当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

高铝锌基合金组织及性能的研究


Ma y 2009 Vol.58 No.5



造 · 473 ·

FOUNDRY

高铝锌基合金组织及性能的研究
夏兰廷,李桂玲,蔺虹宾
( 太原科技大学材料科学与工程学院,山西太原 030024 )

摘要:研究了Al含量为27%~45%的高铝锌基合金的组织和性能,通过对合金采用金相显微镜、SEM、EDS及XRD方法 检测,结果表明,随Al含量提高,高Al锌基合金中α相数量增多、细化及其固溶Zn、Cu元素的溶解度增加,固溶强化 作用增强,同时α+η共析体数量减少、细化以及多种硬质点相产生,使ZA40合金力学性能、磨损性能明显提高。 关键词:Al含量;显微组织;力学性能;磨损性能 中图分类号:TG132.3+2 文献标识码:A 文章编号:1001-4977 ( ) 05-0473-03 2009

Microstructure and Properties of High Aluminum Zinc-Based Alloys
XIA La n-ting, LI Gui-ling, LIN Hong-bin ( te ria l P roce s s ing Engine e ring, Ta iyua n Unive rs ity of S cie nce a nd Te chnology, Ma Ta iyua n 030024, S ha nxi, China )

Abs tra ct: The me ta llurgica l micros cope , s ca nning e le ctron micros cope (S EM , e ne rgy dis pe rs ive ) EDS XRD s pe ctrome te r ( ) a nd X-ra y diffra ction ( ) we re e mploye d to inve s tiga te the micros tructure a nd prope rtie s of high a luminum zinc-ba s e d a lloys with diffe re nt Al conte nts from 27 to 45 pe rce nt. The re s ults s how tha t with the incre a s ing of Al conte nt, the qua ntity of α pha s e in high-a luminum zinc-ba s e d a lloys incre a s e s a nd the gra ins a re re fine d, the s olubility of Zn a nd Cu a re e nha nce d a nd the s olution s tre ngthe ning e ffe ct improve s . At the s a me time , the qua ntity of α+η e ute ctoid pha s e de cre a s e s a nd fine s a s we ll a s ma ny kinds of ha rd pha s e s a ppe a r, which re s ult in the obvious improve me nt of the me cha nica l prope rtie s a nd a bra s ive re s is ta nce of the a lloy. Ke y words :Al conte nt; micros tructure ; me cha nica l prope rty; a bra s ive re s is ta nce
高铝 ( Al含量≥27% 锌基合金不仅有优良的铸 ) 造性能,良好的强度,所用原材料丰富、价格低廉, 熔铸工艺简单,尤其在替代铜合金制作耐磨、减摩材 料方面得到广泛应用
[1-3]

转速,载荷为800 N和1 100 N,时间分别为0.5 h、1 h, 在有润滑条件下进行滚动磨损试验。
表1 试验用锌基合金的化学成分 alloys
合金编号 1 2 3 4 Al 27 35 40 45 Cu 2 2 2 2 Mg 0.015 0.019 0.022 0.025

,当锌铝合金中的Al含量>27%

Table 1 Chemical composition of experimental Zn-based

后,合金的室温、高温力学性能、耐磨性以及价格优 势愈显突出,目前,对Al含量>27%的锌铝合金的研究 多是从性能上着手[4-5],而从组织对性能产生的影响方 向的研究较少,笔者通过采用SEM、EDS及XRD对金 属型铸造的高Al锌基合金的显微组织及性能之间的关 系进行了分析,为高Al锌基合金的应用提供依据。

wB /%
Zn 余量 余量 余量 余量

1

试验条件
试验用原材料:纯Zn、纯Al、38黄Cu (38%Cu、

2

试验结果
SEM背散射成像依据是,不同相所含主要元素的原

余为Zn 及纯Mg。试验设备:电阻坩埚炉、TH160里 ) 氏硬度计、M2000磨损试验机、Rigakud/max-2500型 XRD衍射仪、HITACHI S-3000N型扫描电镜、4XC双目 金相显微镜。试验合金的化学成分见表1。硬度值是在 每个试样不同部位测5次取其平均值。磨损试样尺寸为 Φ40 mm×10 mm,摩擦副为40Cr钢,试验采用400 r/min
收稿日期:2008-11-25收到初稿,2009-02-04收到修订稿。

