CN105132743B

CN105132743B - 含钽和碲元素的锌‑铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN105132743B
Application number: CN201510629970.2A
Authority: CN
Inventors: 王振卿; 李佐政; 左敏; 赵德刚; 杨中喜
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: CN105132743A

Abstract

本发明公开一种含钽和碲元素的锌‑铝合金，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.05‑0.35%，Te 0.045‑0.31%，Mg 0.015‑0.025%，Cu1.8‑2.4%，Al 26‑31%，余量为Zn；本发明还公开了该合金的制备方法。本发明合金中，钽元素形成TaAl_y‑xZn_x化合物粒子，产生晶粒细化作用。碲元素会大大改善TaAl_y‑xZn_x粒子的表面活性，在凝固后会转变成细小的Al₂Te₃粒子弥散分布于基体中，使粒子形核能力大大增强、形核率得到提高；共同添加钽和碲元素使上述锌‑铝合金力学性能比没有钽和碲元素或只含有其中一种元素时都得到提高。

Description

含钽和碲元素的锌-铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属合金材料技术领域，涉及一种含有微量钽和碲元素的锌-铝合金及其制备方法。

背景技术

锌-铝合金具有很好的铸造工艺、机械加工工艺性能及较好的力学性能，应用较为广泛。实际生产中，往往采用不同方法对二元锌-铝合金进行处理以改善其组织结构、达到进一步提高力学性能的目的。这些方法主要有热处理、晶粒细化、合金化等。合金化是在二元锌-铝合金的基础上添加适量其它元素得到以锌-铝为基体的多元合金。已经发现在锌-铝合金中加入少量铜和镁元素可以提高锌-铝合金性能，这主要得益于两方面作用：（1）铜和镁元素能够固溶于合金的α-Al晶粒中，从而产生固溶强化作用；（2）这两种元素与铝形成化合物粒子，产生粒子强化作用。然而，当铜、镁含量超过一定临界值时，合金的抗拉强度等力学性能增加缓慢或者下降。如，文献[田长文，等，山东省科学院院刊，1989,2（1）：21-26]的研究结果表明：Zn-40Al合金中的铜含量在超过2wt.%时抗拉强度的提高幅度明显变缓慢，当超过4wt.%时抗拉强度开始下降；镁含量超过0.02wt.%时抗拉强度随镁含量提高而稍微下降。因此，用铜、镁元素对锌-铝合金进行合金化对力学性能的提高受到了一定限制。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种含钽和碲元素的锌-铝合金，本发明对含有铜和镁元素的锌-铝合金进行合金化以进一步提高其力学性能，在含有铜和镁元素的锌-铝合金中共同添加微量钽和碲元素进行合金化，通过两种元素对合金组织结构的联合作用和影响，达到进一步提高力学性能的目的。

本发明还提供了该合金的制备方法。

本发明是通过以下方法实现的：

一种含钽和碲元素的锌-铝合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.05-0.35%，Te 0.045-0.31%，Mg 0.015-0.025 %，Cu1.8-2.4 %，Al 26-31%，余量为Zn；

所述的钽元素以原子形式固溶于锌-铝合金的α-Al 晶粒中，或者以TaAl_y-xZn_x化合物粒子的形式镶嵌于锌-铝合金基体中，其中2.4＜y≤3,0.05＜x＜0.25。

上述含钽和碲元素的锌-铝合金，优选的，由以下质量百分含量的成分组成：Ta0.05-0.35%，Te 0.045-0.31%，Mg 0.02 %，Cu 2 %，Al 30%，余量为Zn。

上述含钽和碲元素的锌-铝合金，优选的，由以下质量百分含量的成分组成：Ta0.21%，Te 0.045-0.31%，Mg 0.02 %，Cu 2%，Al 30%，余量为Zn。

上述含钽和碲元素的锌-铝合金，优选的，由以下质量百分含量的成分组成：Ta0.05%，Te 0.045-0.31%，Mg 0.02 %， Cu 2%，Al 30%，余量为Zn。

