固溶-時效熱處理對易切削變形Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金組織與性能的影響

林高用，王 莉，張 銳，雷玉霞，賀家健，宋佳勝

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙，410083；2.中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室，長沙，410083)

我國銅資源日趨貧乏，但鋅資源卻相對較豐富，因此，研究開發(fā)出在合適的領(lǐng)域替代貧乏的銅合金的變形鋅合金，受到越來越多材料工作者和產(chǎn)業(yè)界的重視[1-4]。近年來，國內(nèi)學(xué)者進行了高強變形鋅合金的研制及其熱處理、表面處理及焊接技術(shù)等方面的研究，并取得了一定的研究成果[5-7]。近年來，隨著高強易切削鋅合金應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，對其性能要求也越來越高。在成分和各種加工工藝不變的情況下，要獲得優(yōu)良的性能，制定合適的熱處理工藝是一個有效的途徑。一些專家學(xué)者研究了熱處理對鋅合金組織和性能的影響，并指出鋅合金經(jīng)過一定溫度的退火處理后，促進ε相(CuZn4)的析出，從而提高了合金強度和塑性[8-12]。

在易切削黃銅替代材料研究方面，近年來以本文作者為主的課題組開展了一系列較深入的工作[13-14]。通過添加 Bi、Sn等元素，開發(fā)了一種高強度易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金擠壓型材，用于制作手表鏈、皮帶扣、衛(wèi)浴間配件等。其抗拉強度為335MPa，伸長率為9.7%，已接近擬取代的HPb59-1鉛黃銅的力學(xué)性能指標(biāo)(σb=440 MPa，δ=3%)，其切削性能也達(dá)到鉛黃銅切削率的 70%～90%。本文作者通過系統(tǒng)的試驗，深入研究了固溶-時效熱處理對自制易切削試驗合金擠壓態(tài)組織和性能的影響，為材料的后續(xù)加工成形提供理論指導(dǎo)。國內(nèi)除本文作者外，目前還沒有關(guān)于以鋅代銅用鋅合金組織、切削性能及其固溶-時效熱處理的其它研究報道。

1 實驗

本研究所用試驗材料是自行研制的高強易切削變形Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金。將鑄錠鋸尾、車皮后在 3150kN立式擠壓機上進行擠壓，擠壓工藝參數(shù)如下：模具預(yù)熱溫度192 ℃，擠壓筒預(yù)熱溫度200℃，鑄錠加熱溫度250～260 ℃；擠壓比λ=11.9 (d50 mm鑄錠→d14.5 mm擠制棒材)。根據(jù)Zn-Al合金相圖及鋅合金相關(guān)文獻資料[1,4,7]，對該合金進行固溶-時效熱處理試驗。第一步研究合金高溫工藝，使合金中的非平衡β相發(fā)生共析反應(yīng)。首先研究保溫時間均為30 min時，加熱溫度分別為300、325、350和375 ℃時合金硬度的變化，根據(jù)硬度測試結(jié)果再研究當(dāng)溫度一定時，保溫時間分別為15、30、45和60 min時合金硬度的變化，從而確定鋅合金較佳固溶工藝。第二步研究合金低溫時效工藝，使合金中的過飽和固溶體發(fā)生充分的脫溶分解。固溶后的合金首先在100 ℃進行時效處理，保溫時間分別為10 min、30 min、1 h、3 h、5 h、8 h、12 h和24 h，通過合金硬度測試結(jié)果和組織觀察，確定合金較佳的時效時間，然后研究在時間一定時，不同時效溫度對合金硬度的影響，從而確定合金較佳的時效工藝。