子序数不同,所成像的颜色深浅不同,高Al锌基合金中 的相通常为 富Al的α相,富Zn的η相及ε相 (CuZn5、 CuxAl) 等,Al的原子序数较小,成像的颜色较深,按 y 该原理,在SEM背散射成像图中颜色不同的部位取点进 行EDS检测,并通过XRD衍射分析合金中的组成相。 ZA27和ZA40合金的金相组织如图1所示。图2、图3分别

作者简介:夏兰廷 ( 1950),男,山东泰安人,教授,研究方向为铸造合金及其腐蚀与防护。E-mail:xlanting@126.com

Ma y 2009

· 474 ·

FOUNDRY

Vol.58

No.5

是ZA27合金和ZA40合金的扫描电镜背散射图,表2、 表3为二种合金各检测点位置的能谱分析结果。图4为 ZA27合金的XRD衍射图,图5为ZA40合金的XRD衍射 图。图6为试验合金的力学性能数值,表4为试验合金在 转速400 r/min、载荷为800 N和1 100 N下的摩损数据。

图4

ZA27合金XRD图

Fig. 4 XRD pattern of ZA27 alloy

() ZA27 a 图1

() ZA40 b 试验合金的金相显微照片

Fig. 1 Metallographs of experimental alloys

图5 图2 ZA27合金的扫描电镜背散射图

ZA40合金XRD图

Fig. 5 XRD pattern of ZA40 alloy Fig. 2 SEM backscattered pattern of ZA27 alloy

图3

ZA40合金的扫描电镜背散射图

图6

试验合金的力学性能

Fig. 3 SEM backscattered pattern of ZA40 alloy

Fig. 6 Mechanical properties of experimental alloys

表2
取点位置 1 2 3

ZA27合金能谱检测结果

表4 试验合金的摩损数据

Table 2 EDS results of ZA27 alloy
Al 76.68 72.16 20.40 Zn 16.72 26.23 14.95

wB /%
Cu 6.60 1.61 64.55 合金 种类 ZA27 ZA35 ZA40 ZA45

Table 4 The friction data of experimental alloys
磨损量/mg 800 N 3.70 2.50 2.35 3.90 1 100 N 30.35 10.75 9.35 10.70 摩擦力矩/ N m-1 (· ) 800 N 0.06 0.05 0.04 0.05 1 100 N 0.110 0.085 0.070 0.080 摩擦系数 800 N 0.003 8 0.003 1 0.002 5 0.003 1 1 100 N 0.005 0 0.003 9 0.003 2 0.003 6

表3
取点位置 1 2 3

ZA40合金能谱检测结果

Table 3 EDS results of ZA40 alloy
Al 65.17 66.71 33.46 Zn 21.15 33.29 15.85

wB /%
Cu 13.68 50.69

对应的Al量为1.1%~17.2%,共晶点含Al量为5.1%,可 见,共晶体的数量随Al含量的提高而减少,当Zn含 量<82.8%,Al含量>17.2%时,组织中应不会出现共晶 组织,由于非平衡结晶ZA27合金中有少量的晶界共晶 体出现,是枝晶偏析的结果 [6],对性能产生不利影响。 在Al含量>33%的Zn-Al二元合金中,由于远离共晶反 应平台,不会出现共晶组织,对提高合金力学性能有

3

试验结果分析
由Zn-Al二元相图 分析,Zn-Al合金的共晶反应线
[6]

铸造

夏兰廷等: 高铝锌基合金组织及性能的研究

· 475 ·

利。Zn-Al合金共析转变点对应的Al含量为22.3%,当 Al含量提高时,共析反应受到抑制,硬度较高的α相数 量增加,共析体α+η相数量会减少,而η相的显微硬度 低于α相 。由图1中二种不同Al含量的锌铝合金组织
[7]

