Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的顯微組織與切削性能

林高用 ，曾菊花，鄭小燕，楊偉，鄒艷明

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；

2. 中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

我國(guó)鋅資源不但儲(chǔ)量豐富，居世界前列，品位也高。在當(dāng)今銅資源緊張的情況下，鋅合金以其優(yōu)良的鑄造性能、力學(xué)性能以及能耗小、加工成本低等特點(diǎn)，成為一種很好的取代銅合金的材料[1]。我國(guó)從20世紀(jì)70年代末開始重點(diǎn)研究新型Zn-Al系鋅合金，相繼開發(fā)了幾個(gè)成分的 Zn-Al(ZnAl15，ZnAl10-5，ZnAl10-1，ZnAl14-1，ZnAl0.2-4)合金作為黃銅的代用品，但該系列合金因使用過(guò)程中存在嚴(yán)重的老化問(wèn)題[2?4]，在許多場(chǎng)合的應(yīng)用受到限制。Zn-Cu系合金具有良好的耐腐蝕和抗老化性能，并且通過(guò)添加適量的 Mg，Al，Ti和Mn等合金元素可使其獲得良好的力學(xué)性能與成形性能，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)該系列合金的擠壓加工[2?3]。該合金是較理想的鋅基結(jié)構(gòu)合金，但其切削性能常常不能滿足生產(chǎn)的需要，因此，其在應(yīng)用上也受到較大限制。一般可通過(guò)添加Pb，Sn和Bi等低熔點(diǎn)元素來(lái)提高鋅合金的切削性能，但低熔點(diǎn)元素的加入將大大降低合金的力學(xué)性能與成形性能，難以實(shí)現(xiàn)合金的擠壓加工。本文作者開發(fā)了一種高強(qiáng)度易切削Zn-Cu- Mg-Al-RE鋅基合金擠壓型材，其抗拉強(qiáng)度為375 MPa，伸長(zhǎng)率為 2%，已接近擬取代的 HPb59-1鉛黃銅的力學(xué)性能(σb=440 MPa，δ=3%)，但是，切削性能仍然達(dá)不到鉛黃銅的標(biāo)準(zhǔn)。影響鋅合金切削加工性能的因素除了切削工藝等外部條件外，更主要的是材料本身的顯微組織與力學(xué)性能[5]。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于以鋅代銅用鋅合金顯微組織與切削性能的研究報(bào)道。在此，本文作者通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)，研究Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的顯微組織與切削性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所用實(shí)驗(yàn)材料是一種自行研制的具有良好切削性能和綜合力學(xué)性能的鋅基合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Composition of Zn-Cu-Mg-Al-RE zinc alloy%

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將自行研制的Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅基合金鑄錠用250 t油壓擠壓機(jī)擠壓成型，擠壓鑄錠加熱溫度為350℃，擠壓速度為12 mm/min。將擠壓出的型材在250 ℃保溫30 min，空冷。在普通鉆床上用直徑為0.8 mm的鉆頭對(duì)鑄態(tài)、擠壓態(tài)和熱處理態(tài)3種狀態(tài)下的鋅基合金及HPb59-1鉛黃銅試樣進(jìn)行鉆削，鉆削過(guò)程中不加切削液和冷卻液。觀察鉆削后切屑的形貌特點(diǎn)，及鉆削過(guò)程中材料的發(fā)熱、硬度、黏結(jié)鉆頭和扭斷鉆頭等情況，以定性評(píng)價(jià)該鋅合金在不同狀態(tài)下的切削性能。鑄態(tài)試樣的物相分析在 BD/max?2500 X線衍射儀上進(jìn)行。取 3種狀態(tài)的試樣進(jìn)行金相分析，并在KYKY?2800掃描電鏡上對(duì)其切屑和HPb59-1切屑進(jìn)行掃描分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的顯微組織

圖1所示為Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的X線衍射譜。經(jīng)過(guò)對(duì)衍射峰的分析可知：該合金中主要存在 3種相，即純Zn相、Mg2Zn11相和Cu4Zn相(ε相)，但并未發(fā)現(xiàn)Al和稀土(Ce和La)相，其原因是該相質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%，衍射儀檢測(cè)不到其衍射峰[6]。

