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微合金化及不同冷速作用下ZA48合金的微观组织、性能研究

闫淑卿  
【摘要】: 锌铝合金具有优良的减磨耐磨性能、机械性能和显著的经济性,可取代铜合金作耐磨材料,代替青铜作低、中速中温重载轴承。所以,尽管锌铝合金问世时间不长,其相关科研技术的发展非常迅猛,应用范围也越来越广泛。随着经济发展,大件和异型件的应用增多,对合金产品性能提出了更高的要求。世界发达国家目前已经开发了一系列的高铝锌基减磨材料,供不同工况下的轴瓦、轴套、滑块等选用。而国内由于长期受传统观念的影响,绝大多数冶金企业仍使用常规牌号的ZA27合金。大量研究表明,高铝含量的偏析锌合金比共晶或共析锌合金具有更加优良的性能。因此,本文以高铝锌合金为研究对象,在不改变现有生产工艺的前提下,通过添加微合金元素、改善浇注工艺,采用不同的凝固、修复等手段,提高合金的力学性能、高温承载能力以及改善产品成型中的铸造缺陷,对提高高铝锌合金的性能,扩大其应用范围具有重要的理论及应用价值。 本文首先研究了高铝含量的锌合金组织及性能,结果表明:随着铝含量的增高合金的抗拉强度和耐磨性均增强。分析认为,锌铝合金的微观组织主要由初生α枝晶和(α+η)共析体组成。随着铝含量的增加,组织中的初生α枝晶增多,(α+η)共析体减少;树枝状的α-Al相是铝基固溶体,面心立方晶格,属于强化相,其强度和硬度都要高于η相。 根据测试结果,选择性能较好的ZA48合金作为本课题的主要研究对象。首先采用电解加钛、Si对合金进行强化。通过研究电解加钛、Si对合金力学性能的影响,结果表明:电解加钛有效提高了合金的力学性能,当钛含量达到0.04%时,合金的力学性能达到最大值。其细化机理是Ti在锌铝合金中形成Al66Ti25Zn9颗粒,可作为合金的异质形核核心,从而有效细化α(Al)相,强化基体。合金的力学性能随硅含量的增加而减弱,特别是当合金中出现初生硅相时,力学性能明显下降。分析认为,合金中的共晶硅相和初生硅相的尖角或棱边处易产生应力集中,削弱硅相与基体的结合力,在外加应力的作用下易形成微裂纹,降低合金的力学性能。 系统研究了常规铸造条件下冷却速度对ZA48合金组织的影响。确立了合金的二次枝晶臂间距λ与冷却速率T之间的关系λ=47(T)-0.325。研究发现,在较快的冷却速度下,合金中的α相内析出大量细小弥散的质点。这些析出物均匀弥散地分布在α相上,有利于合金强度的提高。同时能谱分析表明,冷却速度的提高,有效避免了比重偏析,各元素的偏析程度也随着冷却速度的提高而减小。分析认为,合金在凝固过程中的溶质再分配是产生偏析的根本原因,在非平衡凝固条件下,固液界面实际溶质分配系数k*随着凝固速率的增大更加趋近于1,固液界面固相成分更加趋近于液相成分C0,因而使枝晶偏析减小。 采用单辊甩带法制备快速凝固ZA48合金条带,根据其传热特点,结合传导理论和凝固理论,应用数学解析法推导计算了单辊甩带法制备ZA48合金薄带的冷却速度。得到单辊甩带快速凝固制备50μm厚合金薄带的冷却速度约为105K/s。同时用与时间有关的非均质形核理论说明了ZA48合金快速凝固过程中的形核特点。随着冷却速度的提高,快速凝固ZA48合金的相选择顺序是:α-Al→η-Zn相,同时铝元素的含量对合金中α-Al相的形核孕育期有较大的影响。 系统研究了冷却速度对电解加钛ZA48合金、含硅ZA48合金组织的影响。在常规铸造条件下,随着冷却速度的加快,电解加钛ZA48合金的晶粒得到细化,并且随着Ti含量的增加,合金晶粒尺寸减小;但当冷却速度达到一定值时,晶粒尺寸不再受Ti含量的影响,冷却速度成为晶粒细化的主要原因。合金中的共晶硅相随着冷却速度的加快也得到细化,但是初生硅相的形态改变不大。当冷却速度高达105K/s,即快速凝固后,合金中的共晶硅和初生硅完全固溶于α-Al固溶体中,大的过冷度抑制了硅相的形核与生长,使硅不能析出,大量的硅和其它合金元素固溶于基体中。 模拟使用工况,系统分析了ZA48合金的耐磨性。根据磨损表面及磨损亚表面的形貌,分析了其磨损机理。结果表明,ZA48合金的高耐磨性是α相和η相共同作用的结果,η相首先被磨去并储存在对磨表面,起到自然润滑的作用,减轻试样和对磨轮之间的摩擦;同时摩擦副上的Fe从对磨轮转到试样表面,填充被抹去的部分及磨损表面,在磨损表面形成一层耐磨层,阻止磨损的进一步发生。研究了电解加钛对ZA48合金耐磨性的影响。无论是润滑条件还是无润滑条件下,电解加钛后合金的耐磨性均提高,原因在于晶粒尺寸的减小、晶界面积增加,使试样的剪切力随着晶粒尺寸的减小而增加;因而,细的晶粒尺寸使合金具有较高的耐磨性。 系统研究了硅对ZA48合金耐磨性的影响。无论是润滑条件还是无润滑条件下,加硅合金的耐磨性均提高,且其提高的幅度远大于电解加钛后的合金。硅颗粒的硬度高达757HV,远高于ZA48合金基体的硬度,硅颗粒的加入在合金中起到硬质点的作用,有效地提高了合金的耐磨性。同时,合金的耐磨性受硅颗粒的大小、形态的影响。组织中粗大、不均匀硅粒子处易形成裂纹,使裂纹易于沿着脆性硅相扩展,对材料的耐磨性起负面影响。弥散分布的短棒状、或颗粒状共晶硅可以提高基体的硬度,增强合金抗犁沟磨损能力,同时也可以减小基体与初生硅相之间的硬度差,从而提高两相之间的协调性,增强合金的耐磨性。


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