性能方面已达到国际上z n a i c u 系列合 金的先进水平，并且已成功用来代替铜合金做耐磨零件、制造模具。同时，我国 高铝锌基合金制备及其性能研究 在2 0 世纪9 0 年代中期，率先进行了稀土锌铝合金的研究和应用【1 6 1 ，取得了空前的 突破。结合实际，在我国有色金属资源丰富，铝、锌的蕴藏量极大且分布广泛， 铜的蕴藏量十分缺乏的大背景下，发展高铝锌基合金可使得资源优势变为经济优 势，在我国现代化建设中具有重大的现实意义【1 7 1 。 1 2 高铝锌基合金的化学成分及其性能 1 2 1高铝锌基合金化学成分 高铝锌基系列合金是以锌元素、铝元素为主，铜、镁等元素为辅的多元化合 金。并且少量硅、锰、铁、铅、锡等元素的添加可对锌铝合金产生不同的作用， 从而改善锌铝合金的综合性能。常用的高铝锌基合金主要有三个牌号，分别是z a 8 、 z a l 2 、z a 2 7 t 1 8 1 ，其化学成分如表1 所示。 表1 1高铝锌基合金的化学成分【1 3 】 t a b 1 一lc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fz n a ia l l o y 1 2 2 高铝锌基合金性能特点 高铝锌基合金适用于多种铸造形式，常见的金属型铸造的z a 系列锌基合金的 力学性能如表1 2 所示。 2 表1 - 2z a 系列合金的力学性能【1 3 】 t a b 1 - 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f z n a 1a l l o y s 江苏大学硕士学位论文 矗牙铝锌基合金能够在短时间内得到迅速的发展，与其良好的使用性乏、加工 性能、较低的成本密切相关，其主要表现为： ( 1 ) 优良的使用性能 ：厅铝锌基合金的抗拉强度比铝合金高约2 0 一3 5 ，比镁合金a z 9 1 高 5 0 7 0 ，蠕变强度提高3 4 倍【1 9 之1 1 ，且在有持续应力的条件下，高铝锌基合金使 用温度范围可拓宽至u 1 5 0 。以z a 2 7 合金为例，z a 2 7 合金具有最高的抗拉强度， 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 2 乏3 1 。 商铝锌基合金有着优异的摩擦磨损性能。试验表明，与铝合金、锡青铜相比， 该合会干摩擦和润滑摩擦性能优良，有较低的摩擦因数、更大的承载能力、更低 的摩擦温升和更宽的液体润滑特性。高铝锌基合金经优化后，摩擦系数比青铜和 黄铜都小，且承载能力增大【刎。表1 3 为z a 2 7 合金和锡青铜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 合金与锡青铜z q s n 6 6 3 摩擦系数、承载能力的比较【1 3 】 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 st h a to fz o s n 6 - 6 - 3t i nb r o n z e 高铝锌基合金复杂的固态相变使其具有良好的强化效果，合金的力学性能可 以通过热处理工艺的改变得到大幅提高【1 1 。高铝锌基合金也有着良好的减振性能， 和无磁性、无火花特性。高铝锌基合金的室温减振性能虽然比铸铁略小，但比钢 和铝合金高得多，而且随着温度的升高和频率的下降，该合金的减振性能明显增 大，很适合制作汽车发动机减震零部件。高铝锌基合金的无磁性使其可用于防磁 手表零件和仪表零部件的制造。并且，该合金的无火花特性使其能够适用于危险 场合。例如英国曾规定具有特定成分的锌基合金可在煤矿坑道中应用瞄l 。另外在 船舶上，尤其在油轮上的通风装置也都采用了无火花特性的锌基合金【堋。 