铸造铝合金的发展与现状

论文铝合金材料及应用题目：铸造铝锌合金的研究进展和方向班级学号姓名铸造铝锌合金的研究进展和方向摘要：回顾了锌铝合金的研究历史,并详述了锌铝合金的成分、显微组织与性能的关系,以及变质、晶粒细化、热处理和其它工艺对锌铝合金的性能和组织结构的影响,最后介绍了铸造锌铝合金的应用,并对锌铝合金的发展趋势作了展望。关键词：铝及铝合金；铸造锌铝合金;稀土变质;晶粒细化;热处理;显微组织铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素之一，约占地壳总质量的8.2%，仅次于氧和硅，比铁、镁、钛的总和还多。它的化学元素符号为AL,在门捷列夫周期表中属IIIA族，原子量为26.98154,面心立方晶系，常见化合价为+3价，无同素异构转变。铝具有一系列比其他有色金属、钢铁、塑料和木材等更优良的特性。如密度小，仅为2.7克/立方米，约为铜和钢的三分之一；良好的耐腐蚀性和耐候性；良好的塑性和加工性能；良好的导热性和导电性；良好的耐低温性，对光热电波的反射率高、表面性能好；弹性系数小；良好的力学性能；优良的铸造性能和焊接性能；良好的抗撞击性。此外，铝材的高温性能、成型性能、切削加工性、胶合性以及表面处理性能等也比较好。如果根据不同的用途，要求具有更高的强度和改善材料的组织和其他各种性能，可以在纯铝中添加各种合金元素，生产出满足各种性能和用途的铝合金。铝合金可以加工成板、带、条、管、棒、型、线、自由锻件和模锻件等加工材，也可加工成铸件、压铸件等铸造材。加工材和铸造材又可分为可热处理型铝合金材料和非热处理型铝合金材料两大类。目前生产铝及铝合金材料的方法主要有铸造法、塑性成型法和深加工法。铸造法就是利用铸造铝合金的良好流动性和可填充性，在一定温度、速度速度和外力条件下，将铝合金熔体浇注到各种模型中以获得具有所需形状与组织性能的铝合金铸件和压铸件的方法。塑性成型法就是利用铝及铝合金的良好塑性，在一定的温度、速度条件下，施加各种形式的外力，克服金属对于变形的抵抗，使其产生塑性变形，从而得到各种形状、规格尺寸和组织性能的铝及铝合金板、带、条、箔、管、棒、型、线和锻件等的加工方法。深加工法就是将铸造法或塑性成形法所获得的半成品进一步通过表面处理或表面改性处理、机械加工或电加工、焊接或其他接合方法、剪断、冲切、拉伸、弯曲或其他冷加工方法、复合或腐蚀等方法加工成成品零件或部件的方法。本世纪初,为代替锡和铅用于制造印刷铅字,人们开发了最早的一种Zn-Sn-Cu-Al合金，其中Sn6%、Cu5%、Al05%。但是，早期的锌合金存在许多缺点,如易于晶间腐蚀、过早失效以及在潮湿环境下易开裂等,因而不能成为具有优良性能的工程材料。随着科学技术的进步以及人们对锌合金的大量深入研究,改善锌合金的缺陷已成为现实。1930年左右,美国新泽西锌合金公司研制出了Zamak3和Zamak5锌铝压铸合金。在二次世界大战前和战争期间，德国由于铜资源紧缺,而用重力铸造锌铝合金代替铜制造轴瓦、轴套等轴承材料。上个世纪60年代末到70年代，先后由美国和加拿大研制出了ZA12、ZA27和ZA8等合金构成锌铝合金系列。1984年，美国材料与试验学会将其列入了ASTM标准，使锌铝合金进入了标准化、系列化年代。我国于上个世纪80年代初,对这一系列锌铝合金开始试验研究,且有较快发展。锌铝合金具有许多优良的特性,比如密度较低、热导率和电导率适中、极限抗拉强度高、耐磨性好、承载性好、无磁性以及碰撞时不产生火花等;同时,锌铝合金熔点低、耗能少、本低廉、成型方便且无污染,适用于多种铸造方法[1]。