时,由于熔炼过程中Al的氧化,吸气倾向加大,合金 组织中夹杂物含量增加,因此,在高Al锌基合金熔炼 时,应考虑采取精炼处理工艺来净化合金。由表4中的 多项磨损数据可见,在转速400 r/min、载荷800 N条件 下,4种合金的磨损量不大,其中ZA35、ZA40的磨损 量较小,摩擦力矩、摩擦系数以ZA40最小,ZA27最 大。当转速400 r/min、载荷增加到1 100 N时,高铝 ( Al含量>27% 锌基合金的耐磨性优势充分得到体现。 ) 尽管ZA45的综合力学性能远差于ZA27,但其耐磨性、 摩擦力矩、摩擦系数均优于ZA27。在所有4种合金中 ZA40合金耐磨性优良,其磨损量、摩擦系数、摩擦力 矩分别为ZA27合金的30.8%、64%、63.6%。从力学性 能与磨损参数相对应来看,四种合金力学性能中的硬 度指标对合金的磨损性能起到的作用大于强度指标。

可见,ZA40合金中不但α相数量较ZA27合金多,且α 相的细化程度好于ZA27合金中的α相,同时,η相也得 到了细化。α相数量的增加及细化,使晶界总表面积增 加,表面能增大,合金力学性能提高。 由图2中ZA27的SEM背散射图中不同深浅颜色的取 1~3 点位置 ( ) 及其所对应表2的EDS数值可见,颜色较 深 的 谱 图 1 的 EDS 检 测 值 为 76.68% Al、 6.60% Cu、 16.72%Zn,为富Al组织,由ZA27的XRD图4检测结果表 明,该组织为富Al的α相,α相固溶的Cu、Zn总量为 23.32%,由谱图2颜色略浅的EDS检测值为72.16%Al、 1.61%Cu、26.23%Zn,由于谱图1、2检测点的颜色深浅 不同,二者组织有差别,即富Al的α相与富Zn的η相组 成的共析体 ( EDS将共析体作为一个整体检测出其所含 各元素的平均含量 ),对谱图3的白色亮点检测的EDS值 CuZn) 化合物。对ZA40合金图3 与图4对比可知为ε ( 5 做同样分析,颜色较深的谱图1的EDS检测值为65.17% Al、 13.68% Cu、 21.15% Zn, 固 溶 总 量 为 34.83% , 与 ZA27的α相中的固溶元素量23.32%相比,固溶度提高 11.51个百分点,提高了49.3%,表明ZA40合金中的α相 的固溶强化作用大幅增强,同样,图3中谱图2颜色较浅 的EDS检测值表明为α+η共 析组织,由ZA40合金的 XRD衍射图5可知,ZA40是由富Al的α相与富Zn的η相 组成。图3中谱图3白色亮点检测的EDS值表明为富Cu 相,对照图5可知该组织为ε ( CuZn)。对比图4、图5, 5 ZA40合金中的化合物相比ZA27中的化合物相增加了 CuxAly相,表明随高Al锌基合金中Al含量的提高,Al与 Cu形成化合物的趋势加强,出现了少量的较高熔点、 硬度的Cu3Al2和Cu9Al4相,对提高ZA40合金的硬度起到 有益作用。ZA40合金中,α相数量的增多及固溶度的提 高,α相、η相的细化以及较高熔点、硬度的CuxAly相的 出现是使ZA40合金力学性能提高的主要原因。 由图6中的力学性能看到,ZA40合金的抗拉强度较 ZA27提高40 MPa,提高9.19%,硬度提高HB15,提高 13.5%,随强度、硬度的提高,ZA40塑性下降。当合金 中Al含量达到45%时,ZA45合金的硬度较ZA27略有提 高,而强度、塑性大幅下降,抗拉强度仅为350 MPa, 伸长率小于1%,这表明,当锌铝合金中Al含量过高