在電子布氏硬度計上測定合金不同狀態(tài)的布氏硬度，試驗載荷2450 N，鋼球直徑5 mm，載荷保持時間30 s；將合金擠壓態(tài)、熱處理態(tài)按GB/T 228-2002制成拉伸試樣，在CSS-44100型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為 2 mm/min；采用POLYVAR-MET型金相顯微鏡觀察合金金相組織；利用Sirion200場發(fā)射掃描電子顯微鏡和Tecnai G220透射電鏡觀察合金微觀組織；在Rigaku D/max 2500型X射線衍射儀上進行合金不同狀態(tài)的物相分析；固定進刀量及加工速度，在 CD6140A機床上對合金進行車削加工，比較合金擠壓態(tài)、熱處理態(tài)及HPb59-1鉛黃銅試樣在普通鉆床上的切削性能，鉆削過程中不加切削液，也不加冷卻液，觀察切屑的形貌特點，及切削過程中材料的發(fā)熱、硬度、粘鉆頭和扭斷鉆頭等情況，以定性評價該鋅合金在不同狀態(tài)下的切削性能。根據(jù)客戶生產(chǎn)要求，不加切削液條件下較易斷屑且不粘刀即可滿足要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬度測試結(jié)果與分析

表1所示為試驗合金擠壓態(tài)固溶熱處理后硬度隨固溶溫度和固溶時間的變化。從表1可以看出，當(dāng)固溶時間為30 min時，隨著固溶溫度的升高，合金的硬度先增大后減小，固溶溫度為350 ℃時，合金硬度出現(xiàn)峰值。而當(dāng)固溶溫度為350 ℃時，合金硬度隨固溶時間的延長也呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。經(jīng)(350 ℃，30 min)固溶處理后合金硬度值最高，達(dá)到132.3HB，與合金擠壓態(tài)相比，硬度提高了44%。因此，通過硬度測試結(jié)果，初步認(rèn)為易切削變形易切削Zn-Al合金采用(350 ℃，30 min)的固溶處理工藝較為適宜。

試驗合金擠壓態(tài)經(jīng)(350 ℃，30 min)固溶處理后再進行時效熱處理，合金硬度隨時效溫度和時效時間的變化情況如表2所示。從表2可以看出，合金在100 ℃進行時效熱處理，保溫10 min時，合金硬度出現(xiàn)峰值，達(dá)到132.9 HB，比合金固溶態(tài)硬度增加了3.5%；之后隨著時效時間的增加，合金硬度呈下降趨勢，且一開始急劇下降，時效時間為8 h后趨于緩慢；當(dāng)時效時間為12 h時，合金硬度為102.2 HB，比擠壓態(tài)硬度增加了11.3%。當(dāng)時效時間均為12 h時，分別在70、100和140 ℃對合金進行低溫、中溫和高溫時效，隨著時效溫度的增加，合金硬度降低；經(jīng)(100 ℃，12 h)中溫時效的合金硬度，比經(jīng)(70 ℃，12 h)低溫時效的合金硬度低1.7%，比經(jīng)(140 ℃，12 h)高溫時效的合金硬度高4.7%。所以，易切削變形易切削Zn-Al合金時效熱處理的時間以8 ～12 h較適宜。

表1 易切削 Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金硬度隨固溶溫度和固溶時間的變化Table 1 Hardness tests results of free-cutting deformation Zn-Al alloys according to temperature and holding time of solid solution treatment

表2 易切削 Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金硬度隨時效時間和時效溫度的變化Table 2 Hardness tests results of free-cutting Zn-Al alloys according to temperature and holding time of aging treatment

2.2 X射線衍射分析

試驗合金擠壓態(tài)經(jīng)固溶-時效熱處理后的XRD譜如圖1所示，衍射角 2θ選擇 35°～47°，掃描速度1(°)/min，不考慮低熔點的Bi和SnBi相，僅研究合金在固溶-時效熱處理過程中的相變。從圖1(a)可以看出，試驗合金擠壓態(tài)主要包括η相(以鋅為基的固溶體，HCP結(jié)構(gòu))、α相(以鋁為基的固溶體，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu))。從圖1(b)中不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)固溶處理后，合金中的α相減少，結(jié)合Zn-Al二元相圖可知，合金固溶態(tài)主要包括η相、β相(以Al為基的固溶體或以ZnAl為基的有序固溶體，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu))。由于β相為亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，時效后將析出富鋁α相和富鋅η相的層片狀、胞狀或粒狀組織。β相分解速度很快，從圖1(c)可以看出，試驗合金經(jīng)(100 ℃，10 min)時效，β相的分解已基本完成。而合金經(jīng)過(100 ℃，30 min)時效或更長時間的時效，XRD譜中還可以分析出含有少量的ε相(CuZn4)(見圖1(d))，而擠壓態(tài)和固溶態(tài)由于Cu固溶到基體中，沒有析出或僅極少的析出ε相。本研究試制的易切削變形易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金由于Cu含量較少，不超過2%，因此，ε相含量很少，經(jīng)過100 ℃長時間時效，也不會發(fā)生使合金體積膨脹的α+ε→T′+η四相反應(yīng)，而根據(jù)參考文獻[4,11-12]可知，四相反應(yīng)在Cu含量較高的ZA27、ZnAl7Cu3時效過程中可以明顯觀察到。

