熔體急冷和鑄型溫度對ZZn Al4Y鋅合金組織均勻性和力學性能的影響

周 康 ,張 凱 ,王建華

(1.江蘇聯合學院常州鐵道分院智能制造學院,常州 213011;2.常州大學材料科學與工程學院,常州 213164)

0 引言

鋅合金具有優良鑄造性能和耐腐蝕性能以及無磁、加工無火花等優點,廣泛應用于汽車、家用五金、儀器儀表等領域[1-3]。壓鑄鋅合金的強度可與鑄造鋁合金相比,耐磨性能可與軸承用青銅合金媲美,且具有成本低、加工方便的特性[4-6]。ZZn Al4Y 鋅合金是一種鋁質量分數約為4%的壓鑄鋅合金,主要用于汽車、摩托車、電子通信、儀表等機械零件以及玩具、飾物、餐具、鎖類等五金器件的壓鑄制備。目前,有關ZZn Al4Y鋅合金的研究主要集中在變質處理、微合金化以及熔鑄工藝優化方面。LIU 等[7]研究發現,微量鍶可細化ZZn Al4Y 鋅合金共晶組織,減小共晶結構的層間距,顯著提高合金的力學性能。LI等[8]研究發現,隨著鋯含量的增加,ZZn Al4Y 鋅合金中共晶組織和初生η-Zn相明顯細化,綜合力學性能顯著提升。郭子輝等[9]研究發現,鉻的加入可使ZZn Al4Y鋅合金中初生η-Zn相明顯細化且體積分數增多。LI等[10]成功研制了ZZn Al4Y鋅合金微米級精密鑄造工藝,與常規鑄造工藝相比,該鑄造工藝具有非平衡凝固特征,晶粒明顯細化,初生相的比例增大,鑄件的力學性能提高。曹洋等[11]研究發現,Al-5Ti-B變質劑可有效細化ZZn Al4Y 合金晶粒尺寸,提高合金的強度與塑韌性。雖然微合金化和變質處理能改善ZZn Al4Y 鋅合金的組織和力學性能,但是在優化過程中消耗了稀有金屬元素,增加了生產成本,同時稀土元素存在一定的衰退特性[12]。通過優化熔鑄工藝來提高鋅合金性能具有成本低、效率高的優點。

熔體急冷的冷卻速率很高,可實現合金熔體的快速形核與生長,明顯細化合金凝固組織并使組織均勻性提高[13-14]。然而目前,未發現有關熔體急冷對ZZn Al4Y 鋅合金組織均勻性和力學性能影響的研究報道。為此,作者采用低溫銅管對鋅合金熔體進行急冷并控制金屬鑄型溫度,研究了不同鑄型溫度下熔體急冷熔鑄工藝制備得到ZZn Al4Y 合金的顯微組織與力學性能,并與常規熔鑄工藝制備得到ZZn Al4Y合金進行對比,以期為高質量ZZn Al4Y鋅合金的制備提供依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料包括純度99.995%的0號鋅錠(株洲冶煉集團有限公司生產)、純度99.7%的A-00鋁錠(上海旗晨實業有限公司生產)和純度99.95%的1號鎂錠(山東力昂新材料科技有限公司生產)。根據ZZn Al4Y鋅合金的化學成分(質量分數4.1% Al,0.05% Mg,余鋅)進行配料。參考文獻[13-14],創新地提出了將鋅合金熔體流經低溫銅管進行急冷,再將急冷合金熔體澆注到一定溫度的金屬鑄型中凝固的熔體急冷熔鑄工藝。采用未熔體急冷的常規熔鑄工藝和熔體急冷熔鑄工藝制備合金試樣。常規熔鑄工藝如下:將配制好的原料放入坩堝中,在680℃的S62-5-10型電阻爐中熔煉并澆注得到ZZn Al4Y鋅合金錠;將合金錠置于坩堝中并放入電阻爐中進行再次加熱,熔煉溫度為680℃,待完全熔化后用石英棒充分攪拌,防止成分偏析,并采用六氯乙烷對合金液進行精煉;將合金液溫度降至620℃保溫靜置30 min,然后澆鑄到溫度分別為室溫(25℃)以及200,250,300,350℃金屬鑄型中,鑄型內腔尺寸分別為?12 mm×150 mm 和?30 mm×50 mm。在熔體急冷熔鑄過程中,將鋅合金液流經傾斜30°放置的內腔尺寸為?30 mm×500 mm 的低溫銅管(在液氮環境中預冷至-120℃),然后分別澆注到不同溫度金屬鑄型中,得到所需的合金試樣。