最近10年来,锌铝合金在汽车、模具玩具等行业倍受青睐,已成为研究和开发的热点。我国是世界上锌资源最丰富的国家,储存量占世界总储量的46%,不仅能满足国内的需求,而且还可大量出口,所以开发锌铝合金具有广阔的前景。1、成分、显微组织与性能锌是具有低熔化温度（419°C）、低汽化温度（906°C）及高密度（71g/cm3）的金属。晶体点阵为六方点阵，无同素异构转变。纯锌具有高塑性（5=50%）和低强度（o=150MPQ）,难以满足工程上的要求，因此在应用中常加入强化元素。除ILZRO14/16合金外，所有的铸造锌铝合金都建立在Zn-Al或Zn-A-lCu系基础上。在铸造锌铝合金的研究中早已发现,铝与一定比例的锌熔合能明显地改善流动性、细化铸件晶粒结构并因此提高力学性能。在Zn-Al系中，可形成两个固熔体：n固熔体（几乎是纯锌）和a固熔体，变化固熔体是以铝为基，溶解锌可达85%（所以以铝为基的固熔体可达83%Zn而仅有17%Al）。在一定的温度范围和浓度范围，固熔体可分解为两个同样晶体结构而多锌（a2）和少锌（all）的固熔体。与Zn-Al相图相对应,，a固熔体在275°C发生偏析转变。同时锌在铝中的溶解度自275C随温度降低而急剧下降。因此含5%〜10%Al锌合金的组织是亚共析合金0+共析体（a+0）。当快速冷却时，偏析转变可能不进行。a2相过冷至室温，该不稳定组织将发生变化（过冷的a2相分解）,因而导致制品尺寸的变化。以锌为基的Zn-A-lCu合金的组织是各式各样的（主要取决于铝和铜的含量及比例）,其组成相是初生的n（纯锌）、a（以纯铝为基的富锌的固溶体）或e（化合物cuZn3）相，二元共晶n+a、£+a、n+£及三元共晶a+£+n。。例如含5%Al和10%Cu的铸态合金，其组织为初生的£晶体、二元共晶n+£及三元共晶a+£+n。当铜含量低于1 25%时，可提高合金的抗拉强度、硬度、抗晶间腐蚀能力和高温蠕变性能。当铜含量较高时,会在合金中形成富铜的化合物相。但由于铜能阻碍锌铝合金的共析转变,使铸件冷却过程中共析转变难以充分进行,引起铸件尺寸的不稳定。镁可固溶于基体中,但其固溶度不大,室温下镁的固溶度仅为0005%。镁元素对Zn-Al合金a相的大小和分布无大的影响，当其含量较高时，在组织中形成MgZn2化合物，分布于晶界。镁的加入起到固溶强化、提高耐磨性能和力学性能的作用;同时,镁还能防止晶间腐蚀、延缓锌铝合金的共析转变、降低合金的阻尼性能等。例如，加入少量镁可减缓过冷a2(多锌)相的分解速度，使合金尺寸稳定。锌铝合金的含镁量一般较低,过高的镁量会降低合金的塑性和蠕变强度,还会增加合金的热裂和冷敏感性。在锌合金中，Pb、Sn、Fe、Cd和In等元素是常出现而又被公认为有害的元素,它们明显加速了锌合金的晶间腐蚀。有害杂质的作用是以富杂质膜在晶界沉淀,导致形成相对与基体为阳极的面积,其含量越大,危害越大。在压铸锌合金中,Fe是最易带入的杂质元素,因为其熔化、压铸均在铁制熔铸工具中进行,而锌合金对铁制品又有严重的腐蚀性，当铁含量超过002%时,会出现FeZn7初晶。目前，国内外普遍要求锌合金中Pb、Sn、Cd等杂质的含量分别控制在0005%、0004%和0003%以下。2、变质和晶粒细化在锌铝合金中常用的变质剂有:锂、锆、锑、硼、钛、锰、硅、稀土等。在ZA27合金中加入质量分数为0 04%~0 08%的锂,发现其组织明显细化,晶界相变得细碎且分布不连续，在150°C和180°C时抗拉强度分别为230MPa和185MPa,比未强化的ZA27合金分别提高41 1%和42 3%[10,11]。