锌铝合金的研究现状及应用概况

・综述　Survey・

锌铝合金的研究现状及应用概况

刘永红1,张忠明2,刘宏昭2,吴子英2

(11重庆农药厂农研所,重庆400033;　21西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048)摘要:回顾了锌铝合金的发展历史,介绍了合金的主要组元及其作用;综述了锌铝合金的研究现状及应用概况;指出进一步开发和应用这种合金,对我国的工业发展具有重要的意义。

关键词:锌铝合金;研究现状;应用概况

中图分类号:TG292 文献标识码:A 文章编号:100028365(2001)0120042203

Investigation Actuality and G eneral Application in Situation of in Zinc2aluminium Alloys

L IU Y ong2hong1,ZHAN G Zhong2ming2,L IU Hong2zhao2,WU Z i2ying2

(11Pesticide Research Department,Chongqing Pesticide Factory,Chongqing400033,China;　21School of Mechanical&Instrumental En2 ginerring,Xi’an University of Technology,Xi’an710048,China)

Abstract:The development history of Z inc2aluminium is reviewed in this paper.The role of main alloy ingredient of the alloys are introduced.Its current status of research and general situation of application are summarized subsequently.It plays an im2 portant role on development of industry with applicating and studying this alloy further at home.

K ey w ords:Znic2aluminium;Current status of research;G eneral situation of application

锌铝合金具有良好的力学性能、耐磨减摩性能以及其他一些独特的性能(如碰撞时不产生火花,无磁性等),用其代替部分铜合金甚至铝合金具有明显地经济性,同时,该合金熔点低、耗能少、成本低廉、成型方便,适合于多种铸造方法,因此具有很强的市场竞争力,对其研究和应用也在不断地深入和发展,并成为金属材料科学研究的热点之一。

1　锌铝合金的发展简况

锌远在公元前500年就为人们所知,人们在Cameros遗址中发现了古人用锌制做的手镯[1]。大约16世纪,金属锌传入欧洲。锌合金出现于本世纪初期,并作为锡和铅的代用品用于制造印刷铅字,为这种用途而开发的最早的1种锌基合金含6%Sn,5%Cu 和0.5%Al。但早期的锌合金易于晶间腐蚀和过早失效,在潮湿环境下易开裂。使得人们难以想象锌及其合金也能成为性能优良的工程材料。随着锌冶炼技术的进步,人们可以得到纯度很高的锌,改善锌合金的晶间腐蚀性成为现实。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。在战前和二次世界大战期间,德国由于铜资源紧缺,而用重力铸造锌铝合金代替铜制造轴承材料。锌铝合金熔点低、机械性能好,因而在压铸工业中得到了广泛地应用。上世纪60年代前后,由于塑料工业的兴起,使

收稿日期:2000206213;　修订日期:2000206223

基金项目:中国博士后科学基金资助;凝固技术重点实验室开放课题资助项目(59671026)。

作者简介:刘永红(19682　),女,湖南新化人,工程师,学士1锌合金面临竞争与挑战。1959年国际铅锌研究组织发起了1个旨在开发新型的、先进的压铸锌铝合金的研究计划,这个计划促使了薄壁锌铝合金压铸技术和IL ZRO216、IL ZRO212铸造锌铝合金[1、2]的出现。IL ZRO212(后经改进发展成ZA12合金)铸造锌合金的蠕变性能与Zamak3和Zamak5相当,但其铸造性能和力学性能更好。上世纪70年代后期又开发了性能更优的ZA8和综合力学性能最佳的ZA27合金。此后,在世界范围内,人们开始研究、开发锌铝合金,一些国家还将锌铝合金列入国家标准[3]。

2　锌铝合金的主要组元及其作用

锌铝合金中的主要组元除了锌、铝以外,还有铜、镁元素,了解这些组元的相互作用对于锌铝合金的研究、开发和推广应用具有重要意义。

锌是六方晶格,无同素异构转变。纯锌的力学性能较低(σ

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=150MPa),难以满足工程构件对性能的要求,因此应用中常加入强化元素。锌基合金中常用的强化元素有铝、铜和镁。其中铝是锌铝合金中首要的强化元素,铝可以提高锌合金的流动性,细化晶粒,改善铸件的机械性能。锌铝合金中,随铝含量增加,强度提高,韧性下降。铝与锌之间高温时无限互溶,低温下相互形成置换式固溶体,不形成金属间化合物。铝在锌中固溶度很小,而锌在铝中有很大的固溶度,且随温度变化显著,如共析温度下富铝相的固溶锌量高达30%,室温下其溶解度变为2%,这使得这种合金有很强的固溶强化效果。

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铜可溶于富铝相和富锌相中,使合金固溶强化,当铜含量低于1.25%时,可提高合金的抗拉强度和硬度,还可提高合金的抗晶间腐蚀能力和高温蠕变性能。当铜含量较高时,会在合金中形成富铜的化合物相。但由于铜能阻碍锌铝合金的共析转变,使铸件冷却过程中共析转变难以充分进行,从而过量的铜可引起随后过程中铸件尺寸的不稳定。