圖1 鑄態(tài)Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的X線衍射譜Fig.1 XRD pattern of cast Zn-Cu-Mg-Al-RE zinc alloy

對(duì)Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的鑄態(tài)樣品進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，組織形貌如圖2所示，其中特征點(diǎn)的能譜分析結(jié)果如表2所示。由圖2可知：該合金的鑄態(tài)組織中主要有基體相(以 B點(diǎn)為代表)、Cu4Zn相(以 A點(diǎn)為代表)、含稀土相(以 D點(diǎn)為代表)等，而晶界中形成枝晶組織。這些枝晶由具有相同成分(以 C點(diǎn)為代表的相)的富Zn相構(gòu)成，都固溶了少量的Cu，只是枝晶軸組織固溶的Cu含量比基體組織中的Cu含量略少。由 X線衍射結(jié)果可知：該合金中還存在Mg2Zn11相。張忠明等[7]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Mg在鋅合金中的含量較高時(shí)，就形成鎂鋅化合物相，并分布在晶界，因此，推斷該枝晶軸間的組織可能是由Mg2Zn11相構(gòu)成的，晶界上的組織可能是在熔鑄冷卻過(guò)程中液相和 ε相發(fā)生共晶反應(yīng)生成的富Zn相和Mg2Zn11相。

雖然通過(guò)X線衍射未能測(cè)到稀土相的衍射峰，但是通過(guò)能譜分析可知(表2)：晶界上沿晶界分布在共晶組織內(nèi)的白色塊狀組織是由含稀土相構(gòu)成的(D點(diǎn)代表的相)。該合金中稀土的加入量超過(guò)了在該冷卻速率下稀土以固溶形式存在于合金中的量[8?9]，因而，組織中出現(xiàn)形狀為塊狀的稀土化合物，其中規(guī)則形狀(如四邊形、六邊形等)居多，形狀系數(shù)近似為1，分布在枝晶間，即共晶區(qū)域內(nèi)。稀土化合物的顯微硬度較高，約為HM 300～380 N[9]，且其尺寸細(xì)小，可釘扎晶界，通過(guò)阻礙晶界的移動(dòng)來(lái)阻止晶粒長(zhǎng)大，保持鋅合金的細(xì)晶組織[8?10]。此外，稀土化合物本身性脆易斷屑，能有效地提高合金的切削性能。

圖2 Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的鑄態(tài)組織Fig.2 Microstructure of as-cast Zn-Cu-Mg-Al-RE zinc alloy

表2 鑄態(tài)組織在不同位置的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Results of energy spectrum analysis on different locations of microstructure of as-cast alloy %

2.2 Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金擠壓態(tài)和熱處理態(tài)顯微組織

Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金擠壓態(tài)組織如圖3(a)所示，該合金組織由Cu4Zn相和等軸的基體再結(jié)晶組織組成。當(dāng)鋅合金的再結(jié)晶溫度低于300 ℃時(shí)，很容易發(fā)生再結(jié)晶[2,11?12]；而該合金的擠壓溫度達(dá)350 ℃，加上塑性變形產(chǎn)生的溫升，合金的實(shí)際變形溫度已超過(guò)其再結(jié)晶溫度，因此，擠壓過(guò)程中合金發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。熱處理態(tài)的組織如圖3(b)所示，參照文獻(xiàn)[13]，采用的熱處理工藝如下：加熱溫度為 250℃，保溫時(shí)間為30 min。由于該合金熱變形時(shí)擠壓出的型材是強(qiáng)風(fēng)冷卻，故動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不完全，材料的部分變形儲(chǔ)能被凍結(jié)住。當(dāng)合金加熱到250 ℃時(shí)，由于產(chǎn)生的能量較高，故引發(fā)合金發(fā)生明顯的二次再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化。Ma等[11]在Zn-2.17Cu合金時(shí)效熱處理后發(fā)現(xiàn)了與ε相類似的晶內(nèi)沉淀物，說(shuō)明ε相是該鋅合金時(shí)效時(shí)的析出相。大量析出的第二相對(duì)合金產(chǎn)生的硬化作用大于再結(jié)晶對(duì)合金的軟化作用，而且晶粒尺寸小于擠壓態(tài)組織的晶粒尺寸(如圖3(b)所示)，使合金的強(qiáng)度和硬度提高[2]。

