新型高铝锌基合金设计及其性能研究

1、新型高铝锌基合金制备及其性能研究*顾冬青，邵红红，纪嘉明(江苏大学材料科学与工程学院摘 要： 通过合金成分的改变制备了新型高铝锌基合金。研究了铸态、固溶处理、时效处理条件下该合金的显微组织、力学性能、热膨胀系数。结果表明, 稀土的加入可显著提高合金的力学性能，同时提高了合金的尺寸稳定性，且尺寸稳定性明显优于ZA27合金。关键词：高铝锌基合金；固溶处理；时效处理；热膨胀系数中图分类号：TG 146.1 文献标识码：A 文章编号：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我国是一个多锌少铜的国家，经济和社会的进步要求我们提供稀缺资源的替代产品。锌合金由于具有优良的力学性能和铸造性能且价格便宜（仅为铜合金的1/21/3），已经在很多领域逐渐取代青铜以及铝合金制造的涡轮、轴瓦、滑块、螺纹套等耐磨零件1,2。但目前成熟的锌铝合金（如ZA27合金）只能用于低速重载工作的零件，对于中高速运动、高温环境下工作的锌铝合金零件存在着热膨胀系数大、尺寸稳定性差、工作温度超过120 后力学性能急剧下降的问题，严重限制了锌铝合金的应用范围3

5、,4。针对目前锌铝合金存在的问题，本课题对合金成分、铸造工艺、热处理工艺等方面进行系统研究，以期研制出能在中、高速运动条件下使用的新型高铝锌基合金。1. 锌基合金成分设计铝是面心立方结构、对称性强，提高铝元素含量可以增加锌铝合金的尺寸稳定性。但是，从锌铝二元相图6可以看出铝含量提高液固相线宽度增大、枝晶增多、偏析严重，降低了锌铝合金流动性降低、铸造性能下降。硅元素的加入可以改善锌铝合金的流动性能，硅相的解离开裂和割裂基体的作用也改善了合金的耐磨性7。加入铜、镁元素作为增强相可以提高锌铝合金的力学性能。然而镁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8，添加时也需要保护气体

6、的作用。铜元素的加入既提高了锌铝合金的硬度、拉伸性能，也增加了合金耐磨性9；但铜元素含量超过一定范围会造成铸件尺寸不稳定10。微量稀土元素的加入对锌铝合金的变质作用、微合金化作用、净化作用可以细化锌铝合金晶粒，提高合金耐磨性，改善锌铝合金高温性能；加入量在0.010.05%11。本课题研制的新型高铝锌基合金成分为：40 %的Al ；1%2%的Si ；1%5%的Cu 以及0.05%富镧系混合稀土。 52 试验结果与讨论2.1 铸态组织性能及其工艺合金熔化使用坩埚电阻炉，坩埚材质为石墨，每炉熔化约2.5 kg的合金。采用中间合金熔炼法，以降低熔化温度，减少元素氧化和烧损；其中稀土以Al-10RE

7、合金形式加入。试样采用金属型铸造，模具材质为铸铁，浇注温度选择在650 12。因为过高的温度影响凝固形式、造成晶粒粗大；锌基合金的液体温度收稿日期：20091218； 修改稿收到日期：20100123超过700 时会产生锌烟（氧化锌）。硬度测试选用HB-3000布氏硬度试验机，每组实验选取3块试样，每块试样选取三点测试。拉伸试验选用WE-100液压式万能试验机，每组实验选取4根棒材进行测试。拉伸试样的尺寸见图1。 13图1 拉伸试样尺寸图2是加入稀土前后的铸态高铝锌基合金显微组织。由图2可以看出, 稀土的加入明显细化了锌基合金显微组织，化合物均匀分散分布。显微组织变化导致的锌基合金力学性能相应

8、变化见表1。通过表1可以看出，加入微量稀土的高铝锌基合金硬度、拉伸强度明显优于未加入稀土的该合金，伸长率随着硬度、强度的增加不降反升，综合性能明显提高。 (a 未加入稀土的合金 (b 加入稀土的合金图2 高铝锌基合金铸态显微组织表1 不同成分高铝锌基合金铸态的力学性能硬度未加入稀土的合金加入稀土的合金 (BHN 110 125 抗拉强度/ MPa 377 387 伸长率/% 0.48 0.82 2.2 热膨胀系数测定试验测定了铸态条件下未加入稀土高铝锌基合金热膨胀系数（其结果见图3）和加入稀土的锌基合金热膨胀系数（其结果见图4），并将两者与成熟的ZA27合金的热膨胀系数进行了对比。热膨胀系数测

