CN102719722B

CN102719722B - 一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂

Info

Publication number: CN102719722B
Application number: CN 201210210772
Authority: CN
Inventors: 司松海; 李晓薇; 刘光磊; 杨嵩; 张志敏
Original assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Current assignee: Dongguan City Hui Chun metal products 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: CN102719722A

Abstract

一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂，属于锌铝合金制备技术领域，成分按重量百分比计算，Ni 20-30％、Ti 15-25％、Mn 5-15％、Cr 5-15％、Si 5-10％、Ce 5-10％、La 5-10％、Y 1-6％、Nb 1-6％、V 1-6％、余为铝。所述变质剂为块状灰白色合金，粒度范围0.5～40mm，熔点范围800～1200℃。采用本发明复合变质剂，能明显提高锌铝合金的综合性能。

Description

一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂

技术领域

本发明属于锌铝合金制备技术领域，特指一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂。

背景技术

锌铝铸造合金具有良好的力学性能和耐磨耐蚀性能、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、碰撞时不产生火花、减振降噪性能和成本较低，正越来越广泛地应用于各个领域，并带来显著的经济效益。锌铝合金以其低能耗、无污染、原材料丰富以及良好的力学性能、工艺性能和机械加工性能等一系列优点，已经成为广泛应用的合金材料。

锌铝合金作为耐磨材料及工程材料，韧性和塑性较差限制了其应用。对于耐磨合金而言，耐磨性的高低与合金韧性有很大的关系，当锌铝合金延伸率为6％时，要比延伸率小于1％时的磨损量减少近一倍。但是通常情况下，砂型铸造的锌合金延伸率只会达到3.6％。作为耐磨材料的锌铝合金如果具有较高的塑性，就会钝化配对材料的微凸体，在滑过锌铝合金表面时，就不会形成深的沟槽，而只会压出一些浅的半圆形的沟槽，减少了磨损量。另外，锌铝合金的塑性好，就会大大减少材料因疲劳破坏而产生的剥落。这是由于高的塑韧性可降低因疲劳破坏而产生的裂纹扩展。因而，提高锌铝合金的塑性对提高其耐磨性具有重大关系。锌铝合金作为工程结构材料，也须有一定的塑性和韧性，这样在受冲击载荷时就不会发生脆性断裂，可提高其使用的可靠性。

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℃能保持原有强度已是非常不容易。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℃。

本发明开发出一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂。

发明内容

本发明开发出一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂，其特征为：成分按重量百分比计算，Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝。所述变质剂为块状灰白色合金，粒度范围0.5～40mm，熔点范围800～1200℃。

本发明变质剂辅以多种合金元素，避免单独使用一种变质元素时对材料综合性能提高不明显的缺点，复合变质剂与锌铝合金中不同合金元素发生交互和变质作用，达到净化合金液、去除杂质，细化晶粒、强化基体、使组织得到优化，性能明显改善，能够有效地推迟裂纹产生的时间，降低裂纹扩展速率，在大幅提高耐热疲劳性能的同时，可明显提高材料的冲击韧性、强度和耐磨性，从而延长受冷热交变载荷作用合金的服役寿命，全面提高材料使用性能。

附图说明

图1复合变质剂加入量对锌铝合金磨损量的影响

图2热疲劳试样尺寸(单位：mm)

图3热疲劳裂纹形貌(冷热循环10000次)

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0-1.2％、Mg0.015％、余量是Zn的比例称重后在感应熔炼炉中熔炼。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：砂型铸造，底板为金属型，将熔炼好的锌铝合金浇铸成长250mm、宽40mm、高70mm的毛坯，根据加入复合变质剂的含量不同，浇铸出七组复合变质剂不同含量的锌铝合金毛坯，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。

表1所示为添加不同含量复合变质剂时，锌铝合金的抗拉强度，伸长率及硬度。由表1可以看出，随着复合变质剂含量的增加，合金的抗拉强度，伸长率均呈先上升再减小趋势。当复合变质剂含量达到0.6％时，锌铝合金的抗拉强度可达441MPa，伸长率可以达到6.1％，硬度为152HB。但是随着复合变质剂含量的继续增加，抗拉强度和伸长率又相应的呈现出下降趋势，当复合变质剂含量增加到1.2％时，抗拉强度，伸长率分别下降到415MPa，5.1％，硬度则变化不大。

