梁 寅,吳 健▲,薛 濤,古文全,于云峰,郭光平
(1貴州省冶金化工研究所,貴州 貴陽 550002,2貴州科學(xué)院,貴州 貴陽 550001)
壓鑄鋅合金是一類應(yīng)用廣泛的工程材料,與壓鑄鋁合金比較,壓鑄鋅合金熔點較低,模具使用壽命長,壓鑄件的尺寸精度較高并且容易電鍍,隨著壓鑄技術(shù)的發(fā)展及熱室壓鑄機性能的不斷完善,壓鑄鋅合金在汽車、摩托車、五金等工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用,成為鑄造用鋅合金中應(yīng)用最廣、用量最大的一種材料[1]。
傳統(tǒng)壓鑄鋅合金主要指含Al量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在4%左右的Zn-Al系合金,根據(jù)鋅合金國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13818—2009,壓鑄鋅合金主要為ZnAl4Cu1及ZnAl4合金兩大類,其中ZnAl4合金主要針對國內(nèi)制造業(yè)降低鋅合金使用成本的市場需求,在ZnAl4Cu1合金的基礎(chǔ)上,取消貴金屬銅的加入,開發(fā)了不含銅的ZnAl4壓鑄合金,針對該型合金的使用性能,鑄造企業(yè)主要選擇參考美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B86中的相關(guān)技術(shù)要求,而國內(nèi)現(xiàn)有的鋅冶金企業(yè)對ZnAl4合金中微量元素成分對合金顯微組織的影響及壓鑄件基礎(chǔ)力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)還缺少系統(tǒng)性的研究[2],本文以ZnAl4合金為對象,研究了合金元素Al、Mg含量及混合稀土的添加對ZnAl4合金顯微組織及力學(xué)性能的影響,為生產(chǎn)企業(yè)合理選材提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。
表1為實驗合金設(shè)計成分,合金熔煉所用原料為:0號鋅錠,A00鋁錠,工業(yè)純鎂,Al-20%La中間合金。實驗合金采用SG-5 KW自動控溫電阻爐熔煉,熔煉過程中,先將石墨坩堝預(yù)熱至暗紅色,然后按比例加入鋁錠及部分鋅塊,升溫至650 ℃,爐料熔化后加入剩余鋅塊,待鋅塊完全熔化后于680 ℃用鐘罩壓入鎂,充分?jǐn)嚢韬辖鹨翰⒃诎窃螅鶕?jù)實驗合金設(shè)計成分加入Al-20%La中間合金,待其充分溶化,降溫至560 ℃靜置5~10 min后進(jìn)行金屬模澆鑄,得到實驗合金鑄錠,利用熱室壓鑄設(shè)備在相同的壓鑄工藝條件下將實驗合金進(jìn)行壓鑄,制備符合國標(biāo)GB/T 13822—2017技術(shù)要求的壓鑄試樣。
表1 實驗合金設(shè)計成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Tab.1 Design of the compositions of the test alloy(mass fraction,%)
采用ETM-504C型電子試驗機按照國標(biāo)GB/T 228—2002測試壓鑄試樣的室溫力學(xué)拉伸性能,試樣硬度由HB3000型布氏硬度計測定,實驗合金金相試樣分別取至鑄錠以及拉伸試棒切頭,腐蝕劑為含2%HF和4%HNO3的酒精溶液,利用Leica-DMRE 顯微鏡觀察并記錄試驗合金鑄錠及壓鑄件的顯微組織。