上述含钽和碲元素的锌-铝合金，所述的TaAl_y-xZn_x化合物粒子为球形或多面体状，粒子外径尺寸为0.1-4μm；

上述含钽和碲元素的锌-铝合金，所述的TaAl_3-xZn_x化合物粒子为体心四方晶体结构。

上述含钽和碲元素的锌-铝合金的制备方法，包括以下步骤：

1）按Ta，Te，Mg，Cu，Al和Zn的配比取锌、铝、铝-铜合金、铝-镁合金、铝-碲合金和锌-铝-钽合金；

2）将锌、铝、铝-铜合金加入熔化炉内熔化至690-750℃，得锌-铝合金熔体；

3）将铝-镁合金、铝-碲合金和锌-铝-钽合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于690-750℃保温10-25min，然后用碳棒搅拌熔体，再将合金熔体浇注至模具中，凝固后即得含钽和碲元素的锌-铝合金。

所述的，步骤1）中，锌的纯度≥99.99wt.%，铝的纯度≥99.7wt.%，铝-铜合金成分为Al-50wt.%Cu，铝-镁合金成分为Al-40wt.%Mg，铝-碲合金成分为Al-6.5wt.%Te，锌-铝-钽合金成分为Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta。

所述的，步骤3）中，搅拌转速为60-150转/分钟。

本发明含有微量钽和碲元素的锌-铝合金中，钽元素形成TaAl_y-xZn_x（2.4＜y≤3,0.05＜x＜0.25）化合物粒子，在合金凝固过程中为α-Al晶粒提供大量的结晶形核基底，产生晶粒细化作用，而合金中同时添加的碲元素会大大改善TaAl_y-xZn_x粒子的表面活性，使粒子形核能力大大增强、形核率（能够有效充当形核核心的TaAl_y-xZn_x粒子的比率）得到提高；合金在产生晶粒细化作用后，固溶的铜和镁元素在α-Al晶粒中分布更趋均匀，固溶强化作用得到更有效发挥，同时铜铝金属间化合物粒子在合金基体中也得到分散和均匀；TaAl_y- _xZn_x细小粒子镶嵌于合金基体中，还会起到弥散强化的作用；此外，部分钽元素也会固溶于铝晶粒中，与铜元素共同起到固溶强化作用；碲元素在合金熔体中以原子方式存在起到表面活性剂的作用，在凝固后会转变成细小的Al₂Te₃粒子弥散分布于基体中，起到弥散强化的作用。因而，共同添加钽和碲元素使上述锌-铝合金力学性能比没有钽和碲元素或只含有其中一种元素时都得到提高。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述，需要说明的是，下述实施例仅是为了解释本发明，并不对发明内容进行限定。

为了进行力学性能对比，用本发明的合金制备方法制备了不含钽和碲元素、或只含其中一种元素的铸造锌-铝合金作为对比例。对比例和实施例中所制备的合金化学成分及抗拉强度值列于表1中。

实施例1

一种含钽和碲元素的锌-铝合金，质量百分含量成分组成为Zn-30Al-2Cu-0.02Mg-0.05Ta-0.045Te，制备过程如下：

（1）按所欲制备锌-铝合金的质量及化学成分准备原材料：锌（纯度99.99%）、铝（纯度99.7%）、Al-40wt.%Mg合金、Al-50wt.%Cu合金、Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金和Al-6.5Te合金；

（2）将锌、铝、铝-铜合金三种原料加入电炉内熔化，得到温度在660-720℃范围内的锌-铝合金熔体；

（3）将Al-40wt.%Mg合金、Zn-27Al-7Ta合金和Al-6.5Te合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于690-750℃保温10-25min，然后用碳棒对熔体进行搅拌(60-150转/分钟)，浇注合金熔体至模具中，凝固后得到本实施例含钽和碲元素的锌-铝合金，即铸造Zn-30Al-2Cu-0.02Mg-0.05Ta-0.045Te合金。

实施例2

一种含钽和碲元素的锌-铝合金，质量百分含量成分组成为Zn-30Al-1.8Cu-0.025Mg-0.05Ta-0.1Te合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例1。

实施例3

一种含钽和碲元素的锌-铝合金，质量百分含量成分组成为Zn-30Al-2Cu-0.02Mg-0.05Ta-0.31Te合金。除了原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例1。