圖3 Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的顯微組織Fig.3 Microstructures of Zn-Cu-Mg-Al-RE alloy

影響鋅合金切削加工性能的因素除了切削工藝等外部條件外，更主要的是材料本身的顯微組織與物理力學(xué)性能，包括晶粒粒徑、基體組織、第二相、導(dǎo)熱性能、強(qiáng)度和塑性等[5]。晶粒越小，切削性能越好；第二相呈脆性或者有較低的熔點(diǎn)時(shí)，有很強(qiáng)的斷屑能力，其在晶界及晶內(nèi)的不連續(xù)均勻分布能提高合金的切削性能[14]；金屬的塑性越好，強(qiáng)度越高，韌性就越強(qiáng)。由于其塑性變形區(qū)域擴(kuò)大，塑性變形所消耗的功增多，材料破斷前所吸收的能量越多，因此，越不容易斷屑。

鑄態(tài)Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金晶界共晶組織為枝晶組織，呈脆性；大量的稀土化合物富集在晶界，阻礙了晶粒的長(zhǎng)大，從而使晶粒細(xì)化[7?9,14]；在切削過(guò)程中，由于切削力的作用，會(huì)引起不同程度的應(yīng)力集中，而有較高硬度的稀土化合物起到應(yīng)力集中源的作用，阻礙塑性變形或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[15]，迫使呈脆性的稀土化合物的某些部位產(chǎn)生微裂紋，并誘發(fā)更多的顯微裂紋，從而提高斷屑能力[5]；稀土化合物呈脆性的特性也能夠減少切屑對(duì)刀刃的黏結(jié)作用。Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金鑄造態(tài)組織所具備的以上特征都有利于提高切削性能。

與鑄態(tài)相比，擠壓態(tài)和熱處理態(tài)鋅合金晶界不明顯，且晶界上的稀土也消失(如圖3所示)。這是因?yàn)榫Ы绻簿ЫM織的枝晶軸是與基體成分相同的組織，它也參與再結(jié)晶而不單獨(dú)存在。在承受很大的壓力時(shí)，呈脆性的稀土化合物相被充分破碎而分布到再結(jié)晶基體中?；诰Ы缂胺植荚诰Ы缟系南⊥粱衔飳?duì)切削性能的改善作用，可以預(yù)測(cè)：與鑄態(tài)相比，在擠壓態(tài)和熱處理態(tài)合金的切削性能會(huì)有所降低。

合金經(jīng)熱處理后，強(qiáng)度σb為408 MPa，伸長(zhǎng)率δ為 3.3%。與擠壓態(tài)合金(σb=375 MPa，δ=2%)相比，合金的強(qiáng)度、塑性均有提高，因韌性提高，其切削性能有所下降；合金組織更為均勻，切屑對(duì)刀刃的黏結(jié)作用增強(qiáng)，斷屑能力下降；沿晶界分布的脆性稀土化合物相進(jìn)一步消失，因此，可預(yù)測(cè)熱處理態(tài)合金的切削性能較擠壓態(tài)合金的切削性能低。

2.3 切削性能比較

對(duì)鑄態(tài)、擠壓態(tài)和熱處理態(tài) 3種狀態(tài)下Zn-Cu-Mg-Al-RE合金試樣進(jìn)行了鉆削實(shí)驗(yàn)，并將其和HPb59-1鉛黃銅進(jìn)行比較。切削試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，鉛黃銅和3種狀態(tài)下的Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的切屑形貌如圖4所示。

