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高铝锌基合金时效动力学及合金摩擦磨损性能的人工神经网络预测
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3秒自动关闭窗口温压烧结粉末锌铝合金的组织结构与性能研究_金属冶金_中国百科网
温压烧结粉末锌铝合金的组织结构与性能研究
    
&严彪， 陆伟
（1 同济大学材料科学与工程学院& 2上海市金属功能材料开发与应用重点实验室）
摘要：本文研究了用快速凝固技术和温压烧结技术制备的块状粉末锌铝合金的组织结构及其性能。采用金相显微镜、SEM（附EDS）、X－Ray衍射和DSC热分析仪以及维氏硬度仪研究了材料的组织形貌和力学性能，并测定了合金的密度。通过研究，首次得到具有良好塑性和结构均匀性的锌铝合金，其硬度比传统锌铝合金有较大提高，密度也比后者有16％的降低，而且硬度和密度的离散性都很小。
上世纪30年代左右，美国新泽西锌合金公司研制出了Zamak3和Zamak5锌铝压铸合金。在战前和二战期间，德国因铜资源紧缺而用重力铸造锌铝合金代替铜制造轴瓦、轴套等轴承构件。锌铝合金熔点低、力学性能好，因而在压铸工业中得到了广泛的应用。上世纪60年代末到70年代，先后由美国和加拿大研制出了ZA12、ZA27和ZA8等合金，构成合金系列[1]。近20几年来，高铝锌合金在国内外获得了广泛的开发应用。标号为ＺＡ27，ＺＡ22，ＺＡ12，ＺＡ8等一系列不同铝含量的锌铝合金,在某些领域代替铜锡合金作为减摩耐磨材料展现出了光明的前景。随着研究工作的日益广泛和深入,在固态相变、微合金化等基础理论研究方面取得了不同程度的进展[1~4]。然而，传统的锌铝合金一般采用金属模铸造方法，其成分、硬度和密度不均匀，塑性较差，不耐磨。为了改善这些缺点，提高锌铝合金的应用范围，本文研究了一种采用快速凝固和温压烧结技术制得的粉末锌铝合金块材料的组织与性能。
原材料包括：①1#锌锭；②A00铝锭；③铜板（电解铜）；④强化元素（RE、Si、Mg、Cr、Ni、Ti、V、B等中间合金）
试样的制备工艺为不连续工作方式，包括熔炼合金锭、喷射合金带、粉末生产、温压烧结等工艺步骤。其主要工序为：利用坩埚电阻炉熔融锌锭、铝锭&&&&&& 熔化至800℃左右加入铜及强化元素中间合金&&&&& 熔融、保温处理（温度800℃左右，时间约30min） 除渣、精炼&&&&&& 合金锭&&&&&&& 单辊急冷装置中熔融（保护气体N2）&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
& 喷射合金带（厚16－20微米，宽15－25毫米） &&&&&&&球磨机制合金粉末装模（目数为100－180）
&温压烧结（保护气体N2, 压力为0.114MPa，烧结温度560℃，烧结时间1h，烧结压力26MPa）&&&& &&&&&&脱模（后处理）
&&&& &&&&&制成品。&
&&& 制得的试样为厚度为0.7cm、直径为6cm的圆饼状。用数控线切割机把试样切割成8mm×8mm×7mm大小的样品，表面用400#水砂纸磨光备用。采用金相显微镜研究材料的宏观形貌，利用SEM和能谱研究材料的孔洞、夹杂物、界面等微观形貌，利用X射线衍射对合金进行物相定性分析，采用DSC分析仪进行热分析，通过HV1－10A型低负荷维氏硬度计测定材料的硬度，并利用阿基米德原理测定合金的密度。
3& 实验结果与讨论
3.1& 试样形貌分析
在金相照片中，明亮的条纹及裂缝为界面，而它们之间包围的区域为颗粒团簇。在粉末冶金的温压烧结过程中，一部分组成均匀的小颗粒团聚集到一起，在温压作用下，聚集成一个紧密的团簇，各个不同的团簇之间由于结合力比较小，就形成了裂纹状的界面，而在两个成分不同的团簇之间，由于晶粒成分不同，团簇界面的晶粒很难团聚到一起，形成紧密的结合体，故在团簇之间形成界面。从金相照片中还可以看出，合金的组织结构很均匀，第二相在晶粒内部析出，呈细小均匀分布的弥散相，无明显的成分偏析，大大改善了传统浇铸锌铝合金的成分偏析这一缺点。
图3为20000倍下的SEM形貌照片，从图中可以看出，合金组织均匀、细小、溶质偏析少，颗粒分布均匀且较为疏松，所有这些都使材料的化学成分更趋均匀。
图4中，存在3块孤岛状颗粒1、2、3，从它们的能谱中可看出，这三块颗粒都为夹杂物。1号颗粒中含有大量氧元素，可推测其为金属氧化物。2号颗粒中不仅含有大量氧元素，还含有大量铁元
图1 合金平剖面形貌（×500）
Fig.1 Micrographs of cross section（×500）
图2 合金截面形貌（×500）
Fig.2 Micrographs of longitudinal section（×500）
图3 放大20000倍的微观形貌图
Fig.3 Microstructure of clusters(×20000)
图4& 孤岛状夹杂的形貌
Fig.4 Microstructure of isolated impurities
素，其可能为金属氧化物，Fe-Zn-Al三元相或Fe-Zn、Fe-Al金属间化合物。而3号颗粒中，Si与W的含量会特别高（其中W是设备中带入的），两者总的质量百分数约为88%，而Al与Zn的总含量不到8%，是由于Si、W元素发生偏聚而形成的。