由于圓棒試樣的冷卻方向主要是徑向,最終得到的凝固組織是接近等軸晶的組織,距底端10 mm以上的縱向凝固組織與橫向凝固組織相似,且不同高度處的凝固組織也相似,因此僅對距底端10 mm處的橫向組織進行觀察。在距試樣(尺寸?30 mm×50 mm)底端10 mm 的表面、1/2半徑處和中心切取試樣,經粗磨、細磨和拋光后,采用體積分數1%硝酸乙醇溶液腐蝕,用DMI3000M 型光學顯微鏡觀察顯微組織。將尺寸為?12 mm×150 mm 的試樣加工成如圖1所示的拉伸試樣和尺寸為?12 mm×55 mm 的沖擊試樣,分別按照GB/T 228.1—2010和GB/T 229—2020,采用INSTRON 5967型萬能電子拉伸試驗機和JB-300B型沖擊試驗機進行室溫拉伸試驗和室溫沖擊試驗,拉伸試驗的拉伸速度為2 mm·min-1,測3次取平均值。采用JEOL-6510型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

圖1 拉伸試樣的尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 對組織均勻性的影響

由圖2可以看出,采用常規熔鑄工藝、室溫金屬鑄型凝固的ZZn Al4Y鋅合金的組織主要由初生η相以及β相和η相組成的共晶組織構成[15],其中初生η相主要以樹枝晶形式存在。試樣中心的初生η相樹枝晶較粗大,1/2半徑處的樹枝晶比較細小,而表面處的樹枝晶最細小。可知,試樣不同部位凝固組織中的初生η相樹枝晶粗細不均勻,組織均勻性很差。

圖2 常規熔鑄工藝下室溫金屬鑄型凝固ZZnAl4Y鋅合金試樣不同位置的顯微組織Fig.2 Microstructures at different positions of ZZnAl4Y zinc alloy sample solidified in room temperature metal mold under conventional melting casting process：(a)center；(b)1/2 radius and(c)surface

由圖3可見:在常規熔鑄工藝下,與室溫金屬鑄型凝固相比,當鑄型溫度為200℃時,試樣表面初生η相的樹枝晶特征明顯減輕,主要以細小樹枝晶和顆粒狀存在;1/2半徑處樹枝狀初生η相減少,顆粒狀η相增多且其尺寸稍有增大;試樣中心的樹枝狀η相基本消失,η相以粗大顆粒狀存在。200℃金屬鑄型凝固組織中初生η相的圓整度和均勻性有所改善。當鑄型溫度升高至250℃時,除了初生η相尺寸稍有增加外,試樣不同位置的初生η相的形態和尺寸均勻性與200℃金屬鑄型凝固組織相似。當鑄型溫度升高至300℃時,合金試樣不同位置的初生η相均以顆粒狀存在,初生η相的圓整度和尺寸均勻性得到顯著改善。當鑄型溫度提高至350℃時,顆粒狀初生η相尺寸明顯增加,組織均勻性仍較好。

圖3 常規熔鑄工藝下不同溫度金屬鑄型凝固ZZnAl4Y鋅合金試樣不同位置的顯微組織Fig.3 Microstructures at different positions of ZZnAl4Y zinc alloy sample solidified in metal mold at different temperatures under conventional melting casting process：(a，d，g，j)center；(b，e，h，k)1/2 radius and(c，f，i，l)surface

