冷卻速率對(duì)鋅基合金組織及性能的影響*

鄭建龍, 蔣永慧, 方允樟, 馬遠(yuǎn)軍, 鄭金菊, 陸肖勵(lì)， 葉慧群

(1.浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004)

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冷卻速率對(duì)鋅基合金組織及性能的影響*

鄭建龍1, 蔣永慧1, 方允樟1, 馬遠(yuǎn)軍2, 鄭金菊1, 陸肖勵(lì)1， 葉慧群1

(1.浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004)

采用砂模、銅模和水冷銅模鑄造鋅基合金，研究不同鑄造模式下制得的鋅基合金硬度、摩擦磨損性能情況及顯微組織觀察，用以研究冷卻速率對(duì)鋅基合金組織及性能的影響.結(jié)果表明:隨著冷卻速率的增大，鋅基合金的硬度增大，晶粒細(xì)化；采用提高冷卻速率的方法能提高鋅基合金的耐磨性能，水冷銅模鑄造的鋅基合金比砂模鑄造的鋅基合金耐磨性能增強(qiáng)了13.0%.

鋅基合金;硬度;金相顯微;冷卻速率;耐磨性能

0 引 言

鋅基合金具有優(yōu)良的鑄造性能、良好的力學(xué)性能和耐磨減摩性能，在低速、重載及不良潤滑條件下替代銅合金已取得良好的效果[1-4].鋅基合金所用原材料豐富、價(jià)格低廉、熔鑄工藝簡單，尤其在替代銅合金制作耐磨、減摩材料方面得到普通認(rèn)可.目前，已在軸承、軸瓦、滑塊等方面得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在模具材料及其他領(lǐng)域的應(yīng)用也正在開發(fā)和拓展[5-10].在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄件的形狀和鑄造方法影響著冷卻速率[11-12]，因此，研究冷卻速率對(duì)鋅基合金組織及性能的影響對(duì)鋅基合金的應(yīng)用具有積極的意義.

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用合金錠的化學(xué)成分見表1.母合金置于石墨坩堝中，在深圳雙平電源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SP-15A型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備上重熔，按需要澆鑄成砂模、銅模試樣.砂模模具中的試樣為自然冷卻，銅模鑄造有自然冷卻和水冷2種.

表1 母合金ZA27的化學(xué)成分

母合金經(jīng)高頻感應(yīng)加熱設(shè)備熔化，分別澆入砂模、銅模和水冷銅模中.3種模具的內(nèi)腔均為內(nèi)徑40 mm、高30 mm的圓柱體，砂模、銅模和水冷銅模試樣加工成直徑40 mm、高10 mm的小圓柱狀.硬度測(cè)試采用時(shí)代集團(tuán)公司北京時(shí)代之峰科技有限公司生產(chǎn)的TH320全洛氏硬度計(jì)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.2—2002，截取合金上表面測(cè)量其硬度，測(cè)試采用直徑為1.587 5 mm的鋼球壓頭，加載載荷為980.7 N.金相測(cè)試采用重慶奧特光學(xué)儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的MDS金相顯微鏡，試樣在PW-1A型萬能磨拋機(jī)上先后用600目、800目、2 000目的金相砂紙進(jìn)行粗磨和細(xì)磨.待沒有明顯劃痕后換成拋光布進(jìn)行拋光.用去離子水和金剛砂配成拋光液滴在拋光布上對(duì)試樣磨拋.待拋光的試樣成鏡面樣后用去離子水清洗樣品.用沾有酒精的脫脂棉輕輕擦拭樣品表面，將表面處理干凈，用5%鹽酸與5%硝酸的混合溶液進(jìn)行腐蝕.最后用脫脂棉蘸無水酒精擦拭腐蝕后的試樣并用氮?dú)鈱⑵浔砻娲蹈?，以備組織觀察.摩擦磨損性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)采用蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的SFT-2M銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī).選擇旋轉(zhuǎn)摩擦測(cè)量試樣的摩擦系數(shù)曲線，加載載荷為2.5 N，試驗(yàn)時(shí)間18 min，運(yùn)行速度480 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑為2 mm，摩擦副為直徑6 mm的Si3N4陶瓷球.測(cè)試前，用無水乙醇擦拭試樣表面及Si3N4陶瓷球.

2 結(jié)果與討論

2.1 硬度

圖1為不同鑄模下鑄造鋅基合金洛氏硬度與圓心距離關(guān)系圖.圖1顯示，砂模和銅模鑄造鋅基合金洛氏硬度(HRB)總體趨勢(shì)是:越靠近圓心部位的洛氏硬度越小;越靠近合金外邊緣的洛氏硬度越大，由圓心向外逐漸增大.水冷銅模鑄造的鋅基合金圓心附近的洛氏硬度明顯比銅模和砂模鑄造的鋅基合金硬度高.

圖1 不同鑄模下鑄造鋅基合金洛氏硬度與圓心距離關(guān)系圖

2.2 耐磨性能

表2反映了砂模、銅模和水冷銅模鑄造鋅基合金的摩擦磨損情況.由表2可看出，銅模鑄造樣品的磨損介于沙模與水冷銅膜之間，砂模鑄造的鋅基合金比水冷銅模鑄造的磨痕寬度略小，砂模鑄造的鋅基合金磨痕較深，磨痕深度相差2.309 μm，與水冷銅模鑄造的鋅基合金相比深13.4%.從磨損量來看，砂模鑄造的鋅基合金比水冷銅模的磨損大13.0%.可見，水冷銅模鑄造的鋅基合金比砂模鑄造的鋅基合金耐磨性能好.