3 高铝锌基合金制备及其性能研究 ( 2 ) 良好的工艺性能 高铝锌基合金加工性能十分优良，切削速度可以是铸铁的3 - 5 倍，刀具寿命也 得到延长，具有流动性好、充填性能佳、缩孔形成倾向小、金属液吸气性小等优 点。高铝锌基合金材料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n o 5 1 0 m m ：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j , 孑l 径为6 m m 的铸件。并且，高铝锌基合金材料可进行精车，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、阳极钝化处理或化学无电化处理，处理后的表面耐腐蚀性优 良，可进行氢弧焊接【弘捌。 高铝锌基合金的成形方法广泛，不仅可用砂型铸造、金属型铸造等常用铸造 方法来成形，也可以采用压力铸造、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 间都可以根据自己现有生产设备，采用相应的铸造工艺来组织生产。 ( 3 ) 低廉的制造成本 锌基合金的熔化温度低，耗能低、约为铝合金的1 3 2 9 1 ，熔化过程中合金元素 的烧损少、氧化轻、吸气少，因此熔炼时可以不加溶剂、脱氧剂和精炼剂，熔炼 工艺简单。且高铝锌基合金的机械加工费用较低，机加工容易，可以采用少余量 或无余量铸造成形，省去或大大降低了机械加工量，降低了机加工费用【刈。 高铝锌基合金的密度约为5 6 3 9 c m 3 ，小于黑色金属，只有铜合金的2 3 。而铜 的价格是锌或铝价格的两倍多，用高铝锌基合金代替铜合金可以节省1 3 的原材料。 加之锌合金的熔化耗能少，用高铝锌基合金代替铜合金具有十分可观的经济效益。 1 2 3 高铝锌基合金应用现状 目前成熟的高铝锌基系列合金主要有三种：z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 。这三种锌基 合金具有不同的力学性能和物理性能，在不同的应用场合发挥着不同的作用。对 三者进行比较如下【3 l 】： ( 1 ) z a 8 合金 z a 8 合金的主要优点是较窄的凝固温度范围( 3 7 5 。4 0 4 ) 和良好的流动性。 对于表面粗糙度低、压密性高、使用应力低的薄壁复杂件，它是一种较理想的铸 造合金材料。但是z a 8 合金在抗拉强度和硬度方面的表现不如z a l 2 和z a 2 7 合 4 江苏大学硕士学位论文 金。 ( 2 ) z a l 2 合金 此合金主要用于砂型和金属型铸造，也可采用石膏型、壳型和石墨型铸造。 z a l 2 合金的抗拉强度和延伸率适中，是一种用途较广的材料。其高温性能和抗蠕 变能力低于z a 2 7 合金，工作温度不应高于1 0 0 。由于z a l 2 合金的凝固温度范 围中等( 3 7 5 4 3 2 ) ，因而对于冷却速度或温度梯度十分敏感。因此，通常采用 金属型或石墨型铸造，以求细化晶粒结构，提高合金的韧性。 ( 3 ) z a 2 7 合金 在三种成熟的高铝锌基合金中，z a 2 7 合金的综合性能最好，也是科研工作者 研究最多的合金。通常，可采用砂型铸造生产受力较大的工程构件，工作温度可 放宽到1 5 0 。c 。但是，z a 2 7 合金的凝固温度范围宽( 3 7 5 4 8 4 ) ，含铝量高，砂 型铸造时常出现底部收缩现象( 底缩) 。因此，z a 2 7 合金十分适用于金属型铸造， 其他成型方法，如离心铸造、低压铸造等比较困难。 1 3 高铝锌基合金中不同合金元素的作用 z n 属于元素周期表第四周期第二副族元素，原子序数是3 0 ，原子量是6 3 5 8 。 