锆、锑、硼、钛均能使ZA27合金中的a-Al相由粗大的树枝晶向细小的颗粒状晶转变，原因是这些变质剂在ZA27合金中形成Zr(Al,Zn)3、TiAl3AlB2、TiB2,以作为-Al相的异质核心。Mn和Si均能提高锌铝合金的耐磨性。周明等对加入Mn的ZA27合金组织和性能作研究，结果表明元素Mn在组织中主要以大量富Mn独立硬化相分布于晶界或晶界附近，少数贯穿晶粒。Mn能细化晶粒，减小二次枝晶间距，增加了共析相；加Mn对抗拉强度影响不大，但塑性、韧性降低较多。另外合金的耐磨性、高温力学性能有大幅度提高，综合性能分析得出ZnAl27合金中Mn的合适加入量为050%〜075%。在ZA27-Si合金中，硅除极少量固溶于a和n相外，主要形成分布于晶界的富硅化合物和分布于a枝晶相内和枝晶间的初生硅相。文献［1］研究了Si对ZnAl27Cu2Six和ZnAl27Mg002Six两类合金力学性能和耐磨性的影响。研究发现，随着Si含量的增加，这两类合金的抗拉强度、硬度和耐磨性都提高，而塑性下降；含Si量在4%左右时，这两类合金的抗拉强度都达到最大值,ZnAl27Mg002Si4和ZnAl27Cu2Si4合金的抗拉强度分别为400MPa和367MPQ；当Si量为2%〜4%时，这两类合金的耐磨性最好。稀土对改善锌铝合金的综合性能也有着重要的作用。曾有人对稀土在锌铝合金中的应用作过专门研究,发现其在提高锌铝合金的硬度、尺寸稳定性、抗氧化性、抗拉强度以及抗晶间腐蚀能力方面都有重要作用。他们曾在95°C〜98°C饱和蒸气下进行了Zn-Al4-3合金的晶间腐蚀试验，通过合金在蒸气腐蚀24小时的照片对比,发现加005%稀土的合金未见到晶间腐蚀现象,而未加稀土的合金发生了明显的晶间腐蚀。谭银元［2］研究了稀土对ZA27合金阻尼性能的影响规律，结果表明：稀土变质可提高ZA27合金的阻尼性能，经稀土变质的试样其内耗是未变质试样的14倍;ZA27合金为发挥其阻尼作用，在频率高于70Hz时效果明显，且经变质后的试样强迫振动衰减效果比未变质的试样好。文献［3］研究了A-l10at%RE变质高锌铝合金的组织和性能，结果表明：经钠盐精炼和02wt%RE变质后,硅相和其它晶间相被变为球状或细短条状,均匀分布在晶界上；合金生长形态发生较大变化，a树枝晶发达而细小，二次枝晶臂间距显著研究了Ce45%(wt)的混合稀土对ZA27合金显微组织及高温机械性能的影响,结果表明，在锌铝合金中，稀土元素可与Al、Zn、Cu等形成多种复杂成分化合物,其硬度高,热硬性好,分散于晶界或枝晶间,细化了组织,且有效地阻碍了高温时基体的变形和晶界移动。添加适量的稀土，可使ZA27合金在150°C时的抗拉强度提高30%,硬度提高25%,延伸率虽有所下降,但冲击韧性却得以改善。同时发现,室温强度变化不大,唯塑性、韧性略有下降。3、 热处理为了消除ZA合金中的异常组织和枝晶偏析，提高铸件尺寸稳定性，一般需对铸件进行热处理。文献［5］研究表明，铸造ZA8、ZA12、ZA27合金经95°C时效10天后，强度分别下降20%、23%和15%,ZA8和ZA12延伸率增加1倍，冲击强度分别下降55%和35%。将有连续网状组织的锌铝合金加热至360C，保温2h后出炉水冷，可消除5+£)网状组织，B相的枝晶偏析程度也可大大减轻［6］。采用250 保温7h和80 保温6h热处理工艺，可基本消除ZA27合金铸件的尺寸不稳定现象［7］。文献［8］研究了热处理工艺对ZA27合金组织、力学性能及冲击韧性的影响，结果表明：热处理工艺对ZA27合金的显微组织、力学性能有一定的影响,获得综合力学性能最佳的工艺为360 14h固溶处理后空冷。