2.3 顯微組織分析

對試驗合金擠壓態(tài)進行顯微組織分析，包括掃描電鏡觀察、透射電鏡觀察及微區(qū)成分分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，合金擠壓態(tài)組織均勻且非常細(xì)小，主要包括富鋅η相、α+η層片狀、胞狀及粒狀組織、非平衡β相、彌散分布的低熔點 Bi相及SnBi相；低熔點Bi相及SnBi相以白色點狀彌散分布在基體中，在合金機加工時起到斷屑作用，從而改善鋅合金切削性能。從圖2 (b)可以明顯觀察到試驗合金擠壓態(tài)微觀組織中的α+η層片狀組織；參考圖2(b)中的微區(qū)A、B和C進行成分分析可知，微區(qū)A為η相，微區(qū)B為α相，微區(qū)C為非平衡的過飽和β相；從圖(c)～(e)可以觀察到試驗合金擠壓態(tài)微觀組織中的α+η胞狀、粒狀組織以及合金加工過程中形成的位錯纏結(jié)現(xiàn)象。

合金經(jīng)固溶后得到熱力學(xué)上不穩(wěn)定的或亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，由于是不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的，存在自發(fā)分解的趨勢，因此，固溶后需要對合金再進行時效熱處理。過飽和β固溶體的分解在Zn-Al合金相變研究中占有很重要的地位[4]。已有的研究認(rèn)為，隨著Zn含量的提高，過飽和β固溶體的分解速度增大；過飽和β固溶體時效過程中的分解較為復(fù)雜，在平衡沉淀相出現(xiàn)之前會出現(xiàn)一種或多種亞穩(wěn)定的組織。過飽和β固溶體時效沉淀的一般序列有如下幾種：β→GP區(qū)→R相合金過飽和β固溶體時效沉淀包括連續(xù)沉淀和不連續(xù)沉淀，其中不連續(xù)沉淀可分為3種不同類型的反應(yīng)：1)傳統(tǒng)的胞狀反應(yīng)；2)自催化的胞狀反應(yīng)；3)β相的粒狀沉淀。通過胞狀反應(yīng)，β固溶體分解為富鋁的α相和富鋅η相相間排列的層片狀組織；在較低的溫度下，不連續(xù)沉淀反應(yīng)可得到與胞狀反應(yīng)截然不同的粒狀沉淀組織；傳統(tǒng)的胞狀沉淀可以與連續(xù)的 Spinodal分解同時進行；粒狀沉淀也可在 Spinodal基體上發(fā)生[1,15]。

圖1 易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金固溶-時效后的XRD譜Fig.1 XRD patterns of free-cutting Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn alloy after solution and aging treatment: (a)As-extruded; (b)Solid solution (350 ℃, 30min); (c)Solution and aging (350℃, 30min)+(100 ℃, 10min); (d)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100℃, 15 min); (e)Solution and aging (350 ℃, 30min)+(100 ℃, 30 min); (f)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 1 h);(g)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 3 h); (h)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 5 h); (i)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 8 h); (j)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 12 h)

對經(jīng)過(350 ℃，30 min)固溶處理后，再經(jīng)過(100℃，12 h)人工時效的試驗合金進行微觀組織觀察，結(jié)果如圖3所示。合金(100 ℃，12 h)時效態(tài)組織主要為富鋅η相、α+η層片狀、胞狀及粒狀組織、少量的 ε相(CuZn4)混合物；且α+η胞狀和粒狀組織較擠壓態(tài)明顯增多，層片狀組織減少，合金組織趨于穩(wěn)定。對圖3(a)中的微區(qū)A、B和C進行成分分析可知，微區(qū)A為η相，微區(qū)B為α相，微區(qū)C為ε相(CuZn4)；由于自制易切削Zn-Al合金中Cu含量少，Cu可以部分固溶到基體中，因此，擠壓態(tài)中很難觀察到ε相，而時效過程中，ε相析出而容易被觀察到，這也與前面 X射線衍射分析結(jié)果相一致。