z n 的熔点低，比热小，熔化热小；由于z n 沸点低，熔化时在熔池表面容易生成 一层锌的饱和蒸汽，可以防止金属液的吸气。z l l 的线膨胀系数较高，意味着z n 及其合金的高温性能差，并且在温度变化较大的场合很难制成尺寸精度较高的零 件。 从晶体结构分析，z n 属于密排立方结构，c a = 1 8 5 6 3 ，超过正常的c a = 1 6 3 3 ， 属于变态密排立方结构。且由于z n 中只存在一对滑移面，再加上自由电子少，金 属性不强，因此锌的塑性较差，室温下易发生加工硬化。 ( 1 ) a 1 元素的作用 舢元素是高铝锌基合金中首要的合金元素，它可以改变初生相的种类、数量 和品间共晶( 析) 体的数量，从而影响到合金铸造缺陷的产生和力学性能的优劣。 当a 1 的含量在6 1 0 w t 范围内时，随着舢含量的增加，合金的抗拉强度显著增 加。 对于z n ( 2 2 3 0 ) 合金系列，不含c u 元素时，合金的抗拉强度随着含 5 高铝锌基合金制备及其性能研究 量的提高呈现线性增大的趋势；合金的伸长率随着触含量的提高，呈现出先增大 后减小的趋势，且在含量为2 6 w t 时出现极大值。含铜量为2 5 w t 时，随着 舢含量的提高，合金抗拉强度增大；舢含量大于2 5 。2 7 w t 以后，抗拉强度基本 保持不变，伸长率的变化与不含c u 元素的锌铝合金类似，且在含量2 5 2 7 w t 时出现极大值。当c u 含量达到5 w t 时，伸长率很低，合金的硬脆性增加。含 量的提高，增强了锌铝合金的尺寸稳定性，但也加剧了比重偏析和缩松倾向、降 低了合金的流动性。 ( 2 ) c u 元素的作用 c u 自铸造锌铝合金发展以来一直作为重要的添加元素存在着。在高铝锌基合 金中，c u 的作用主要表现为三点：固溶强化合金，形成金属间化合物相( c u z n 5 ) ， 减缓合金共析转变的速度。 c u 主要分布于晶界，为白色块状、点状物所组成的三元共晶体组织和沿相边 缘分布的白色条状二元共晶体组织。c u 可溶于富铝相和富锌相中，随着c u 含量 的提高，合金的抗拉强度增加，c u 含量在2 5 w t 时出现最大值，超过2 5 w t 后 抗拉强度下降；就整体而言，高铝锌基合金的伸长率随着c u 含量的提高而降低。 以成熟的z a 2 7 合金为例：c u 含量为1 2 5 w t 时正是z a 2 7 合金的最大固溶量； 合金中的c u 含量小于1 2 5 w t 贝l j 固溶强化不足，合金中c u 含量大于1 2 5 w t 贝j j 出现沿晶界分布的弱脆相相；1 2 5 w t 的c u 含量是一个关键含量。在研究热处 理工艺时发现，含c u 量高的z a 2 7 合金会出现尺寸不稳定现象。c u 含量的增加会 增加缩松倾向，使得使用过程中合金的强度降低，产生膨胀，引起铸件尺寸的不 稳定【3 2 。3 1 。 ( 3 ) m g 元素的作用 m g 可固溶于基体中，但其固溶度不大，室温下m g 的固溶度仅为0 0 0 5 。 m g 元素对锌铝合金中相的大小和分布影响不大。当m g 元素含量较高时，在组织 中与z i l 形成高熔点化合物( m g z n ) ，能起到固溶强化、提高强度和硬度的作用。 同时，m g 元素的加入还能有效防止晶间腐蚀、延缓共析转变、降低阻尼性能等。 但是，m g 元素的加入在提高锌铝合金硬度和拉伸性能的同时伴随着明显的韧性损 失，添加时也需要保护气体的作用( 3 钔。锌铝合金中m g 的加入量一般不宜超过 0 0 2 - 0 0 3 w t 。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) s i 元素的作用 在高铝锌基合金中加入适量的s i 元素，可以改善合金的耐磨性，而且z n a 1 s i 合金的尺寸稳定性也大大优于z n a i c u 合金；但是，添$ f l s i 元素的锌铝合金的抗拉 强度较之传统的z a 2 7 合金明显下降。