CN105132747B

CN105132747B - 含钽铸造锌‑铝合金及其制备方法

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Publication number: CN105132747B
Application number: CN201510630261.6A
Authority: CN
Inventors: 王振卿; 梁豆豆; 赵德刚; 左敏; 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: 2017-06-06
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: CN105132747A

Abstract

本发明公开一种含钽铸造锌‑铝合金，由以下质量百分含量的成分组成：0.035‑0.40%，Mg 0.015‑0.025%，Cu 1.8‑2.5%，Al 26‑31%，余量为Zn；本发明还公开了该铸造合金的制备方法。本发明合金在凝固过程中为α‑Al晶粒提供大量的结晶形核基底，产生显著的晶粒细化作用，提高合金强度；通过晶粒细化作用，使固溶的铜和镁元素在α‑Al晶粒中分布更趋均匀，减少其偏析，同时也使铜铝金属间化合物粒子在合金基体中分布更均匀；TaAly‑xZnx化合物粒子产生弥散强化作用；以原子方式固溶于α‑Al晶粒中，与固溶的铜原子共同起到固溶强化作用，使锌‑铝合金力学性能能得到明显提高。

Description

含钽铸造锌-铝合金及其制备方法

技术领域

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

背景技术

铸造锌-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铸造锌-铝合金，本发明在含有铜和镁元素的锌-铝合金中添加微量钽元素进行合金化，通过微量钽元素对锌-铝基体和铜元素的影响，综合改善合金的组织结构，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：

一种含钽铸造锌-铝合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta0.035-0.40%， Mg 0.015-0.025 %，Cu 1.8-2.5 %，Al 26-31%，余量为Zn；

所述的Ta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。

上述含钽铸造锌-铝合金，优选的，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.035-0.4%， Mg 0.02 %，Cu 2.2 %，Al 27%,，余量为Zn。

上述含钽铸造锌-铝合金，优选的，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.035-0.4%， Mg 0.02 %， Cu 2 %，Al 30%，余量为Zn。

上述含钽铸造锌-铝合金中，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；

上述含钽铸造锌-铝合金中，所述的TaAl_3-xZn_x化合物粒子为体心四方晶体结构。

本发明含钽铸造锌-铝合金的制备方法，包括以下步骤：

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

2）将锌、铝和铝-铜合金同时放入熔化炉内熔化至660-720℃，得锌-铝合金熔体；

3）将铝-镁合金和锌-铝-钽合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于660-720℃保温5-10min，然后搅拌，再将合金熔体浇注至模具中，合金熔体凝固后即得含钽铸造锌-铝合金。

所述的，步骤1）中，锌的纯度≥99.99wt.%，铝的纯度≥99.7wt.%，铝-镁合金成分为Al-10wt.%Mg，铝-铜合金成分为Al-50wt.%Cu，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。

本发明含有微量钽元素的含钽铸造锌-铝合金，钽元素对合金产生的有益效果为：一，形成TaAl_y-xZn_x（2.5＜y≤3,0.05＜x＜0.25）化合物粒子（图３、图４），在合金凝固过程中为α-Al晶粒提供大量的结晶形核基底，产生显著的晶粒细化作用，提高合金强度；二，通过晶粒细化作用，使固溶的铜和镁元素在α-Al晶粒中分布更趋均匀，减少其偏析，同时也使铜铝金属间化合物粒子在合金基体中分布更均匀；三，细小的TaAl_y-xZn_x（2.5＜y≤3,0.05＜x＜0.25）化合物粒子会产生弥散强化作用；四，以原子方式固溶于α-Al晶粒中，与固溶的铜原子共同起到固溶强化作用。由于微量的钽元素对含铜、镁元素的锌-铝合金组织结构产生较大的影响，因而使锌-铝合金力学性能能得到明显提高。

附图说明

图1 为对比例1所制锌-铝合金的光学显微镜组织结构图；

图2 为实施例2所制含钽锌-铝合金的光学显微镜组织结构图；

图3为实施例3所制含钽锌-铝合金的扫描电镜组织结构图；

图4为图3 α-Al中心部位白色化合物粒子的扫描电镜能谱图,图中右上角为粒子成分及含量；

图5为实施例4所制含钽锌-铝合金的光学显微镜组织结构图。

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两种不含钽元素的铸造锌-铝合金（对比例1和2）。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。

对比例1

一种铸造Zn-27Al-2.3Cu-0.02Mg合金，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-10wt.%Mg合金、Al-50wt.%Cu合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金；

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

（3）将Al-10wt.%Mg合金加入上述合金熔体中保温10min，然后用碳棒对熔体以100转/分的转速进行搅拌，再浇注合金熔体至模具中，凝固后得到铸造Zn-27Al-2.3Cu-0.02Mg合金。

对比例1所制锌-铝合金的光学显微镜组织结构图见图1。

实施例1

一种含钽铸造Zn-27Al-2.5Cu-0.022Mg-0.035Ta锌-铝合金，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-10wt.%Mg合金、Al-50wt.%C合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta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-10wt.%Mg合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于660-720℃保温5min，然后用碳棒对熔体以60转/分的转速进行搅拌，再浇注合金熔体至模具中，凝固后得到本实施例含钽铸造锌-铝合金，即Zn-27Al-2.5Cu-0.022Mg-0.035Ta合金。