陈美玲［9］等人研究了热处理工艺参数对ZA33-3合金的力学性能的影响,结果表明：合金经365°C固溶化处理3h后水淬，再在100 下时效90min的热处理,可获得最好的综合性能。4、 其他除了变质和热处理外,人们还采用其它方法来提高锌铝合金的性能。陈体军等［10］研究了ZA27合金在SIMSA处理过程中形变量和等温温度对组织的影响，结果表明：在250°C预变形时，随变形量的增加,ZA27的原始组织由发达的树枝状晶逐渐演变为粗化的等轴晶和短树枝状晶;在等温处理过程中,形变量越大和等温温度越高，初生a相逐渐变成球状颗粒。文献［11］表明，当持续电磁搅拌时,凝固组织中的初生相能变为细小的近似球形的颗粒,而其主要力学性能与经T-iB变形处理的结果相近；如果搅拌后的冷却速度较快，则使包晶反应减少,初生非枝晶固相颗粒和非平衡共晶组织增多;研究还发现,随搅拌速度或时间的增加，基体组织的成分变得比较均匀，初生相趋于非枝晶化。王俊［12］等人采用高能超声波制备A12O3/ZA22复合材料，其组织致密且颗粒分布均匀，与ZA22合金相比,抗拉强度提高,延伸率明显下降,增强体的粒径对材料的性能无明显影响，而对其体积分数的影响较为明显。用嵌铸法和机械法制造石墨柱-ZA27复合材料自润滑轴套、轴瓦,具有工艺简单、质量易控制且稳定、易实现规模生产等优点［13］。文献［14］表明挤压可使初生的树枝晶状富铝相细化,通过控制挤压温度可以控制合金的相组成。对ZA27合金进行均匀化处理并经热挤压后，可消除疏松，大幅度提高其综合性能。5、锌铝合金的应用锌铝合金已经在我国机械、造船、冶金、玩具等行业得到了广泛的应用。用ZA27合金代替铜合金制造轴瓦、轴套、蜗轮、滑块等耐磨机件,产生了良好的经济效益和社会效益。接近共晶的Zn-Al4%合金，其铸造性能良好，收缩率低，切削加工性也较好,在压铸业中得到了较大发展和广泛应用。化学成分接近于Zn-A-lCu三元合金的共晶点的锌铝合金,具有加工周期短、工艺简单、成本低、能重熔再生等优点,几乎使用于各类模具制造中。Zn-22%Al共析合金的超塑性好,在一定条件下延伸率特别高,因而可以一次成型形状复杂、尺寸精确的零件和模腔,可用于制造各种形状的模锻件、挤压件和模具。锌铝合金系中有一类高强度合金，包括ZA8、ZA12和ZA27系列。他们具有良好的力学性能和耐磨性。这类合金随铝含量增加,合金收缩率增大,密度降低,耐磨性提高,延伸率、冲击值、抗蠕变性及硬度增大。常用重力铸造法生产铸件,广泛用于制作轴衬、各种管接头、滑轮以及各类受冲击和耐磨损铸件。由于强度高、铸造性好、导热性好、耐磨性好、经济效益好,已成为部分铝合金、铜合金及铁铸件的良好替代品。锌铝合金是非磁性材料,本身具有高的阻尼能,且不受磁场影响,可用于电子器件及仪器仪表的减振降噪。锌铝合金密度较小,力学性能好,具有良好的耐磨减磨特性,碰撞时不产生火花,可望用于大多数结构阻尼场合,如减振轴承、石油储运减振器。参考文献：1高升洁，沈保罗杨刚，黄兴家，涂铭旌.Zn-25A-lCu合金的力学性能和耐磨性研究[J].特种铸造及有色合金,1998,(2):4~6.2谭银元.稀土对ZA27合金阻尼性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2002,(2):13黄俊，袁中岳，张忠明，刘宏昭，杨根仓.稀土变质高锌铝合金的组织和性能[J].热加工工艺,2002,(1):6~8.4赵沛廉，赵兴国，赵浩峰.稀土