由圖4 結合圖2 和圖3 可知,熔體急 冷后ZZnAl4Y鋅合金組織中的初生η相得到明顯細化。室溫金屬鑄型凝固試樣表面的初生η相為非常細小的樹枝晶,1/2半徑處和中心的初生η相主要以細小顆粒狀存在,樹枝狀η相很少,組織均勻性較差。200℃金屬鑄型凝固試樣表面的初生η相以樹枝狀和顆粒狀2種形式存在,其尺寸比室溫金屬鑄型凝固組織明顯增大;與室溫金屬型鑄造相同部位的凝固組織相比,1/2半徑處初生η相形態變化不大,而中心的初生η相以顆粒狀存在,尺寸都有所增加。當鑄型溫度升高至250℃時,除了試樣表面初生η相以樹枝狀和顆粒狀2種形式存在外,1/2半徑處和中心的初生η相均以顆粒狀存在,不同部位初生η相的圓整度和尺寸均勻性得到明顯改善。當鑄型溫度提高至300℃時,試樣表面、1/2半徑處和中心的初生η相均以顆粒狀存在,表面初生η相尺寸明顯大于鑄型溫度為200℃和250℃時試樣表面初生η相的尺寸,不同部位的合金組織相似。當鑄型溫度進一步提高至350℃時,雖然試樣不同部位的組織一致性良好,但是初生η相發生粗化,且其顆粒圓整度變差。對比可知,熔體急冷熔鑄工藝下300℃金屬鑄型凝固的ZZnAl4Y 鋅合金中的初生η相較細小,組織均勻性較好。

圖4 熔體急冷熔鑄工藝下不同溫度金屬鑄型凝固ZZnAl4Y鋅合金試樣不同位置的顯微組織Fig.4 Microstructures at different positions of ZZnAl4Y zinc alloy sample solidified in metal mold at different temperatures under melt quenching melting casting process：(a，d，g，j，m)center；(b，e，h，k，n)1/2 radius and(c，f，i，l，o)surface

ZZn Al4Y鋅合金的組織均勻性可采用組織中初生η相的表面形狀因子φ來表征。φ取值在0～1,越趨近于1,表示初生η相的形狀越趨近于圓形。φ的具體表達式[16]為

式中:A為初生η相的投影面積;Prough為初生η相投影的周長。

由表1可知:隨著鑄型溫度的升高,不同熔鑄工藝下ZZn Al4Y 鋅合金試樣不同位置的初生η相表面形狀因子均先增大后減小,標準差先減小后增大;熔體急冷熔鑄工藝下300℃金屬鑄型凝固合金試樣的初生η相的表面形狀因子最大,相對應的標準差最小,說明此時初生η相的圓整度最好,組織均勻性最佳。

表1 不同工藝下ZZnAl4Y鋅合金試樣不同位置初生η相的表面形狀因子Table 1 Surface shape factors of primaryηphase in different positions of ZZnAl4Y zinc alloy samples under different processes

在常規熔鑄工藝下,當鑄型溫度為室溫時,由于熔體與鑄型的溫差很大,試樣徑向不同部位的凝固速率差異巨大:表面熔體過冷度很大,合金凝固時因成分過冷而形成發達的樹枝狀初生η相[17];中心熔體過冷度較小,因成分過冷減輕而形成較粗大的樹枝狀η相。此時,合金的組織均勻性很差。當鑄型溫度為200～250℃時,由于熔體與鑄型的溫差減小,徑向不同部位凝固速率的差異減小:試樣表面熔體的過冷度減小,因成分過冷減輕而形成樹枝狀特征較弱的初生η相;中心熔體過冷度繼續減小,成分過冷消除,凝固時間延長,在表面自由能最低的驅動下組織中形成顆粒狀的初生η相。此時,合金的組織均勻性得到一定改善。當鑄型溫度為300℃時,熔體與鑄型之間的溫差明顯減小,徑向不同部位凝固速率的差異明顯縮小;由于各部位冷卻速率和凝固速率都很小,且不存在成分過冷現象,因此在表面自由能最低的驅動下,試樣徑向不同部位都能形成圓整度高的顆粒狀初生η相,合金的組織均勻性得到顯著改善。但是,當鑄型溫度提高到350℃時,初生η相的生長速率太慢,不同晶面表面能的差異造成該相發生選擇性長大,其球狀形態變差,形狀因子減小,組織均勻性降低。