实施例4

一种含钽和碲元素的锌-铝合金，质量百分含量成分组成为Zn-30Al-2Cu-0.02Mg-0.21Ta-0.045Te合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例1。

实施例5

一种含钽和碲元素的锌-铝合金，质量百分含量成分组成为Zn-30Al-2.2Cu-0.018Mg-0.21Ta-0.1Te合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例4。

实施例6

一种含钽和碲元素的锌-铝合金，质量百分含量成分组成为Zn-31Al-2Cu-0.025Mg-0.21Ta-0.31Te合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例4。

实施例7

一种质量百分含量成分组成为Zn-26Al-2.4Cu-0.015Mg-0.35Ta-0.1Te合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例１。

对比例1

一种质量百分含量成分组成为Zn-30Al-2Cu-0.02Mg铸造合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例１。

对比例2

一种质量百分含量成分组成为Zn-30Al-2Cu-0.02Mg-0.045Te合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例１。

对比例3

一种质量百分含量成分组成为Zn-26Al-2.4Cu-0.015Mg-0.1Te合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例１。

对比例4

一种质量百分含量成分组成为Zn-30Al-2Cu-0.02Mg-0.31Te合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例１。

对比例5

一种质量百分含量成分组成为Zn-30Al-2.2Cu-0.02Mg-0.05Ta锌-铝合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例１。

对比例6

一种质量百分含量成分组成为Zn-30Al-2.2Cu-0.02Mg-0.21Ta锌-铝合金。除了改变原料的用量以与所欲制备的合金成分匹配之外，其余制备过程同于实施例1。

对比例7

一种质量百分含量成分组成为Zn-26Al-2.4Cu-0.015Mg-0.35Ta合金。除了中间合金中Ta和Te元素的不同之外，其余制备过程同于实施例１。

表1 本发明实施例和对比例所制备合金的化学成分（质量百分含量）及抗拉强度

由表1可见，实施例中所制备的合金由于同时含有钽和碲元素，其抗拉强度比对比例中没有这两种元素或只有其中一种元素的其它成分相近的合金明显得到提高。

Claims

1.一种含钽和碲元素的锌-铝合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta0.05-0.35%，Te 0.045-0.31%，Mg 0.015-0.025 %，Cu1.8-2.4 %，Al 26-31%，余量为Zn；

所述的钽元素以原子形式固溶于锌-铝合金的α-Al 晶粒中，或者以TaAl_y-xZn_x化合物粒子的形式镶嵌于锌-铝合金基体中，其中2.4＜y≤3,0.05＜x＜0.25；

所述的含钽和碲元素的锌-铝合金是由如下方法制备的，步骤为：

2.根据权利要求1所述的含钽和碲元素的锌-铝合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.05-0.35%，Te 0.045-0.31%，Mg 0.02 %，Cu 2 %，Al 30%，余量为Zn。

3.根据权利要求2所述的含钽和碲元素的锌-铝合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.21%，Te 0.045-0.31%，Mg 0.02 %，Cu 2%，Al 30%，余量为Zn。

4.根据权利要求2所述的含钽和碲元素的锌-铝合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.05%，Te 0.045-0.31%，Mg 0.02 %， Cu 2%，Al 30%，余量为Zn。

5.根据权利要求1所述的含钽和碲元素的锌-铝合金，其特征在于：所述的TaAl_y-xZn_x化合物粒子为球形或多面体状，粒子外径尺寸为0.1-4μm。

6.根据权利要求1所述的含钽和碲元素的锌-铝合金，其特征在于：所述的TaAl_3-xZn_x化合物粒子为体心四方晶体结构。

7.权利要求1含钽和碲元素的锌-铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述的，步骤1）中，锌的纯度≥99.99wt.%，铝的纯度≥99.7wt.%，铝-铜合金成分为Al-50wt.%Cu，铝-镁合金成分为Al-40wt.%Mg，铝-碲合金成分为Al-6.5wt.%Te，锌-铝-钽合金成分为Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述的，步骤3）中，搅拌转速为60-150转/分钟。