CN103276245A - 一种提高锌铝合金热疲劳性能的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高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：以成分为Al26-28wtwt%、Cu2.2-2.8wt%、Si1.0-1.5wt%、TiNi合金（0.2-1.2wt%）、纯Mg0.01-0.02wt%、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：加入铝锭、铝铜中间合金、铝硅中间合金、镍钛中间合金、锌锭，待温度为560℃-580℃时进行浇注。铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，以及对铸型施加整体振动。浇铸成尺寸为Φ50mm、长400mm的试棒，然后加工成国家标准试棒进行力学性能测试，再通过线切割在毛坯上取样加工出热疲劳试样进行热疲劳试验。
Description
技术领域
本发明属于锌铝合金制备技术领域，特指一种提高锌铝合金热疲劳性能的工艺方法。
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。
锌铝合金虽然具有许多优良的性能，但也存在一些缺陷。比如在高温（>100℃）时强度低、易发生蠕变、热膨胀系数大、成分偏析严重、底缩等。为改善锌铝合金的使用性能，拓宽其应用领域，人们常采用合金化、变质、热处理和塑性变形等方法对锌铝合金进行处理，并取得了一定的成效。
本发明开发出一种提高锌铝合金热疲劳性能的工艺方法。
发明内容
本发明开发出一种提高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、结晶硅、TiNi合金、纯镁为原料。成分为Al26-28wt%、Cu2.2-2.8wt%（以含铜50wt%的铝铜中间合金形式加入）、Si1.0-1.5wt%（以含硅28wt%的铝硅中间合金形式加入）、TiNi合金（以含钛45wt%、镍55wt%的合金形式加入）、纯Mg0.01-0.02wt%、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：加入铝锭、铝铜中间合金、铝硅中间合金、镍钛中间合金、锌锭，升温至600~650℃时保温6min-8 min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0.2wt％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℃时进行浇注。铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，以及对铸型施加整体振动。振动装置采用机械激振（频率50Hz，振幅15-30mm）装置。将金属型铸型放在振动台上，边振动边浇铸，将熔炼好的锌铝合金溶液浇铸成棒状试样毛坯，尺寸为Φ50mm，长400mm。根据TiNi合金加入量的不同，浇铸出六组锌铝合金毛坯，其加入量分别为0.2wt%、0.4wt%、0.6wt%、0.8wt%、1.0wt%、1.2wt%，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性能测试分别在WE-10型液压式拉伸实验机和HB-3000型布氏硬度试验机上进行，如表1所示。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，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170℃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170℃，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15s，直至预定循环次数。每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度。在振动条件下，加入不同TiNi合金制备的锌铝合金热疲劳性能如图2所示。
表1 振动对锌铝合金力学性能的影响。
| Ti-Ni加入量/wt%+振动 | 抗拉强度σb/MPa | 伸长率δ/ wt% | 硬度/HB |
| 0.2+振动 | 433.5 | 4.7 | 132 |
| 0.4+振动 | 438.5 | 5.2 | 137 |
| 0.6+振动 | 452.5 | 6.1 | 141 |
| 0.8+振动 | 448.0 | 5.6 | 139 |
| 1.0+振动 | 430.0 | 4.5 | 132 |
| 1.2+振动 | 429.5 | 3.8 | 131 |
附图说明
图1 热疲劳试样尺寸（单位mm）；
图2 振动条件下TiNi合金加入量不同制备的锌铝合金热疲劳性能的比较；
图3 冷热循环10000次后锌铝合金热疲劳裂纹形貌 普通锌铝合金；
图4 冷热循环10000次后锌铝合金热疲劳裂纹形貌 加入0.6wt%TiNi合金；
图5 冷热循环10000次后锌铝合金热疲劳裂纹形貌 加入0.6wt%TiNi合金且施以振动。
具体实施方式
实施例1
以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、结晶硅、纯镁为原料。成分为Al26-28wt%、Cu2.2-2.8wt%（以含铜50wt%的铝铜中间合金形式加入）、Si1.0-1.5wt%（以含硅28wt%的铝硅中间合金形式加入）、纯Mg0.01-0.02wt%、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：加入铝锭、铝铜中间合金、铝硅中间合金、锌锭，升温至600~650℃时保温6min-8 min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 wt％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℃时进行浇注。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溶液浇铸成棒状试样毛坯，浇铸成尺寸为Φ50mm，长400mm。然后加工成国家标准试棒，室温拉伸力学性能测试分别在WE-10型液压式拉伸实验机和HB-3000型布氏硬度试验机上进行。此时，该合金的抗拉强度412MPa，伸长率3.5%，布氏硬度120HB。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170℃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170℃，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15s，直至预定循环次数。每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度。当冷热循环为10000次时，热疲劳裂纹长度达到0.582mm，裂纹形貌如图3所示。
实施例2