在熔體急冷熔鑄工藝中,鋅合金液在流動中與低溫銅管發生接觸,二者通過熱對流進行瞬時動態的熱交換,低溫銅管對熔體起到急冷作用,從而產生很大的過冷度。當過冷熔體澆注到金屬鑄型中時,將會產生更大的過冷度,從而大幅度增加初生相的有效形核核心數量,并抑制其生長過程,最終導致合金凝固組織的細化。當急冷后的合金熔體在室溫金屬鑄型中凝固時,熔體表面過冷度較大,凝固時形成非常細小的樹枝狀初生η相;1/2半徑處和中心的過冷度較小,形成較細的顆粒狀初生η相。此時,合金的組織均勻性仍然較差。當鑄型溫度為200～250℃時,急冷熔體與鑄型溫差明顯減小,熔體表面的過冷度明顯減小,形成近似顆粒狀的初生η相。與前述原因相似,在試樣1/2半徑處和中心形成的仍是尺寸較大的顆粒狀初生η相。在熔體急冷的作用下,初生η相的均勻性得到較大改善。當鑄型溫度為300℃時,急冷熔體與鑄型之間的溫差進一步減小,熔體中心到表面的溫度梯度很小,不同位置的凝固速率差異很小,均形成了圓整度高的顆粒狀初生η相,合金的組織均勻性很好。但是,當鑄型溫度繼續升高到350℃時,選擇性長大使初生η相的圓整度下降,徑向不同部位的組織均勻性下降。由于低溫銅管的熱容量有限,其與鋅合金液熱交換的強度隨澆注過程的進行迅速衰減,對于稍大的鑄件或澆注時間較長的鑄件將難以達到持續穩定的預期效果。為了保證處理效果和推廣應用,需要設計連續冷卻裝置以維持低溫銅管的溫度,保持其對合金熔體的急冷能力。

2.2 對力學性能的影響

由表2可以看出:隨著鑄型溫度的升高,常規熔鑄工藝和熔體急冷熔鑄工藝下ZZn Al4Y 鋅合金的抗拉強度、斷后伸長率和沖擊吸收功基本呈先升高后降低的趨勢,均在鑄型溫度為300℃時,綜合力學性能最好;相同鑄型溫度下,熔體急冷熔鑄合金的力學性能優于常規熔鑄工藝,與常規熔鑄工藝下室溫金屬鑄型凝固合金相比,熔體急冷熔鑄工藝下300℃金屬鑄型凝固合金的抗拉強度提高了33.9%,斷后伸長率提高了320%,沖擊吸收功提高了21.7%。熔體急冷熔鑄ZZn Al4Y 鋅合金綜合力學性能的提高可歸因于組織中初生η相由粗大樹枝狀轉變為顆粒狀以及不同部位初生η相的均勻性得到明顯改善。

表2 不同工藝下ZZnAl4Y鋅合金的力學性能Table 2 Mechanical properties of ZZnAl4Y zinc alloy under different processes

由圖5可以看出:常規熔鑄工藝下室溫金屬鑄型凝固ZZn Al4Y 鋅合金試樣的拉伸斷口呈現解理斷裂特征,解理面非常粗大,韌窩數量很少,合金發生脆性斷裂;當鑄型溫度為300℃時,采用熔體急冷熔鑄工藝制備的ZZn Al4Y 鋅合金試樣的拉伸斷口中存在許多細小的韌窩,雖然也存在較多的解理面但是其尺寸比較細小,合金呈現韌性斷裂特征,該工藝下合金具有較好的綜合力學性能。

圖5 常規熔鑄工藝下室溫金屬鑄型以及熔體急冷熔鑄工藝下300℃金屬鑄型凝固的ZZnAl4Y鋅合金拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracture morphology of ZZnAl4Y zinc alloy solidified in metal mold at room temperatures under conventional melting casting process(a)and in metal mold at 300℃under melt quenching melting casting process(b)

3 結論

(1)與常規熔鑄工藝相比,熔體急冷使ZZn Al4Y鋅合金組織中初生η相的圓整度增大,組織均勻性增加。隨著鑄型溫度的升高,不同熔鑄工藝下合金初生η相的圓整度先增大后減小,組織均勻性先變好再變差。熔體急冷熔鑄工藝下300℃金屬鑄型凝固合金的初生η相的圓整度最好,組織均勻性最佳。

(2)與常規熔鑄工藝下室溫金屬鑄型凝固ZZn Al4Y鋅合金相比,熔體急冷熔鑄工藝下300℃金屬鑄型凝固ZZn Al4Y鋅合金的抗拉強度、斷后伸長率和沖擊吸收功分別提高了33.9%,320%,21.7%,斷裂類型為韌性斷裂。