s i 在锌铝合金中除少量固溶于0 【相和t 1 相外， 主要形成分布于晶界的富s i 化合物硬质点和0 【枝晶相内和枝晶问的初生s i 相。s i 元 素的加入能极大的提高锌铝合金的耐磨性，比c u 更优越。但s i 相的解离开裂和割 裂基体的作用往往会导致锌铝合金塑性的下降。以z a 2 7 合金为例，研究表明：s i 元素的添加量为5 w t 时合金具有最高的耐磨性；当s i 元素的添加量小于5 w t 时， 合金的耐磨性随着s i 含量的提高而增强；但当添加量超过5 w t 时，合金的耐磨性 随着s i 元素添加量的提高而下斛3 5 。6 1 。 ( 5 ) m n 元素的作用 m n 元素是过渡族元素，以z a 2 7 合金为例，m n 元素的加入能够形成金属间化 合物( m n 相) 构成耐磨硬质相，并对合金的组织及性能带来影响。元素m n 在组织 中主要以大量富m n 独立硬化相分布于晶界或晶界附近，少数贯穿晶粒。m n 元素的 加入不但增加了晶界共析体的连续性，也增加了共析体的数量；晶界附近层片状 组织增多。而共析体属于较软组织，其数量的增加有利于合金摩擦磨损性能的提 高【3 1 。z a 2 7 合金中m n 元素的加入使得硬质相显著增加，对合金的抗拉强度影响不 大；而塑性、韧性指标则随m n 含量的提高而降低，一般6 处于1 8 3 2 之间。造成此 现象的原因有二：一是m n 相为硬质相，以断续近网状分布于晶界，割裂基体，造 成应力集中；二是晶粒细化后，补缩通道减少，组织中特别是晶界处存在较多的 显微疏松【3 1 l 。 ( 6 ) 稀土元素的作用 稀土元素的加入对高铝锌基合金的微观组织、力学性能、摩擦磨损性能等有 着重要的影响。其中，稀土元素对高铝锌基合金组织的改变及其影响主要作用表 现为三个方面：细化基体，改变共晶( 共析) 体形态和数量，形成稀土化合物， 中和有害杂质1 3 7 1 。 以z a 2 7 合金为例，未加入稀土的z a 2 7 合金初生a ( a 1 ) 相呈粗大树枝状，二次枝 晶发达，枝晶臂间距大。加入适量稀土元素后，消除了网状结构，减小了锌基合 金枝晶间距【3 8 - 3 9 1 。对稀土在7 _ a 2 7 合金中细化基体的作用机理主要有以下两种观点 7 高铝锌基合金制备及其性能研究 【柏】：一种认为稀土与础形成化合物( r e 虬) ，因其与a 相有良好的共格对应关系， 在合会凝固时起异质晶核的作用，催化a 相形核细化晶粒；另一种则认为稀土在初 生a 相中的平衡分配系数k 0 小于等于1 ，溶解度很低，凝固时稀土在结晶前沿造成极 大的溶质富集，促使枝晶形成缩颈，有利于枝晶熔断、游离，并使晶粒增殖从而 使a 相细化。 稀上元素的加入也使得晶界共晶( 析) 体数量增加，而共晶体中的d 相变成了 短棒状或粒状。这说明稀土改变了共晶结晶和固态相变的过程，其原因可能与稀 土偏析引起成分过冷和枝晶游离有关。此外，稀土的加入还使得枝晶问的富铜相 尺寸减小，分布均匀。 稀土元素的加入也能提高锌铝合金的高温力学性能。添加适量的稀土，可使 z a 2 7 合金在1 5 0 时的抗拉强度提高3 0 、硬度提高2 5 ，延伸率虽有所下降，但 冲击韧性却得以改善【4 1 1 。锌铝合金中稀土元素的加入也可以中和合金中的有害杂 质：由于稀土元素化学性质比较活泼，能与氧、氮、氢等杂质分别形成比重轻、 熔点高的化合物，通常这些化合物容易和熔渣一起从液态金属中排除出去。 1 4 高铝锌基合金国内外研究现状 高铝锌基合金是2 0 世纪中后期开始研制开发的新型减磨材料。