镁在锌铝合金中的固溶度不大,室温下镁的固溶度仅为0.005%,但即使这么微量的镁也能起到固溶强化、提高强度和硬度的作用。同时镁还能防止晶间腐蚀、延缓锌铝合金的共析转变。锌铝合金的镁量很低,一般不宜超过0.02%～0.03%,过高的镁量不但会降低合金的塑性和蠕变强度,还会增加合金的热裂和冷裂敏感性。同时锌铝合金中的铜、镁还降低了合金的阻尼性能[4]。

同时锌合金中还不可避免地存在着铅、镉、锡和铁等微量杂质元素,其中铅、镉和锡可引起锌合金的晶间腐蚀,。因此在应用中应严格控制锌合金中的杂质含量。

3　研究现状

为了改善和调整锌铝合金的使用性能,拓宽其应用领域,人们采用诸如合金化、变质、热处理、塑性变形等措施和技术对锌铝合金进行处理,并取得了成效。311　合金化与变质

锌铝合金中常用的合金化元素有铜和镁,另外为了改善合金某一方面的性能,在应用中还常加入其他合金元素。在Zn227%Al合金中加入一定量的Sr、Li和Sb,可使合金的底缩缺陷得以消除,Li还可改善力学性能[5～7]。在锌铝合金中加入2%～8%Si,可以大大改善合金的耐磨性,而且长期时效下的尺寸稳定性也得以提高[8]。Ni和Mn可提高锌铝合金的耐磨性和高温性能,Zn222%Al合金中加入Mn和Bi可提高合金的耐腐蚀性[9]。

为了改善合金的性能,还常加入晶粒细化剂即变质剂。在合金中加入稀土元素,可使铸态组织细化,强度和延伸率得到改善[10],阻尼性能提高[11]。Na盐变质可使Zn2Al2Si合金中Si的形态改变,提高了合金的力学性能和耐磨性[12]。在锌铝合金加入Ti、Zr、Ti+B、Ta、V等变质元素可细化晶粒,显著提高塑性和韧性,也改善了合金的阻尼性能[13、14]。

312　热处理

锌铝合金铸件可以通过热处理调整铸件的性能。适当热处理可稳定组织,从而改善ZA合金的尺寸稳定性[2],文献[15,16]研究了过饱和ZA27合金在自然时效过程中的力学性能和阻尼性能变化规律,证实合金经固溶处理并在自然时效稳定后,可获得良好的力学性能和阻尼性能。文献[2]研究表明铸态ZA8、ZA12和ZA27合金经95℃时效10d后强度分别下降20%、23%和15%,ZA8和ZA12延伸率增加1倍,冲击强度分别下降55%和35%。文献[17]研究了热处理工艺参数对ZA3323合金的力学性能的影响,表明合金经365℃固溶化处理3h后水淬,再在100℃下时效90min的热处理可获得最好的综合性能。固溶化可提高Zn237.5%Al22.5%Cu20.05%Mg合金的硬度,但后续的时效使硬度和电阻率下降,稳定化的优选热处理工艺为375℃下固溶化处理10h时,在180℃下时效8h[18]。文献[19]认为适当的固溶化和水淬处理可提高锌铝合金的阻尼性能,同时抗拉强度和硬度下降,延伸率上升。

313　塑性变形

文献[20,21]研究了锌铝合金经挤压后的组织,结果表明挤压可使初生的树枝状富铝相细化,通过控制挤压温度可以控制合金的相组成。文献[22]和文献[23]报导了塑性成型对Z A27合金力学性能的影响,对Z A27合金进行均匀化处理并经热挤压后,不仅可消除疏松,大幅度提高其综合性能,而且可消除材料不同部位的性能差异。挤压还可提高锌铝合金的阻尼性能[24]。

314　其他

为了提高和改善锌铝合金的性能,除了采取以上措施外,人们还从凝固技术方面入手,研究和开发了新的凝固工艺,如J.Yamashita等人[25]研究开发的倒砂型铸造法可有效地抑制微观疏松、晶粒长大和初生α铝的重力偏析,提高了厚壁锌基合金铸件的机械性能。施忠良[26]把液态锌铝合金与半固态过共晶铝硅合金混合,用搅拌和变质控制硅相的形态,从而制备出了硅相分布均匀的、细小的颗粒硅增强锌铝合金复合材料,这是1种良好的耐磨材料。杨留栓等人的研究表明[27],当含有6%Si的ZA27合金经喷雾沉积处理后,可使合金的尺寸稳定性提高,磨轴量和摩擦系数明显减小,耐磨减摩性能优异。

4　应用概况

根据铸造方法、性能和用途的不同,锌铝合金可分为压铸锌铝合金、模具锌铝合金、超塑性锌铝合金和高强度锌铝合金等。

(1)压铸锌铝合金

美国开发的Zamak3和Zamak5合金,其含铝量均在4%左右,属于亚共晶合金。其成分与共晶点很接近,因此该合金的铸造性能良好、收缩率低,切削加工性也较好,在压铸业得到了较大发展和广泛应用。

(2)模具用锌铝合金

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