2.4 室溫力學(xué)性能

自行研制的易切削性能優(yōu)異的 Zn-10Al-1.0CuxBi-ySn合金擠壓態(tài)和經(jīng)(350 ℃，12 h)固溶+(100 ℃，12 h)時效態(tài)的室溫力學(xué)性能如表3所列。從表3可以看出，熱處理后合金強度稍有下降，但塑性明顯提高。合金擠壓態(tài)抗拉強度為334.39 MPa，熱處理態(tài)抗拉強度為327.05 MPa，后者比前者低2.2%；而擠壓態(tài)伸長率為9.5%，熱處理態(tài)伸長率為20.5%，后者比前者擠高115.8%。這是由于合金擠壓態(tài)組織主要為α+η層片狀組織，而經(jīng)過固溶-時效熱處理后合金為α+η層片狀和胞狀、粒狀組織混合物，根據(jù)文獻資料[1,15]，Zn-Al合金層片狀組織具有較高的強度，塑性較差。這表明熱處理可能在保持試驗合金抗拉強度基本不變的同時，顯著提高試驗合金的塑性，從而提高試驗合金的綜合性能。

圖2 Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金擠壓態(tài)顯微組織分析Fig.2 Microstructures of as-extruded Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn alloys: (a)SEM image; (b)-(e)TEM images；(f)EDS pattern of point A; (g)EDS pattern of point B; (h)EDS pattern of point C

圖3 易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金固溶-時效態(tài)微觀組織分析Fig.3 Microstructures of free-cutting Zn-Al alloys after solution and aging treatment: (a), (b)TEM images; (c)EDS pattern of point A; (d)EDS pattern of point B; (e)EDS pattern of point C

表3 易切削Zn-Al合金力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of free-cutting Zn-Al alloy

2.5 切削性能

試驗合金擠壓態(tài)和(350 ℃，12 h)固溶+(100 ℃，12 h)時效態(tài)的車屑形貌如圖4所示。從圖4可以看出，同擠壓態(tài)一樣，固溶-時效熱處理后的易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金切削性能仍然非常好，表現(xiàn)為車削加工過程中易斷屑、 不沾刀，車屑細(xì)小呈直條狀。固溶-時效熱處理不會降低試驗合金的切削性能。

圖4 易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金車屑形貌Fig.4 Photos of cuttings of free-cutting Zn-10Al-1.0CuxBi-ySn alloys: (a)As-extruded; (b)Solution and aging treatment

3 結(jié)論

1)高強易切削 Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金較佳的固溶-時效熱處理工藝為(350 ℃，30 min水冷)+(100 ℃，12 h空冷)。

2)經(jīng)過合理的固溶-時效熱處理后，合金中的α+η胞狀和粒狀組織增多，層片狀組織減少，并有少量的ε相(CuZn4)析出。

3)熱處理后合金伸長率為20.5%，較擠壓態(tài)伸長率提高了115.8%，抗拉強度達(dá)到327.05 MPa，仍具有良好的切削性能，表現(xiàn)出較好的綜合性能。

[1]孫連超, 田榮璋.鋅及鋅合金物理冶金學(xué)[M].長沙: 中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1994: 11-20.SUN Lian-chao, TIAN Rong-zhang.Physical metallurgy of zinc and Zn-alloy[M].Changsha: Central South University of Technology Press, 1994: 11-20.

[2]包小波, 黃其興.世界鋅技術(shù)經(jīng)濟[M].北京: 冶金工業(yè)出版社, 1996: 143-248.BAO Xiao-bo, HUANG Qi-xing.Zinc technical economics in the world[M].Beijing: Metallurgical Industry Press, 1996:143-248.