表1加入不同含量复合变质剂锌铝合金的力学性能

实施例2

以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(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0-1.2％、Mg0.015％、余量是Zn的比例称重后在感应熔炼炉中熔炼。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：砂型铸造，底板为金属型，将熔炼好的锌铝合金浇铸成长250mm、宽40mm、高70mm的毛坯，根据加入复合变质剂的含量不同，浇铸出七组复合变质剂不同含量的锌铝合金毛坯，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％。在毛坯上取样，通过线切割加工出摩擦磨损试样，摩擦磨损试样为长19.5mm、宽10mm、高8mm。对磨件的尺寸为外径Φ40mm，内孔Φ16mm，厚度10mm，对磨件的材质为40Cr，硬度50-55HRC。摩擦磨损是在国产MM-2000型销盘式试验机上进行。磨损量以试样磨损前后的质量差来衡量，称量采用MAll0电子分析天平，精度为0.00019g。摩擦磨损类型为油润滑摩擦磨损，所用润滑油为30#机油。各试样开始试验前，先进行30min的预跑合，跑合完毕后测定原始重量，然后加载至预定的载重进行磨损试验。摩擦磨损试验结束后，将试样用丙酮超声清洗30min，再测定试样的重量，并计算出试样的磨损量(磨损失重)。每次测试前试样和对磨件都要用丙酮清洗，每次测试后下一次测试前要将对磨件用砂纸磨到1200号，防止下一次测试时对磨件的表面粗糙度发生变化。实验中上试样固定不动，下试样转速为400r/min。

由图1可以看到，加入复合变质剂的锌铝合金的耐磨性优于未加入复合变质剂的，并且随着复合变质剂含量的增加耐磨性呈现出先增大后减小的趋势。由图1还明显可见，当载荷小于600N时，无论加复合变质剂与否对锌铝合金的耐磨性没有很大的影响。当载荷大于600N时，加入复合变质剂的锌铝合金的磨损量明显小于未加入复合变质剂锌铝合金，且载荷越大，这种趋势越明显。这表明加入一定数量的复合变质剂，可明显提高锌铝合金重载条件下的耐磨性。分析比较数据还可发现，在载荷大于600N的条件下，当复合变质剂加入量小于0.8％时，材料的磨损量随加复合变质剂的增加而减小，而复合变质剂含量从0.8％增大到1.2％时，试样的磨损量反而增大。显然，试验条件下加入复合变质剂量为0.8％的锌铝合金的耐磨性最好。

实施例3

以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(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0-1.2％、Mg0.015％、余量是Zn的比例称重后在感应熔炼炉中熔炼。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：砂型铸造，底板为金属型，将熔炼好的锌铝合金浇铸成长250mm、宽40mm、高70mm的毛坯，根据加入复合变质剂的含量不同，浇铸出七组复合变质剂不同含量的锌铝合金毛坯，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％。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2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3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％。

图3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3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。通过测试表明，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次裂纹长度才达到0.502mm。普通ZA27合金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

1.一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂，其特征为：成分按重量百分比计算，Ni20-30%、Ti15-25%、Mn5-15%、Cr5-15%、Si5-10%、Ce5-10%、La5-10%、Y1-6%、Nb1-6%、V1-6%、余为铝；所述变质剂为块状灰白色合金，粒度范围0.5~40mm，熔点范围800~1200℃。

2.根据权利要求1所述一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂，锌铝合金中加入复合变质剂达到0.6%时，锌铝合金的力学性能达到最高，抗拉强度441MPa，伸长率6.1%，硬度152HB。

3.根据权利要求1所述一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂，锌铝合金中加入复合变质剂达到0.8%时，耐磨性能最好。

4.根据权利要求1所述一种能提高锌铝合金综合性能的复合变质剂，锌铝合金中加入复合变质剂达到0.6%时，热疲劳性能最好。