衡量金屬切削加工性能的指標(biāo)很多，大致可歸納為以下幾個(gè)方面[13]：加工質(zhì)量、刀具耐用度、單位切削力、切屑形貌等，但至今未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)研究合金本身的切削性能，所以，在切削工藝一定的情況下，主要從刀具耐用情況、切屑形貌、黏結(jié)鉆頭等幾個(gè)方面來(lái)定性比較和評(píng)價(jià)合金切削加工性能的優(yōu)劣(表3)。

HPb59-1鉛黃銅在進(jìn)行切削時(shí)，切屑大部分為碎條狀，有少部分呈粉末狀，不黏結(jié)鉆頭，合金幾乎不發(fā)熱，切削性能很好(如圖4(a)所示)。Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金在鑄態(tài)下切削時(shí)，切屑為碎條狀和片狀，發(fā)熱較嚴(yán)重，黏結(jié)鉆頭不嚴(yán)重，無(wú)扭斷鉆頭的現(xiàn)象，切削性能較好(如圖4(b)所示)。在擠壓態(tài)下，合金鉆削過(guò)程中發(fā)熱較嚴(yán)重，出現(xiàn)了切屑黏結(jié)鉆頭的現(xiàn)象，但不是很嚴(yán)重，在整個(gè)過(guò)程中也沒(méi)有出現(xiàn)扭斷鉆頭的現(xiàn)象；切屑大部分為碎條狀，也有部分為片狀，但幾乎沒(méi)有孔洞(如圖4(c)所示)。由此可知：與該成分合金鑄態(tài)試樣相比，擠壓態(tài)合金的切削性能有所下降。對(duì)熱處理態(tài)合金進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)時(shí)，鉆頭被扭斷1根，當(dāng)鉆孔比較深時(shí)，由于鉆屑黏結(jié)鉆頭很嚴(yán)重，鉆孔過(guò)程被迫停止，切屑色澤光亮，基本上呈片狀(如圖4(d)所示)。根據(jù)鉆孔過(guò)程中的這些現(xiàn)象可知：與其鑄態(tài)和擠壓態(tài)試樣相比，熱處理后合金的切削性能有所降低。

上述切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了從鑄態(tài)、擠壓態(tài)到熱處理態(tài)，Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金切削性能呈小梯度下降的趨勢(shì)，且鑄態(tài)合金的切削性能已接近 HPb59-1鉛黃銅。

由以上分析可知：添加合金元素Cu，Mg，Al和稀土能顯著地提高鋅合金的力學(xué)性能和切削性能。本文自行研制的Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金在擠壓態(tài)下的力學(xué)性能和切削性能已經(jīng)能達(dá)到普通結(jié)構(gòu)件及衛(wèi)浴件的使用要求，但是Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金在擠壓和熱處理過(guò)程中切削性能下降的真正原因及熱處理過(guò)程中的相變規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。

表3 HPb59-1鉛黃銅和不同狀態(tài)下的鋅合金的切削試驗(yàn)評(píng)價(jià)Table 3 Evaluation of machinability of HPb59-1 and zinc alloy under different conditions

圖4 H59-1鉛黃銅和Zn-Cu-Mg-Al-RE合金的切屑形貌Fig.4 Cutting chips of HPb59-1 and zinc alloys under different conditions

3 結(jié)論

(1) 該鋅合金鑄態(tài)組織中主要存在純 Zn相、Mg2Zn11相和Cu4Zn相(ε相)，晶間分布有白色塊狀的稀土化合物，其主要富集在晶界上，阻礙了晶粒的長(zhǎng)大，從而使晶粒細(xì)化。稀土化合物由于硬度較高，性脆易斷，有利于提高切削性能。

(2) 和鑄態(tài)組織相比，擠壓態(tài)和熱處理態(tài)的組織中晶界不明顯，稀土化合物消失，其中，熱處理組織中出現(xiàn)部分二次再結(jié)晶，晶粒細(xì)化，強(qiáng)度和塑性均有提高。合金在3種狀態(tài)下的切削性能從鑄態(tài)、擠壓態(tài)到熱處理態(tài)依次呈小梯度下降。

(3) 鑄態(tài) Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的切削性能接近HPb59-1黃銅的切削性能，能順利完成切削加工。

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