4

结论
() 随合金中Al含量提高,高Al锌基合金中富Al 1

的α相数量增加,α+η共析体数量减少,二者均得到细 化。ZA40合金中α相溶解Zn、Cu较ZA27提高49.3%, 固 溶 强 化 作 用 增 强 , ZA40 合 金 中 硬 质 点 相 为 ε ( CuZn) 和Cu3Al2及Cu9Al4。 5 () ZA40合金与ZA27合金相比,力学性能、磨损 2 性能得到明显提高,抗拉强度提高9.19%,硬度提高 13.5%,伸长率有所下降,耐磨性是ZA27合金的3.24倍。
参考文献:
[1] [2] [3] [4] [5] 曹风江,谭建波,李文革,等. 高锌铝合金的研究进展与应用概 况 [J]. 河北工业科技,2006,23 ():381-384. 6 刘永红,张忠明,刘宏昭,等. 锌铝合金的研究状况及应用概况 [J]. 铸造技术,2001 ():42-45. 1 蒋凯雁,张关钧. 锌铝合金的发展、性能及应用 [J]. 有色设备, 1995 ():19-23. 1 冯建情,曾建明,邹勇志,等. 含Al量对锌基合金力学性能的影 响 [J]. 热加工工艺,2004 ():8-9. 5 Abou M T El-khair,Ismail A. Effect of different Al content on the microstructure, tensile and wear properties of Zn-based alloy [J]. Material Letters,2004 ( ):1754-1760. 58 [6] [7] 中国机械工程学会铸造分会. 铸造手册第三卷铸造非铁合金 [M]. 第2版. 北京:机械工业出版社,1997. 陆文华,李隆盛,黄良余. 铸造合金及其熔炼 [M]. 北京:机械工 业出版社,2002.

( 编辑:田世江,tsj@foundryworld.com )


相关文章:
铝合金的研究现状与应用
热处理及其他处理方法对锌铝合金组织性能的影响,最后介绍锌铝 合金的应用及...[7] 耿浩然,张硕,马家骥 1 锑对高铝锌基合金性能的影响[J]1 机械工程材 ...
锌基合金特性及应用&Q235与Q345的区别
2. 时效作用 锌基合金的组织主要由含 Al 和 Cu 的富锌固溶体和含 Zn 的富...Zamak 2: 用于对机械性能有特殊要求、对硬度要求高、尺寸精度要求一般的机械零件...
锌基合金
锌基合金物理性能和主要应用。锌基合金锌基合金 ...2. 时效作用 锌基合金的组织主要由含 Al 和 Cu ...高铝锌基合金实用研究 4页 免费 锌基合金模的研制...
成型07-1 王智 开题报告
邹勇志等珍等研究高铝 锌基合金的组织性能[22],表明含50%Al入分析的ZA50合金具有较好的力学 性能和高温性能。华东工学院刘彧[23]等认为在ZA27中加入Re 0...
电梯曳引机用高铝锌基合金蜗轮断齿失效分析
电梯曳引机用高铝锌基合金蜗轮断齿失效分析 摘要:...高铝锌基合金实用研究 113人阅读 4页 1下载券 ...高铝锌基合金组织及性能... 251人阅读 3页 免费...
锌铝合金论文:锌铝合金 数值模拟 组织性能 冲击韧性_免...
新型高铝锌基合金设计及其... 5页 2财富值 提高...锌铝合金 数值模拟 组织性能 冲击韧性锌铝合金 数值...及成形工艺研究 【中文摘要】 锌铝合金是近年来国内...
成型07-1 王智 文献综述(修订)
邹勇志等研究高铝锌基合金的组织性能[4],表明含 50%AI 的 ZA50 合金具有较好的力学性能和高温性能。 2 锌铝合金的发展历程及研究现状 1 1930 年,美国...
曾雪的开题报告
粉末冶金高锅锌基合金性能的研究明.热加 工工艺,2007,36(16):22-24 [10]...(利用万能试验机等进行测试) ; 显微组织(金相制备,电镜观察) ; 数据处理(借助...
黄冈国家级代理发表职称论文发表-铸铁腐蚀机理论文选题...
镍对合金铸铁组织及耐高温烧碱腐蚀性能的影响 45……灰铸铁在酸性溶液中的电...高铝锌基合金的腐蚀研究进展 61……四种不同仿古铸铁在 3.5%NaCl 溶液中的...
锌合金特点
七 十年代发展了高铝锌基合金 ZA-8、ZA-12、ZA-27。 Zamak 3: 良好的流动性和机械性能。 应用于对机械强度要求不高的铸件,如玩具、灯具、装饰品、部分电...
更多相关标签: