铸造铝合金的发展与现状

论文

铝合金材料及应用

题目：铸造铝锌合金的研究进展和方向

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铸造铝锌合金的研究进展和方向

摘要：回顾了锌铝合金的研究历史, 并详述了锌铝合金的成分、显微组织与性能的关系,以及变质、晶粒细化、热处理和其它工艺对锌铝合金的性能和组织结构的影响, 最后介绍了铸造锌铝合金的应用, 并对锌铝合金的发展趋势作了展望。

关键词：铝及铝合金；铸造锌铝合金; 稀土变质; 晶粒细化; 热处理; 显微组织铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素之一，约占地壳总质量的8.2%，仅次于氧和硅，比铁、镁、钛的总和还多。它的化学元素符号为AL,在门捷列夫周期表中属ⅢA族，原子量为26.98154，面心立方晶系，常见化合价为+3价，无同素异构转变。

铝具有一系列比其他有色金属、钢铁、塑料和木材等更优良的特性。如密度小，仅为2.7克/立方米，约为铜和钢的三分之一；良好的耐腐蚀性和耐候性；良好的塑性和加工性能；良好的导热性和导电性；良好的耐低温性，对光热电波的反射率高、表面性能好；弹性系数小；良好的力学性能；优良的铸造性能和焊接性能；良好的抗撞击性。此外，铝材的高温性能、成型性能、切削加工性、胶合性以及表面处理性能等也比较好。如果根据不同的用途，要求具有更高的强度和改善材料的组织和其他各种性能，可以在纯铝中添加各种合金元素，生产出满足各种性能和用途的铝合金。铝合金可以加工成板、带、条、管、棒、型、线、自由锻件和模锻件等加工材，也可加工成铸件、压铸件等铸造材。加工材和铸造材又可分为可热处理型铝合金材料和非热处理型铝合金材料两大类。

目前生产铝及铝合金材料的方法主要有铸造法、塑性成型法和深加工法。铸造法就是利用铸造铝合金的良好流动性和可填充性，在一定温度、速度速度和外力条件下，将铝合金熔体浇注到各种模型中以获得具有所需形状与组织性能的铝合金铸件和压铸件的方法。塑性成型法就是利用铝及铝合金的良好塑性，在一定的温度、速度条件下，施加各种形式的外力，克服金属对于变形的抵抗，使其产生塑性变形，从而得到各种形状、规格尺寸和组织性能的铝及铝合金板、带、条、箔、管、棒、型、线和锻件等的加工方法。深加工法就是将铸造法或塑性成形法

所获得的半成品进一步通过表面处理或表面改性处理、机械加工或电加工、焊接或其他接合方法、剪断、冲切、拉伸、弯曲或其他冷加工方法、复合或腐蚀等方法加工成成品零件或部件的方法。

本世纪初, 为代替锡和铅用于制造印刷铅字, 人们开发了最早的一种

Zn-Sn-Cu-Al 合金,其中Sn6%、Cu5%、Al05% 。但是, 早期的锌合金存在许多缺点, 如易于晶间腐蚀、过早失效以及在潮湿环境下易开裂等, 因而不能成为具有优良性能的工程材料。随着科学技术的进步以及人们对锌合金的大量深入研究, 改善锌合金的缺陷已成为现实。1930 年左右, 美国新泽西锌合金公司研制出了Zamak3 和Zamak5 锌铝压铸合金。在二次世界大战前和战争期间, 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瓦、轴套等轴承材料。上个世纪60 年代末到70年代, 先后由美国和加拿大研制出了ZAl2、ZA27 和ZA8 等合金, 构成锌铝合金系列。1984年, 美国材料与试验学会将其列入了ASTM 标准,

使锌铝合金进入了标准化、系列化年代。我国于上个世纪80 年代初, 对这一系列锌铝合金开始试验研究, 且有较快发展。

锌铝合金具有许多优良的特性, 比如密度较低、热导率和电导率适中、极限抗拉强度高、耐磨性好、承载性好、无磁性以及碰撞时不产生火花等; 同时, 锌铝合金熔点低、耗能少、本低廉、成型方便且无污染, 适用于多种铸造方法[ 1] 。最近10 年来, 锌铝合金在汽车、模具玩具等行业倍受青睐, 已成为研究和开发的热点。我国是世界上锌资源最丰富的国家, 储存量占世界总储量的46%, 不仅能满足国内的需求,而且还可大量出口, 所以开发锌铝合金具有广阔的前景。

１、成分、显微组织与性能

锌是具有低熔化温度( 419 ℃) 、低汽化温度( 906 ℃) 及高密度( 71g/ cm3) 的金属。晶体点阵为六方点阵, 无同素异构转变。纯锌具有高塑性(δ=

50% ) 和低强度(σ= 150MPa) , 难以满足工程上的要求, 因此在应用中常加入强化元素。

除ILZRO14/ 16 合金外, 所有的铸造锌铝合金都建立在Zn-Al 或Zn-A-l Cu 系基础上。在铸造锌铝合金的研究中早已发现, 铝与一定比例的锌熔合能明显地改善流动性、细化铸件晶粒结构并因此提高力学性能。在Zn-Al 系中, 可形成两个固熔体: η固熔体( 几乎是纯锌) 和α固熔体,变化固熔体是以铝为基, 溶解锌可达85% ( 所以以铝为基的固熔体可达83% Zn 而仅有17%Al) 。在一定的温度范围和浓度范围, 固熔体可分解为两个同样晶体结构而多锌(α2)和少锌(α11) 的固熔体。与Zn-Al 相图相对应,，α固熔体在275℃发生偏析转变。

同时锌在铝中的溶解度自275℃随温度降低而急剧下降。因此含5% ~ 10%Al 锌合金的组织是亚共析合金β＋共析体（α＋β）。当快速冷却时,偏析转变可能不进行。α2相过冷至室温, 该不稳定组织将发生变化( 过冷的α2 相分解) , 因而导致制品尺寸的变化。

以锌为基的Zn-A-l Cu 合金的组织是各式各样的( 主要取决于铝和铜的含量及比例) , 其组成相是初生的η( 纯锌) 、α( 以纯铝为基的富锌的固溶体) 或ε( 化合物CuZn3) 相, 二元共晶η+α、ε+α、η+ε及三元共晶α+ε+η。。例如含5%Al 和10%Cu 的铸态合金, 其组织为初生的ε晶体、二元共晶η+ε及三元共晶α+ε+η。当铜含量低于125% 时, 可提高合金的抗拉强度、硬度、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, 引起铸件尺寸的不稳定。

镁可固溶于基体中, 但其固溶度不大, 室温下镁的固溶度仅为0005%。镁元素对Zn-Al 合金α相的大小和分布无大的影响, 当其含量较高时, 在组织中形