到目前为止， 高铝锌基合金因其良好的力学性能、摩擦磨损性能、工艺特性，以及比重小、能 耗低、无污染等优点，为有色金属耐磨材料在机械传动零件的材料设计方面开辟 了一个新的领域。 高铝锌基合金最重要的用途之一是作为耐磨合金代替青铜合金，国内外科研 机构都在进行积极的研究和推广。国际铅锌组织把z a l 2 、z a 2 7 合金与z q s n 6 6 3 青铜做了比较试验，低速、高负载时前者的磨损较后者小，z a l 2 、z a 2 7 合金的摩 擦系数略低于z q s n 6 6 3 青铜；但当转速大于5 0 0 r p m 时，摩擦系数升高，而后者 有减小趋势，抗咬合性低、耐热性较差。因此，用高铝锌基合金可代替青铜做低、 中速中温重载轴承( 最大线速度为7 1 r n s ) 。另外，高铝锌基合金比重小青 铜轴承约为z a l 2 合金轴承的1 3 5 倍，而高铝锌基合金的价格又较青铜降低了 5 0 ，成品价格为青铜的2 0 4 0 。例如，美国家采矿公司采用z a 系列合金 解决了矿井通风机轴承裂纹问题，主风机十字头轴承采用a s t m 9 3 2 青铜制成，通 8 江苏大学硕士学位论文 常工作不到3 3 6 0 h 就出现裂纹而更换，改用z a l 2 合金后，使用4 0 0 0 h 进于拆检， 检测结果表明，z a 合金轴承几乎没有磨损，研究报告发表时已连续工作厂6 5 0 0 h 仍能l r 常使用【4 2 1 。 z a 系列合金强度、硬度都超过压铸铝合金，且具有良好的强度重量比，流动 性好1 2 6 】，因此适合于薄壁件的生产。美国g f 商业公司制造活动办公桌角撑时，采 用压铸铝合金没有成功，而改用z a 2 7 合金后取得了良好的效果。z a 2 7 、z a l 2 合 金都已用于冷室压铸生产。我国用z a l 2 合金生产压铸件，经镀铬处理后，其表面 光洁度比原用3 号锌压铸合金好，且中性盐雾腐蚀二周后，零件完好，而原铸件 有明盟腐蚀斑。z a 系列合金可用于铸造铝合金的工艺装备，故用以代替铝铸件很 方便：对于代替要求组织致密、耐磨而必须经浸透或阳极氧化处理的铝铸件其优 越性必大。 z a 系列合金加工性能比铸铁好，强度虽略低于可锻铸铁，但耐磨性好，生产 成本较之可锻铸铁低。美国1 9 7 4 年用z a l 2 合金代替可锻铸铁生产弯通管等各种 成套线路夹具，法姆科公司也在精密冲压机上用z a l 2 凸轮顶杆臂代替球铸件。 z a 系列合金因其较高的强度、硬度和良好的加工性能，也被广泛应用于模具 领域【4 3 1 。我国曾用z a 2 7 合金采用陶瓷型铸造硫化橡胶模，制作橡胶波纹管形成 模具，取得了良好的效果m 。高铝锌基合金模具材料具有良好的综合性能，在制 模周期、成本价格、模具性能以及制造工艺和环境保护等方面都具有一定的优势。 与同类钢模相比，制模周期和成本都要减少3 0 4 0 ，是一种快速经济的制模材 料【4 5 】。刘洪军等人【州7 】对模具用的锌基合金进行了研究，他们使用锌基合金作为 模具材料采用快速制造技术，成功的制造了汽车塑料灯罩的模具。 1 4 1 高铝锌基合金力学性能的改善研究 锌铝合金的一个重要缺陷是高温性能较差，在1 2 0 能保持原有强度已是非常 不容易。主要原因归结于三点：一是锌本身的熔点较低，二是合金的固溶强化和 沉淀强化作用在室温下效果明显，但高温下效果却不好，1 5 0 时已基本没有强化 作用，三是锌铝合金的凝固温度范围大，常规铸造条件下宏观偏析严重，树枝晶 之间存在许多低熔点共晶区【钙1 。 目前对高铝锌基合金高温性能改善的研究主要从晶粒的细化处理、热处理工 艺的改进、铸造工艺的改善等方面进行。 9 高铝锌基合金制备及其性能研究 含钛细化剂、细化中间合金、稀土细化剂是锌铝合金常用的三种细化剂【4 9 】。 