CN102719705B - 一种能提高热疲劳性能的多元锌铝合金 - Google Patents
一种能提高热疲劳性能的多元锌铝合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明开发出一种能提高热疲劳性能的多元锌铝合金，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％(以含铜50％的铝铜中间合金形式加入)、复合变质剂0-1.2％、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。采用普通金属型铸造，浇铸园棒状毛坯，加工成国家标准试棒，再在毛坯上取热疲劳试样。
Description
技术领域
本发明属于锌铝合金制备技术领域，特指一种能提高热疲劳性能的多元锌铝合金。
背景技术
铝锌合金的应用开发是20世纪80、90年代金属材料研究领域的热点之一。这是因为作为铜、锡及其合金的代用材料，铝锌合金具有抗拉强度和硬度高，阻尼性好，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。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。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。锌铝合金的另一个缺陷是热强性差，锌铝合金的热强性很不好，在120℃能保持原有强度己是非常不容易。这主要有以下原因：一是材料本身的先天原因，锌本身的熔点低，只有419℃；二是合金的主要强化作用是固溶强化和沉淀强化，而这些强化作用虽在室温下效果很好，但在高温下却不好，150℃己是基本没有什么强化作用；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，使树枝晶之间存在许多低熔点，如ZA27的固相线在433℃，但在实际铸造条件下，由于偏析造成的低熔点共晶区，最终固相线大致在380℃。
要增加锌铝合金的热强性，主要是在尽量减少低熔点共晶区的基础上合金化。本发明开发出一种能提高热疲劳性能的多元锌铝合金。
发明内容
本发明开发出一种能提高热疲劳性能的多元锌铝合金，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，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，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％、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中的1、2、3、4、5、6号表示复合变质剂加入量分别为0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％、1.2％。
从图2可以看出，当循环进行到4000次时，6种试样均萌生了裂纹，裂纹从V型缺口顶端应力集中处开始，同时在缺口区域附近，有其他细小裂纹萌生；6号和1号试样较早产生裂纹，所以裂纹较长，3号试样裂纹长度较最短。在冷热循环过程中，由于试样V型缺口尖端处存在最大的应力集中，随着热应变的不断积累，热疲劳裂纹的萌生优先发生在缺口的尖端部位或者缺陷处。一般在缺口处有多个微小裂纹萌生。而在随后的循环过程中，只有1个或2个小裂纹能够继续扩展，或优先迅速扩展。这是由于主裂纹的形成在一定程度上缓解了小裂纹尖端的局部应力集中，从而使其余的小裂纹减慢或停止生长。
图3为循环进行到7000次时，6种试样的V型缺口处热疲劳裂纹形貌。由图3可见，经过7000次的冷热循环，各试样V型缺口边缘处变得凹凸不平，且均有不同程度的微小裂纹萌生。裂纹形貌也发生了较大变化，加入量不同的影响也就明显的表现了出来，各试样基本上都己经形成了一条主裂纹，在主裂纹上也不规则的分布着许多微裂纹，其中6号试样产生一条二次裂纹，各试样裂纹扩展速率也逐渐加快。6号试样、1号试样，萌生的裂纹变又粗又长，向应力集中区域扩展，3号试样缺口处的裂纹则稳步扩展，最短且最细。
图4为热循环进行到10000次时，6种试样的V型缺口处热疲劳裂纹形貌。循环次数达到10000次时，裂纹继续扩展，裂纹变的更加粗长。通过图4发现，3号试样的裂纹较平直，没有二次裂纹的产生，而其他试样的裂纹曲折度较高，并且有较大的二次裂纹，说明3号试样基体塑性较好，成分较均匀，而其他几号试样的基体的塑性较差，基体成分均匀性不好，合金组织对主裂纹扩展路径影响较大。各试样裂纹均产生一定程度的钝化，3号试样的裂纹尖端已经钝化，而其他试样的裂纹尖端依然很尖锐，并且其他几号试样裂纹尖端处出现较多的分叉，说明3号试样的组织塑性更好，从而有效提高材料的热疲劳抗力，起到钝化主裂纹尖端的作用。其他几号试样前端裂纹的分叉说明试样基体的塑性和成分均匀性不好，裂纹通过分叉以寻求最佳的扩展路径，即寻求最小阻力下进行扩展，最终确定一条或两条主裂纹继续向前扩展。各试样表面均产生不同程度的疏松缺陷，说明各试样的强度开始降低。3号试样表面的疏松缺陷较轻，说明3号试样合金组织成分最好，使材料获得了强度与塑性的最佳配合。
附图说明
图1热疲劳试样尺寸(单位：mm)
图2热疲劳裂纹形貌(冷热循环4000次)
图3热疲劳裂纹形貌(冷热循环7000次)
图4热疲劳裂纹形貌(冷热循环10000次)
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0.2％、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，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，见表1。金相组织见图2-4中的1号。多元锌铝合金抗拉强度为431MPa，伸长率达到5.8％，硬度为141HB。
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0.6％、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，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，见表1。金相组织见图2-4中的3号。多元锌铝合金抗拉强度为441MPa，伸长率达到6.1％，硬度为152HB。
实施例3
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1.2％、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，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。
采片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，见表1。金相组织见图2-4中的6号。多元锌铝合金抗拉强度为415MPa，伸长率达到5.1％，硬度为153HB。
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，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，见表1。普通锌铝合金力学性能是，抗拉强度为421MPa，伸长率达到4.8％，硬度为138HB。
表1三种不同工艺方法试样的热疲劳性能数据对比
Claims (3)
1.一种能提高热疲劳性能的多元锌铝合金，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℃，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。
2.根据权利要求1所述一种能提高热疲劳性能的多元锌铝合金，加入0.6%复合变质剂后，多元锌铝合金抗拉强度为441MPa，伸长率达到6.1%，硬度为152HB。
3.根据权利要求1所述一种能提高热疲劳性能的多元锌铝合金，加入0.6%复合变质剂后，多元锌铝合金冷热循环10000次裂纹长度最短，热疲劳性能最好。
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