[3]HOUGHTON M E, MURRAY M T.An introduction to zinc alloys[J].Metals Forum, 1983, 6(4): 211-225

[4]蔡 強.鋅合金[M].長沙: 中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1987:102-170.CAI Qiang.Zinc alloy[M].Changsha: Central South University of Technology Press, 1987: 102-170.

[5]YANG C F, PAN J H, LEE T H.Work-softening and anneal-hardening behaviors in fine-grained Zn-Al alloys[J].Journal of Alloys and Compounds, 2009, 468(1/2): 230-236.

[6]ZHU Y H, LEE W B, TO S.Ageing characteristics of cast Zn-Al based alloy (ZnAl7Cu3)[J].Journal of Materials Science, 2003,38 (9): 1945-1952.

[7]司家勇.高鋁鋅基合金相圖, 相變與性能研究[D].南寧: 廣西大學(xué), 2005: 43-51.SI Jia-yong, Study on Phase Transformation and thermophysical properties of high aluminum Zn-based alloys[D].Nanning:Guangxi Industry University, 2005: 43-51.

[8]劉洪軍, 曹 馳, 錢旺盛, 郝 遠(yuǎn).熱處理對 Zn-11% Al-8%Cu-Mg合金組織性能的影響[J].鑄造技術(shù), 2010, 1(31): 72-76.LIU Hong-jun, CAO Chi, QIAN Wang-sheng, HAO Yuan.Effect of heat treatment on the microstructure and properties of Zn-11%Al-8%Cu-Mg Alloy[J].Foundry Technology, 2010,1(31): 72-76.

[9]沈言錦.熱處理工藝對 ZA40高鋁鋅基合金性能的影響[C]//2008年全國模具失效分析與改性技術(shù)研討會議論文集.[S.l.].[s.n.], 2008.HEN Yan-jin.Effect of heat treatment of Zn-Al alloy ZA40 on property[C]//National Mold Failure Analysis and Modified Technical Deliberation Conference Collection.[S.l.].[s.n.],2008.

[10]肖 弦, 林章輝.熱處理對鋅合金組織和力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝, 2008, 37(6): 44-49.XIAO Xian, LIN Zhang-hui.Effects of heat treatment on microstructure and properties of zinc alloy[J].Hot Working Technology, 2008, 37(6): 44-49.

[11]孫文聲, 張錦麟, 董樂軍.變形Zn-16Al合金退火硬化行為研究[J].兵器材料科學(xué)與工程, 2010, 33(6): 51-54.SUN Wen-sheng, ZHANG Jin-lin, DONG Le-jun.Anneal-hardening behavior of as-deformed Zn-16A1 alloy[J].Ordnance Material Science and Engineering, 2010, 33(6):51-54.

[12]琚宏昌.4×60 M 回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦應(yīng)用鋅合金替代銅合金的可行性研究[J].安陽大學(xué)學(xué)報, 2003(3): 10-14.JU Hong-chang.The studies of Zn-alloy replacing Cu-alloy as supporting wheel axle bush material of 4×60 M rotating kiln[J].Journal of Anyang University, 2003(3): 10-14.

[13]林高用, 鄭小燕, 曾菊花, 孫利平.鋅基合金擠壓型材的組織與性能[J].中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2008, 39(2): 246-250.LIN Gao-yong, ZHENG Xiao-yan, ZENG Ju-hua, SUN Li-ping.Microstructure and properties of extruded profiles of zinc-based alloys[J].Journal of Central South University: Science and Technology, 2008, 39(2): 246-250.

[14]林高用, 曾菊花, 鄭小燕, 楊 偉, 鄒艷明.Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的顯微組織與切削性能[J].中南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2010, 41(4): 1297-1302.LIN Gao-yong, ZENG Ju-hua, ZHENG Xiao-yan, YANG Wei,ZOU Yan-ming, ZHANG Zhen-feng, ZHOU Jia.Microstructure and machinability of Zn-Cu-Mg-Al-RE zinc alloy[J].Journal of Central South University: Science and Technology, 2010, 41(4):1297-1302.

[15]ZHU Y H, TO S, LIU X M, LEE W B.Microstructural changes inside the lamellar structures of alloy ZA27[J].Materials Characterization, 2006, 57(4/5): 326-332.