CN102719688B

CN102719688B - 一种能提高多元锌铝合金热疲劳性能的工艺方法

Info

Publication number: CN102719688B
Application number: CN 201210210736
Authority: CN
Inventors: 杨嵩; 董兴盛; 刘光磊; 李晓薇; 司松海
Original assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Current assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102719688A

Abstract

一种能提高多元锌铝合金热疲劳性能的工艺方法，属于锌铝合金制备技术领域，其特征为：以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝)、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按Al27-29％、Cu2-2.5％、复合变质剂0.2-1.2％、Mg0.01-0.02％、余量是Zn的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。将熔炼好的锌铝合金浇铸到普通金属型和带有振动的金属型上，然后加工成国家标准试棒，再在毛坯上取样，通过线切割加工出热疲劳试样。

Description

一种能提高多元锌铝合金热疲劳性能的工艺方法

技术领域

本发明属于锌铝合金制备技术领域，特指一种能提高多元锌铝合金热疲劳性能的工艺方法。

背景技术

20世纪以来，由于锌冶炼技术不断进步，工业锌纯度得以提高。同时，锌合金生产技术的改进和完善使传统的锌合金铸件质量有了显著提高，促进了铸造锌合金的发展和应用。从目前情况看，今后锌铝合金的应用主要还是集中于定期更换的耐磨件及易损件或其它一些服役期较短的零件。对某些特种合金，如无火花、无磁性降噪合金的应用领域也将成为锌铝合金的潜在发展市场。合金的成型工艺、铸造工艺将日臻完善，使用性能大幅提高。合金的腐蚀和老化研究及高温性能研究都将日益深入，其基础理论的研究也将进一步深入。随着现代工业及铸造新技术的发展，对铸造锌铝合金需求量越来越大。尽管如此和发达国家相比，我国在推广应用方面差距仍较大。

但是，铝锌合金也有塑韧性差，尺寸稳定性低，工作温度低，抗蠕变能力差，耐蚀性差等缺点。特别是铝锌基合金铸件缺陷在热节处的底部，即所谓的底面缩孔。产生这种现象的最根本原因还在于凝固期产生的宏观偏析。在上部铝含量高，下部铝含量低，必然引起截面上不同高度处凝固温度范围。铸件上出现上部先凝固、下部后凝固的反常凝固顺序，从而引起铸件中产生由下而上的补缩方向。砂型铸造时因凝固时间长，宏观偏析严重，因而底面收缩缺陷也就是一个大问题。离心铸造时，在离心力的作用下，外围锌量要较中心高，偏析会使外表产生底面缺陷。多年来，人们为克服这些缺点以便扩大其应用范围进行了不懈的努力。

在改进铝锌合金组织和性能方面，采用凝固时施加振动场等手段直接控制合金凝固过程，在改善合金组织和性能方面取得了比较理想的效果，其主要表现在细化合金组织，提高致密度，从而提高了合金力学性能及其均匀性。

本发明开发出一种能提高多元锌铝合金热疲劳性能的工艺方法。

发明内容

本发明开发出一种能提高多元锌铝合金热疲劳性能的工艺方法，其特征为：以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝)、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按Al27-29％、Cu2-2.5％(以含铜50％的铝铜中间合金形式加入)、复合变质剂0.2-1.2％、Mg0.01-0.02％、余量是Zn的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至600～650℃时保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，再用钟罩将含金属液0.2％的脱水ZnCl₂压入金属液中进行精炼，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注。铸造工艺为：采用普通金属型和金属型振动铸造方法，金属型振动铸造的振幅为20-35mm、频率为80-120次/分，将熔炼好的锌铝合金浇铸到普通金属型和带有振动的金属型上，浇铸成尺寸为Φ50mm，长400mm的园棒状毛坯，根据加入复合变质剂的不同，浇铸出七组复合变质剂不同含量的多元锌铝合金毛坯，其复合变质剂加入量分别为0％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％、1.2％，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行。再在毛坯上取样，通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40mm、宽10mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至150℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温150℃，水温20℃(流动自来水)。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为5s，直至预定循环次数。对于研究热疲劳裂纹萌生的试样，每循环500次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.1mm作为裂纹萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数，观察并对裂纹的萌生位置照相。对于研究热疲劳裂纹扩展的试样，每循环1000次，取下试样，抛光并观察。并对裂纹进行拍照，测量表面裂纹长度。

图2是三种不同工艺方法在室温20℃至140℃之间进行冷热循环的热疲劳性能比较，可以很直观的看出三种不同工艺方法对裂纹扩展的影响。由图2可以看出，ZA27合金普通铸造的试样热疲劳性能最差，在循环到1000多次时已开始萌生裂纹，加入复合变质剂后的试样性能有了较大提高，在循环到3000次时才开始萌生裂纹，这主要是加入复合变质剂可以细化晶粒，提高了合金的强韧性。振动和加入复合变质剂共同作用下的试样热疲劳性能最好，在5000次时才开始萌生裂纹，而且裂纹扩展速度较慢，将近在9000次时裂纹长度才达到0.1mm，这主要是由于振动使合金中的微量元素均匀的溶解于基体中，各种相细小、弥散且较均匀地分布于组织之中，在强化基体的同时，使基体获得了强度与塑性韧性的很好结合。同时时施加振动可以减少针孔，提高合金的密度，细化晶粒，减少二次枝晶臂间距，增加组织中共晶体的数量，并使夹杂物细小且均匀分布，从而使合金的韧性、塑性大幅度提高。而ZA27合金普通铸造试样在4000次时就已达到0.1mm，而且裂纹扩展速度较快。

附图说明

图1热疲劳试样尺寸(单位mm)