表2 砂模和水冷銅模鑄造的鋅基合金摩擦磨損情況表

2.3 冷卻模型與冷卻速率

由熱傳導(dǎo)方程

(1)

在Matlab里建立了冷卻模型.此冷卻模型選定直徑為0.04 m的高溫圓形物，系數(shù)k取5×10-5m2/s，圓形物上的初始溫度設(shè)定為700 ℃,環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃.建立此冷卻模型為了說明砂模鑄造和銅模(自然冷卻)鑄造中鋅基合金圓片上各點(diǎn)的冷卻情況.圖2為冷卻模型溫度隨時(shí)間的變化曲線,其中，十字線代表物體內(nèi)圈所取點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化;圓圈線代表物體外圈所取點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化.在經(jīng)過同樣時(shí)間下，外圈的溫度比內(nèi)圈溫度下降快，也就是說外圈的冷卻速率比內(nèi)圈的冷卻速率大.實(shí)際測(cè)量時(shí)，直接測(cè)量鑄件中心的冷卻速率，砂型、金屬型與水冷金屬型3種鑄型的冷卻速率約為21,78和220 ℃/s.

圖2 冷卻模型溫度隨時(shí)間變化曲線

圖3 試驗(yàn)合金的顯微組織

2.4 微觀組織

不同鑄模下合金的顯微組織見圖3.圖3中，A1,A2,A3為砂模鑄造鋅基合金的微觀組織，B1,B2,B3為銅模鑄造鋅基合金的微觀組織，C1，C2,C3為銅模水冷鑄造鋅基合金的微觀組織.均是在50倍金相顯微鏡下的鑄態(tài)組織微觀形貌圖，由圓心向外依次觀察得到.

圖3中，A1,B1,C1在圓心附近，A2,B2,C2處于圓心與邊緣的中間區(qū)域，A3,B3,C3處在邊緣區(qū)域.圖中鋅基合金的鑄態(tài)組織主要由富Al的α相和α+η共析相組成，還有一小部分的ε相.亮色部分為α相，是Zn固溶于Al中以Al為基的鋁基固溶體，暗色部分為η相，是Al 溶于Zn 中形成的以Zn為基的固溶體，少量小塊狀的為ε相，是Cu與Zn形成的化合物(CuZn4).鋁電極電位比較高，不易被腐蝕，一般在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)白色，而鋅的電極電位比較低，很容易被腐蝕，一般呈現(xiàn)暗灰色.小塊狀的ε相也不容易被腐蝕，在圖中呈現(xiàn)亮白色.從橫向?qū)Ρ葋砜矗澳ｈT造和銅模鑄造所制得合金的晶粒尺寸由圓心向外逐漸減小，組織逐漸細(xì)化，而由圓心向外冷卻速率依次逐漸變大.冷卻速率越大，晶粒越小.水冷銅模鑄造下的合金晶粒尺寸變化不大.從縱向?qū)Ρ葋砜矗溷~模鑄造鋅基合金各部位的晶粒尺寸最小，銅模鑄造下的次之，砂模鑄造下的最大.冷卻速率提高，合金組織細(xì)化，而經(jīng)細(xì)化后的合金組織，由于晶界面積的增加致使表面能增大，使得合金的硬度也提高.因而，合金邊上的硬度高于合金中間的硬度.由于水冷銅模鑄造冷卻速率大，初生α相枝晶生長受到限制，α相成粒狀出現(xiàn)，α相與η相均得到細(xì)化，合金組織更加致密.

3 結(jié) 論

1)砂模和銅模(自然冷卻)鑄造外圈比內(nèi)芯冷卻速率大.鋅基合金的洛氏硬度隨冷卻速率的增大而增大.

2)冷卻速率提高，合金組織細(xì)化，組織更加致密.

3)水冷銅模鑄造鋅基合金比砂模鑄造鋅基合金耐磨性能好，從磨損量對(duì)比來看，砂模鑄造鋅基合金比水冷銅模鑄造的鋅基合金的磨損大13.0%.

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(責(zé)任編輯 杜利民)

The influence of cooling rate on microstructure and properties of zinc alloys

ZHENG Jianlong1, JIANG Yonghui1, FANG Yunzhang1,MA Yuanjun2, ZHENG jinju1， LU Xiaoli, YE Huiqun1

(1.CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China; 2.CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

It was investigated the hardness, friction and wear properties and microstructure observation of zinc alloys which were casted by sand casting, copper mold and water-cooled copper mold in order to study the influence of cooling rate on microstructure and properties of zinc alloys. The results showed that with the increase of cooling rate, zinc alloy′s hardness increased, and the grain was refined. Increasing the cooling rate also improved the wear resistance of the zinc alloy. The wear resistance of zinc alloy casting by water-cooled copper enhanced by 13.0% compared with sand casting.

zinc alloy； hardness; metallographic microscope； cooling rate； wear resistance

10.16218/j.issn.1001-5051.2016.04.003

2016-02-29；

2016-05-31

科技人員服務(wù)企業(yè)行動(dòng)項(xiàng)目(2009GJC20019);浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2011R50012);浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2013E10022)

鄭建龍(1982-),男,浙江金華人,工程師,碩士.研究方向:凝聚態(tài)物理光電磁功能材料.

TG146

A

1001-5051(2016)04-0375-04