9、定采用WTD-2型热膨胀仪，试验选取的温度区间为100200 ，试样为尺寸20 mm×8 mm的棒材。图3未加入稀土的锌基合金热膨胀系数图 图4 加入稀土的锌基合金热膨胀系数图热膨胀系数的大小反映了原子间结合能的大小。六方晶体结构的膨胀系数大于面心立方结构的膨胀系数，而锌基合金富Al 的相为面心立方结构，所以铝含量的提高降低了锌基合金的热膨胀系数。加入的微量稀土与Al 元素形成了高熔点的RE(Aln 相颗粒15，该颗粒可以成为相形核的基体、促进相的形成；同时稀土的加入也细化了相等晶粒的尺寸，有助于降低锌基合金的热膨胀系数。2.3 固溶处理对高铝锌基合金组织及性能的影响16锌铝合金固溶

10、处理温度一般选择低于相应组分液相线温度100150 的范围内。结合实际，选取370 作为固溶处理温度；为使反应充分进行，保温时间选取为24 h，冷却方式为快速水冷。图5为固溶处理后新型高铝锌基合金样品的显微组织。与图2b 对比可以看出：经过固溶处理后，铸态样品显微组织中的枝晶基本消失，白色点状强化相弥散分布，得到均匀的过饱和固溶体组织。经固溶处理的锌基合金力学性能测试结果见表2, 固溶处理后的锌基合金力学性能较之铸态条件下的锌铝合金显著改善；并且加入稀土的高铝锌基合金硬度、拉伸强度、断裂伸长率高于未加入稀土的锌基合金。 图5经固溶处理后高铝锌基合金显微组织表2 固溶处理后不同组成高铝锌基合金力

11、学性能未加入稀土的合金加入稀土的合金 硬度 (BHN 120 抗拉强度/MPa 394 伸长率/% 0.66 2.4 时效处理对高铝锌基合金性能的影响有色金属合金最佳时效温度应在0.50.6倍的合金熔点的范围之内17。选取经上述固溶处理后的高铝锌基合金样品在150 温度18下时效不同的时间后测量布氏硬度，结果见图6所示。图6是时效时间相同条件下，高铝锌基合金时效硬度值随时效时间变化的曲线图。溶处理后高铝锌基合金在150 时效11 in时硬度值最大，第二相相组织从过饱和固溶体组织析出，成为平衡相组织；11 min后析出相过时效，开始软化。图7验证了文献16中锌基合金时效温度的选择。综合两图可以看

12、出本文研制的高铝锌基合金最佳时效处理工艺是150 保温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/图6 时效时间对合金硬度的影响 图7 时效温度对合金硬度的影响3 结论(1 研制的新型高铝锌基合金热膨胀系数明显低于工艺成熟的ZA27合金。(2 稀土的加入有效细化了晶粒，使得高铝锌基合金力学性能明显提高，同时增加了合金尺寸稳定性。(3 固溶处理明显提高新型高铝锌基合金力学性能，时效处理后该合金力学性能更加优越。参考文献1 卜金纬. 铸造锌铝合金ZA27变质处理的研究现状与展望J.常州工学

13、院学报，2008(1：1-2。2 李桂玲，夏兰廷，蔺虹宾.Al 含量对高铝锌基合金组织的影响J.中国铸造装备与技术，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 闫承俊，王吉岱，孙静，谢永. 稀土氧化物对高铝锌基合金力学性能的影响J.铸造技术，2006(8：842-8

14、44.5 闫淑卿，谢敬佩. 冷却速度及铝含量对锌合金组织及硬度的影响J.热加工工艺，2007，36(16：10-12.6 武江，未立清. 锌基耐磨合金的研制与应用J.有色冶炼，2001(5：62-64.7 宋杨阳，王杰芳，闫淑卿，刘忠侠. 含硅高铝锌基合金微观组织和性能的研究J.热加工工艺，2009，38( 10：68-73.8 赵浩峰，王玲. 铸造锌合金及其复合材料M.北京：中国标准出版社，2002：48-49.9 李建春. 锰、铜含量对锌铝合金组织性能的影响J.理化检验（物理分册），2009，45(6：331-332.10 Kaye A, Street A. 黄杏蓉等译. 压铸冶金学M.

15、北京：机械工业出版社，1987：22-23.11 田卫平. 稀土对锌铝合金晶粒的细化作用J.昆明理工大学学报（理工版），2003，28(1：28-29.12 陈新，宋东明，王云坤，等. 高铝锌基热镀合金熔铸工艺研究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 陈美玲，陈玉喜. 高铝锌基合金热膨胀性