图2三种不同工艺方法的热疲劳性能的比较

具体实施方式

实施例1

以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝)、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按Al28％、Cu2.3％(以含铜50％的铝铜中间合金形式加入)、复合变质剂0.8％、Mg0.015％、余量是Zn的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至600～650℃时保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，再用钟罩将含金属液0.2％的脱水ZnCl₂压入金属液中进行精炼，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注。铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，将熔炼好的锌铝合金浇铸到普通金属型上，浇铸成尺寸为Φ50mm，长400mm的园棒状毛坯，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行。再在毛坯上取样，通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40mm、宽10mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至150℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温150℃，水温20℃(流动自来水)。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为5s，直至预定循环次数。对于研究热疲劳裂纹萌生的试样，每循环500次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.1mm作为裂纹萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数，观察并对裂纹的萌生位置照相。对于研究热疲劳裂纹扩展的试样，每循环1000次，取下试样，抛光并观察。并对裂纹进行拍照，测量表面裂纹长度。如图2所示，加入复合变质剂后的试样是冷热循环到3000次时开始萌生裂纹，冷热循环到12000次裂纹长度达到0.502mm。

实施例2

以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝)、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按Al28％、Cu2.3％(以含铜50％的铝铜中间合金形式加入)、复合变质剂0.8％、Mg0.015％、余量是Zn的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至600～650℃时保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，再用钟罩将含金属液0.2％的脱水ZnCl₂压入金属液中进行精炼，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注。铸造工艺为：采用金属型振动铸造方法，金属型振动铸造的振幅为20-35mm、频率为80-120次/分，将熔炼好的锌铝合金浇铸到带有振动的金属型上，浇铸成尺寸为Φ50mm，长400mm的园棒状毛坯，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行。再在毛坯上取样，通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40mm、宽10mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至150℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温150℃，水温20℃(流动自来水)。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为5s，直至预定循环次数。对于研究热疲劳裂纹萌生的试样，每循环500次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.1mm作为裂纹萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数，观察并对裂纹的萌生位置照相。对于研究热疲劳裂纹扩展的试样，每循环1000次，取下试样，抛光并观察。并对裂纹进行拍照，测量表面裂纹长度。如图2所示，加入复合变质剂并进行振动铸造后的试样是在冷热循环到5000次才时开始萌生裂纹，冷热循环到12000次裂纹长度达到0.342mm。

对比例

以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按Al28％、Cu2.3％(以含铜50％的铝铜中间合金形式加入)、Mg0.015％、余量是Zn的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、待材料全部熔化后，升温至600～650℃时保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，再用钟罩将含金属液0.2％的脱水ZnCl₂压入金属液中进行精炼，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注。铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，将熔炼好的锌铝合金浇铸到普通金属型上，浇铸成尺寸为Φ50mm，长400mm的园棒状毛坯，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行。再在毛坯上取样，通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40mm、宽10mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至150℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温150℃，水温20℃(流动自来水)。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为5s，直至预定循环次数。对于研究热疲劳裂纹萌生的试样，每循环500次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.1mm作为裂纹萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数，观察并对裂纹的萌生位置照相。对于研究热疲劳裂纹扩展的试样，每循环1000次，取下试样，抛光并观察。并对裂纹进行拍照，测量表面裂纹长度。如图2所示，ZA27合金采用普通金属型铸造方法后的试样是冷热循环到1000次时开始萌生裂纹，冷热循环到12000次裂纹长度达到0.985mm。

Claims

1.一种能提高多元锌铝合金热疲劳性能的工艺方法，其特征为：以工业铝锭A00号，锌锭0号，电解铜，复合变质剂，其中Ni20-30%、Ti15-25%、Mn5-15%、Cr5-15%、Si5-10%、Ce5-10%、La5-10%、Y1-6%、Nb1-6%、V1-6%、余为铝，纯镁为原料；成分按重量百分比计算，按Al27-29%、Cu2-2.5%、复合变质剂0.2-1.2%、Mg0.01-0.02%、余量是Zn的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼；熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、电解铜、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至600~650℃时保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，用含金属液0.2％的脱水ZnCl₂进行精炼，精炼时用钟罩将脱水ZnCl₂压入金属液中，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注；铸造工艺为：采用普通金属型和金属型振动铸造方法，金属型振动铸造的振幅为20-35 mm、频率为80-120次/分，将熔炼好的锌铝合金浇铸到普通金属型和带有振动的金属型上，浇铸成尺寸为Φ50mm，长400mm的圆棒状毛坯，根据加入复合变质剂的不同，浇铸出六组复合变质剂不同含量的多元锌铝合金毛坯，其复合变质剂加入量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，然后加工成国家标准试棒；室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行；再在毛坯上取样，通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm 、宽10 mm 、高5mm，试样顶部带有V型缺口；采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验；板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成；采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至150℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温150℃，流动的自来水水温20℃；快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为5s，直至预定循环次数；对于研究热疲劳裂纹萌生的试样，每循环500次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.1mm作为裂纹萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数，观察并对裂纹的萌生位置照相；对于研究热疲劳裂纹扩展的试样，每循环1000次，取下试样，抛光并观察，并对裂纹进行拍照，测量表面裂纹长度。

2.根据权利要求1所述一种能提高多元锌铝合金热疲劳性能的工艺方法，加入复合变质剂后的试样是冷热循环到3000次时开始萌生裂纹，冷热循环到12000次裂纹长度达到0.502mm。

3.根据权利要求1所述一种能提高多元锌铝合金热疲劳性能的工艺方法，加入复合变质剂并进行振动铸造后的试样是在冷热循环到5000次时才开始萌生裂纹，冷热循环到12000次裂纹长度达到0.342mm。