在团簇之间，观察到一种密封胶联状的界面，如图5所示，其形成原因为两邻近团簇的边界上的晶粒在一定温度下共熔，形成一固溶体，填充满原来的本应是裂缝状的界面，把两团簇连接起来，从而显示出图5中的形貌。
对图6中的三个孔洞边界进行能谱分析，可知孔洞1中的铁元素较多，同时还有少量镁；孔洞2的成分与合金总成分相近；而孔洞3中含有较多量的铜，其可能是Zn-Al-Cu三元相。
图5& 试样相界面形貌图
Fig.5& Microstructure of phase interface
图6& 试样孔洞低倍数形貌
Fig.6& Microstructure of pores
3.2& 合金的相组成
利用XRD分析（如图7所示）可以得出，合金中主要是α相和η相，这与能谱对不同区域的成分分析是相吻合的，通过综合形貌分析、能谱分析和X射线物相定性分析的结果，可知：团簇中主要为α相，而η相则分布于相界面。
3.3& 合金的塑性
我们对合金材料做了抗压强度试验，发现与为脆性的传
统浇铸锌铝合金不同，本研究锌铝合金在荷载下并没有发生脆性劈裂，而是随着所加荷载逐渐变形，表现为塑性。一方面，这是因为粉末冶金法制备的锌铝合金的组织成分大多为塑性的α相，脆性的η相较少，而ε相几乎没有，这从X射线物相定性分析中可以得到验证。另一方面，我们从热力学以及合金的微观结构上对此加以分析。
我们采用差示扫描量法对铸态合金以及粉末块状合金的热力学状态进行分析。实验仪器采用上海天平仪器厂生产的差示扫描量热系统，实验时粉末块状合金样品用量12.85mg，铸态合金样品用量13.8mg，参比样品为Al2O3，加热速率为10℃/min。如图8所示，通过计算，铸态样品（曲线1）在共晶析出峰处的焓变为33.2J/g，本研究样品（曲线2）的共晶析出峰处的焓变为46.6 J/g。显然，本研究的合金在发生共晶反应时需要吸收更多的热量，也就是其在通常状态下比铸态合金还有较少的能量，处于低能量的状态。通常的劈裂都是为了增加表面积（或能）以吸收外力做的功。因而本合金在受外力作用时，由于自身的能量低，本身就可以吸收外来能量（来自外力做的功），而不需要发生劈裂通过增加表面积来吸收能量，从而表现出塑性。
图8 铸态合金与本研究合金的DSC曲线
Fig.8 DSC curves of as-cast alloy and newly-developed alloy&
图9& 合金塑性变形后的微观形貌（×1500）
Fig.9 Microstructure of alloy after plastic deformation&&&&&&&&&&
在微观结构上：合金采用了快速凝固技术，合金的微观组织结构较为均匀；同时，由于稀土的加入，使得合金组织晶粒细化，第二相在晶粒内部析出，呈细小均匀分布的弥散相(如图1所示)。这些都不利于裂纹的形成，减少了裂纹形成区域，从而使合金在承受压力荷载时不易发生脆性断裂，从而表现出塑性。从图9可以看出，在加载过程中晶粒发生了变形，许多原来分散的晶粒界面相互连接，有沿垂直于加载方向取向的趋势，且并未见裂纹的出现。
3.4& 合金的密度与硬度
利用硬度计测定的合金材料的硬度数据如表1、表2所示。从所得数据可以看出，试样的硬度值比较均匀，其值为110±3，而以往用浇注方法制备的锌铝合金的硬度值比较分散，且硬度值一般都低于100。这是由于合金的晶粒细化及弥散第二相的强化作用造成的。
密度的测定结果表明，本研究锌铝合金块材料的密度约为3.8g/cm3,比传统锌铝合金的密度（4.5g/cm3）低约16％。
表1 材料的维氏硬度
Table 1& Vickers-hardness of bulk powder Zn-Al alloy
表2& 块状粉末锌铝合金的密度
Table 2& Density of bulk powder Zn-Al alloy
1.本研究的锌铝合金的结构与成分均匀，且偏聚很少；
2.本研究的锌铝合金块材料具有良好的塑性；
3.本研究的锌铝合金块材料比传统浇注法生产的锌铝合金的硬度更为均匀，且有10%~20%的提高；在密度方面，本方法制备的材料比传统的锌铝合金材料降低约16％。
参考文献：
[1] Savas M A, Altintas. The Microstructual Control of Cast and Mechanical Properties of Zinc-Aluminium Alloys. Materials Science, 75-1780.
[2] Hou Pingjun et. al. Characteristic of Secondary Core Formation and Crystal Grain Union of Pre-eutectic Aluminum Rich Phase of High Aluminum ZA Alloys. Material Development and Application, vol.17(4),2002(4): 4.
[3] K.H.Matuha.Ding Daoyun et al. Structrue and Property of Nonferrous Alloy. Beijing: Science Publication, .
[4] 张忠明.锌铝合金的组织转变、性能及内耗机制.西北工业大学博士论文，.
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