以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、结晶硅、TiNi合金、纯镁为原料。成分为Al26-28wt%、Cu2.2-2.8wt%（以含铜50wt%的铝铜中间合金形式加入）、Si1.0-1.5wt%（以含硅28wt%的铝硅中间合金形式加入）、TiNi0.6wt%合金（以含钛45wt%、镍55wt%的合金丝材形式加入）、纯Mg0.01-0.02wt%、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：加入铝锭、铝铜中间合金、铝硅中间合金、镍钛中间合金、锌锭，升温至600~650℃时保温6min-8 min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 wt％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℃时进行浇注。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溶液浇铸成棒状试样毛坯，浇铸成尺寸为Φ50mm，长400mm。然后加工成国家标准试棒，室温拉伸力学性能测试分别在WE-10型液压式拉伸实验机和HB-3000型布氏硬度试验机上进行。此时，该合金的抗拉强度441.5MPa，伸长率5.5%，布氏硬度132HB。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170℃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170℃，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15s，直至预定循环次数。每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度。当冷热循环为10000次时，热疲劳裂纹长度达到0.341mm，裂纹形貌如图4所示。
实施例3
以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、结晶硅、TiNi合金、纯镁为原料。成分为Al26-28wt%、Cu2.2-2.8wt%（以含铜50wt%的铝铜中间合金形式加入）、Si1.0-1.5wt%（以含硅28wt%的铝硅中间合金形式加入）、TiNi0.6wt%合金（以含钛45wt%、镍55wt%的合金丝材形式加入）、纯Mg0.01-0.02wt%、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：加入铝锭、铝铜中间合金、铝硅中间合金、镍钛中间合金、锌锭，升温至600~650℃时保温6min-8 min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 wt％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℃时进行浇注。铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，并对铸型施加整体振动。振动装置采用机械激振（频率50Hz，振幅15-30mm）装置。将金属型铸型放在振动台上，边振动边浇铸，将熔炼好的锌铝合金溶液浇铸成棒状试样毛坯，浇铸成尺寸为Φ50mm，长400mm。然后加工成国家标准试棒，室温拉伸力学性能测试分别在WE-10型液压式拉伸实验机和HB-3000型布氏硬度试验机上进行。此时，该合金的抗拉强度452.5MPa，伸长率6.1%，布氏硬度141HB。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170℃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170℃，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15s，直至预定循环次数。每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度。当冷热循环为10000次时，热疲劳裂纹长度达到0.236mm，裂纹形貌如图5所示。
Claims (4)
1.一种提高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、结晶硅、TiNi合金、纯镁为原料；成分为Al26-28wt%、Cu2.2-2.8wt%以含铜50wt%的铝铜中间合金形式加入、Si1.0-1.5wt%以含硅28wt%的铝硅中间合金形式加入、TiNi合金以含钛45wt%镍55wt%的合金形式加入、纯Mg0.01-0.02wt%、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：加入铝锭、铝铜中间合金、铝硅中间合金、镍钛中间合金、锌锭，升温至600~650℃时保温6min-8 min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0.2wt％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℃时进行浇注；铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，以及对铸型施加整体振动，振动装置采用机械激振频率50Hz，振幅15-30mm装置；将金属型铸型放在振动台上，边振动边浇铸，将熔炼好的锌铝合金溶液浇铸成棒状试样毛坯，尺寸为Φ50mm，长400mm；根据TiNi合金加入量的不同，浇铸出六组锌铝合金毛坯，其加入量分别为0.2wt%、0.4wt%、0.6wt%、0.8wt%、1.0wt%、1.2wt%，然后加工成国家标准试棒；室温拉伸力学性能测试分别在WE-10型液压式拉伸实验机和HB-3000型布氏硬度试验机上进行；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170℃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170℃，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15s，直至预定循环次数，每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度。
2.根据权利要求1所述一种提高锌铝合金热疲劳性能的工艺方法，不加入TiNi合金且不振动试样的抗拉强度412MPa，伸长率3.5%，布氏硬度120HB，当冷热循环为10000次时，热疲劳裂纹长度达到0.582mm。
3.根据权利要求1所述一种提高锌铝合金热疲劳性能的工艺方法，加入0.6% TiNi合金但不振动试样的抗拉强度441.5MPa，伸长率5.5%，布氏硬度132HB，当冷热循环为10000次时，热疲劳裂纹长度达到0.341mm。
4.根据权利要求1所述一种提高锌铝合金热疲劳性能的工艺方法，加入0.6%TiNi合金且振动试样的抗拉强度452.5MPa，伸长率6.1%，布氏硬度141HB，当冷热循环为10000次时，热疲劳裂纹长度达到0.236mm。
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