冯建情【3 l 】的研究表明：在z a 2 7 合金中加入t i b 复合盐( 含t i 0 0 2 5 ，b 0 0 0 5 ) 后，晶粒明显细化，且减少了非平衡凝固共晶体数量，使组织更加均匀，在大大 提高了合金延伸率的同时显著提高了锌铝合金的高温力学性能。郝j 丞 5 0 l ，李安铭【5 1 】 等人研究也表明，上述细化剂的运用细化了铸态枝晶组织，使得z a 2 7 合金延伸率 由6 提高到1 5 的同时，提高了合金的高温力学性能。 刘金水等人的研究【5 2 】表明，稀土元素c e 对z a 4 3 合金的组织有明显细化作用， 其原因和c e 在合金中的成分过冷效应引起枝晶分枝熔断有关。 彭日升等人【5 3 】则详细讨论了稀土对锌铝合金的作用：加入稀土后，部分以 a 1 4 c e ( a 1 4 l a ) 相形式存在，成为a 相的形核衬底，部分分布在a 相周围，阻碍了 二次枝晶的长大，从而使得a 相二次枝晶臂短小。 许春香，赵沛廉【5 4 】的研究表明：稀土元素在、z n 中的固溶度非常小，超过 最大溶解度后将与形成高熔点化合物，具有较高的硬度和热硬性，网状不连续 分布于晶界或枝晶问，细化了组织、有效的阻碍了集体变形和境界移动；且稀土 元素熔点高于z n 、a i 、c u ，自扩散系数小得多，阻碍原子的扩散，提高原子间的 结合力，增加了高温时组织的稳定性，这些均有效提高了合金的高温强度和抗蠕 变压力。添加稀土后，1 5 0 的抗拉强度可达到2 0 0 m p a ，比z a 2 7 合金提高约3 0 ， 伸长率虽有所下降，但仍明显高于室温时的指标。 d u r m a nm 等人【5 5 】的研究表明：将z a 2 7 合金加热到3 2 0 3 6 0 c 保温2 3 h 后缓 慢冷却，可获得细片状共析组织，提高合金塑性、韧性，降低合金韧性脆性转变 温度；而z a 2 7 合金在3 6 0 保温2 h ，然后水冷的强度为5 0 7 m p a ，伸长率为1 ； 空冷的强度为4 7 2m p a ，伸长率为1 9 ；炉冷的强度为3 7 0m p a ，伸长率为3 5 。 可见适当的热处理工艺可稳定合金组织，获得综合性能优良的锌铝合金，从而明 显提高合金的高温性能。 锌铝合金高温力学性能的提高，主要是在尽量减少低熔点共晶区的基础上合 金化，但常规铸造条件合金化难以满足要求。杨留栓的研究【5 6 】表明，采用挤压铸 造和流变铸造的方式，可以是锌铝合金的高温强度有所提高，采用快速凝固技术 可以明显改善合金高温性能，近年来发展的喷雾沉积快速凝固技术则可以大幅度 提高合金的高温力学性能，但成本较高。 1 0 江苏大学硕士学位论文 李荣德等人【5 7 】的研究表明，与常规铸造条件相比，冲头式挤压铸造使锌铝合 金液在型腔内强制流动，有利于压力传递，加强补缩效果，提高了合金致密度， 细化和改善组织；采用冲头式挤压铸造的锌铝合金与z a 2 7 合金相比，在常温力学 性能方面相差不大，但其高温力学性能却得到了大幅度的提高。 1 4 2 高铝锌基合金耐磨性能的改善研究 大量的研究表明，在低速重载条件下，用锌铝系列合金代替青铜作为轴承材 料，可取得较好的技术与经济效益。与z q p b d 合金相比，锌基合金还具有在润滑 失效时不发生咬焊现象等优点。但是，随着温度的上升，锌铝合金的强度急剧下 降，磨损严重，其应用范围受到了极大的限制。通常，z a 2 7 合金允许的最大滑动 速度不超过7 1 m s ，最高工作温度低于1 5 0 。c1 5 8 1 。 商全义等人【纠进行了z a 2 7 合金与牌号为q s n 6 5 0 1 锡青铜合金摩擦磨损性 能的对比实验：在低速重载润滑条件下，z a 2 7 合金经强化热处理后的减磨性能和 抗磨损性能明显优于q s n 6 5 0 1 合金。 朱和祥【5 9 1 等人为了进一步提高锌铝合金在高速重载下的耐磨