实施例2

一种含钽铸造Zn-27Al-2.2Cu-0.02Mg-0.07Ta锌-铝合金，制备过程如下：

（3）将Al-10wt.%Mg合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于660-720℃保温5min，然后用碳棒对熔体以60转/分的转速进行搅拌，再浇注合金熔体至模具中，凝固后得到本实施例含钽铸造锌-铝合金，即Zn-27Al-2.2Cu-0.02Mg-0.07Ta合金。

实施例2所制含钽锌-铝合金的光学显微镜组织结构图见图2。

实施例3

一种含钽铸造Zn-27Al-2.3Cu-0.02Mg-0.21Ta锌-铝合金，制备过程如下：

（3）将Al-10wt.%Mg合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于660-720℃保温7min，然后用碳棒对熔体以100转/分的转速进行搅拌，再浇注合金熔体至模具中，凝固后得到本实施例含钽铸造锌-铝合金，即Zn-27Al-2.3Cu-0.02Mg-0.21Ta合金。

实施例3所制含钽锌-铝合金的扫描电镜组织结构图见图3，可观察到α-Al晶粒中心的白色形核粒子；

图3α-Al中心部位白色化合物粒子的扫描电镜能谱图见图4，图4可表明粒子由Al、Ta、Zn三种元素构成（三种元素的含量见此图右上角表格），其分子式为：TaAl_2.56Zn_0.1。

实施例4

一种含钽铸造Zn-26Al-2.2Cu-0.025Mg-0.40Ta锌-铝合金，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-10wt.%Mg 合金、Al-50wt.%Cu合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金；

（3）将Al-10wt.%Mg合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于660-720℃保温10min，然后用碳棒对熔体以100转/分的转速进行搅拌，再浇注合金熔体至模具中，凝固后得到本实施例含钽铸造锌-铝合金，即Zn-26Al-2.2Cu-0.025Mg-0.40Ta合金。

实施例4所制含钽锌-铝合金的光学显微镜组织结构图见图5。

对比例2

一种铸造Zn-30Al-2.1Cu-0.02Mg合金，制备过程如下：

（3）将Al-10wt.%Mg合金加入上述合金熔体中保温10min，然后用碳棒对熔体以150转/分的转速进行搅拌，再浇注合金熔体至模具中，凝固后得到铸造Zn-30Al-2.1Cu-0.02Mg合金。

实施例5

一种含钽铸造Zn-31Al-1.8Cu-0.02Mg-0.14Ta锌-铝合金，制备过程如下：

（3）将Al-10wt.%Mg合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于660-720℃保温7min，然后用碳棒对熔体以100转/分的转速进行搅拌，再浇注合金熔体至模具中，凝固后得到本实施例含钽铸造锌-铝合金，即Zn-31Al-1.8Cu-0.02Mg-0.14Ta合金。

实施例6

一种含钽铸造Zn-30Al-2.0Cu-0.02Mg-0.21Ta锌-铝合金，制备过程如下：

（3）将Al-10wt.%Mg合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于660-720℃保温10min，然后用碳棒对熔体以100转/分的转速进行搅拌，再浇注合金熔体至模具中，凝固后得到本实施例含钽铸造锌-铝合金，即Zn-30Al-2.0Cu-0.02Mg-0.21Ta合金。

实施例7

一种含钽铸造Zn-30Al-2Cu-0.015Mg-0.35Ta锌-铝合金，制备过程如下：

（3）将Al-10wt.%Mg合金和Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta合金加入步骤2）锌-铝合金熔体中，于660-720℃保温10min，然后用碳棒对熔体以150转/分的转速进行搅拌，再浇注合金熔体至模具中，凝固后得到本实施例含钽铸造锌-铝合金，即Zn-30Al-2Cu-0.015Mg-0.35Ta合金。

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含有钽元素，其抗拉强度比没有钽元素的其它成分相近的合金（对比例1和2）明显得到提高。

将图1和图2、图5对比可知，由于钽元素的出现明显改变了锌-铝合金的组织结构，使晶粒尺寸大大减小、形状由分枝复杂的树枝状转变为简单的细小花朵状，这会导致合金化学成分和物相在组织中分布更均匀，从而提高力学性能。

Claims

1.一种含钽铸造锌-铝合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.035-0.40%， Mg 0.015-0.025%，Cu 1.8-2.5%，Al 26-31%，余量为Zn；其中的部分Ta元素以原子形式固溶于锌-铝合金的α-Al 晶粒中，其余Ta元素以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TaAl_y-xZn_x化合物粒子为球形、多面体状，外径尺寸为0.1～4μm，具有体心四方晶体结构。

2.根据权利要求1所述的含钽铸造锌-铝合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.035-0.4%， Mg 0.02%，Cu 2.2%，Al 27%，余量为Zn。

3.根据权利要求1所述的含钽铸造锌-铝合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.035-0.4%， Mg 0.02%， Cu 2%，Al 30%，余量为Zn。

4.权利要求1含钽铸造锌-铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4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-镁合金成分为Al-10wt.%Mg，铝-铜合金成分为Al-50wt.%Cu，锌-铝-钽合金成分为Zn-27wt.%Al-7wt.%Ta。

6.根据权利要求4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。