實驗合金鑄錠的顯微組織如圖1所示,1#合金為市售ZnAl4合金代表成分,含Al量在4%左右,屬于亞共晶合金,凝固過程首先析出一次的富鋅固溶體β相,在382 ℃發(fā)生共晶反應(yīng)形成β相與α相組成的層片狀共晶組織,β相在冷卻過程中析出Al,共晶α相在275 ℃發(fā)生共析反應(yīng)形成α與β相[3],非平衡凝固條件下,1#合金鑄錠組織主要由初生β相枝晶及枝晶間的共晶組織構(gòu)成,如圖1(a)所示,2#合金較1#合金降低了鋁含量,根據(jù)圖1(b),2#鑄錠組織中β相枝晶的尺寸明顯增大,數(shù)量增多,共晶組織區(qū)域縮小,根據(jù)Zn-Al二元相圖,鋁含量的降低將導(dǎo)致合金液相線溫度升高,這對β相枝晶的生長有促進(jìn)作用,與之相比,如圖1(c)、圖1(d),降低了鎂含量的3#與4#合金,鑄錠中的共晶組織區(qū)域較1#合金有擴(kuò)大趨勢,β相晶粒顯得彌散且均勻分布,圖1(e),圖1(f)分別為添加了0.06%、0.12%La的實驗合金鑄錠組織,通過稀土變質(zhì)處理作用,5#、6#合金顯微組織較其他實驗合金得到了顯著細(xì)化,β相轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的等軸晶形態(tài)。
圖1 實驗合金鑄錠顯微組織Fig.1 Microstructures of ingots of the test alloy
圖2為實驗合金壓鑄試樣的顯微組織,可以看出,壓鑄狀態(tài)下,實驗合金仍由β相及共晶反應(yīng)組織構(gòu)成,但與金屬型鑄造狀態(tài)相比,無論是β相還是共晶組織都得到了明顯細(xì)化,由于壓鑄工藝高壓下的快速凝固過程,粗大的β相枝晶析出得到了有效抑制,使其改為彌散、圓鈍的顆粒狀形態(tài)析出,從圖2中還可以看出,不同實驗合金壓鑄試樣的組織特性與鑄錠組織存在相似的變化關(guān)系,包括β相晶粒尺寸、共晶組織區(qū)域的大小等,如2#合金,原始鑄錠組織中較粗大的β析出相在經(jīng)過壓鑄成型后仍顯得較4#、6#合金壓鑄試樣中的β相更為粗大,4#合金壓鑄試樣的共晶組織區(qū)域較1#合金仍有增大,6#合金壓鑄試樣的β晶粒大小仍保持了顯著的細(xì)化,這些實驗現(xiàn)象都表明鑄錠組織與壓鑄組織之間存在一定的遺傳關(guān)系。
圖2 實驗合金壓鑄試樣顯微組織Fig.2 Microstructures of die-casting samples of the test alloy
表2給出了不同實驗合金壓鑄試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果,標(biāo)準(zhǔn)成分的1#合金抗拉強度為282 MPa,延伸率8.6%,硬度81HB,可以看出鋁元素含量的減少降低了2#合金的綜合力學(xué)性能,合金各項力學(xué)測試指標(biāo)均低于1#合金,而降低了鎂元素含量的3#合金與4#合金,除延伸率外,抗拉強度及硬度指標(biāo)也均低于1#合金,添加了微量稀土元素的5#與6#合金,除延伸率與1#合金基本相當(dāng)外,合金抗拉強度與硬度得到不同程度的提高,說明稀土元素的添加使實驗合金得到了有效的強化。
表2 力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical properties
鋅合金壓鑄試樣的各項力學(xué)性能取決于其顯微組織特性,前已述及,實驗合金壓鑄狀態(tài)下的組織特性與其原始鑄錠組織有關(guān),這為壓鑄制件性能的調(diào)控與改善提供了一條技術(shù)途徑,即可以通過對原始鑄錠組織進(jìn)行控制進(jìn)一步影響壓鑄制件的各項性能。
由圖1可知,不同合金元素對鋅合金鑄錠組織的影響主要在于β相形貌以及共晶組織區(qū)域的變化。以2#合金為例,較低的鋁含量促使鑄錠組織中白色的β相枝晶加劇生長,組織形態(tài)粗大,熔體流動阻力增大,流動性變差,導(dǎo)致2#合金壓鑄試樣中的β相的尺寸較其他實驗合金顯得更為粗大,鑄造缺陷增多,綜合力學(xué)性能較低;針對鎂含量較低的4#合金,鑄錠中的共晶組織區(qū)域面積較1#合金更大,如圖3所示,這表明鎂含量的降低使鋅合金的流動性能得到了改善,壓鑄過程熔體的充型能力提高,另一方面,鎂對合金的固溶強化效果也被削弱,利用這一特性,國內(nèi)已有生產(chǎn)企業(yè)開始使用鎂含量較低的壓鑄鋅合金,鎂含量在0.01%~0.02%左右,制備的壓鑄件硬度較低而不易發(fā)脆,特別適合用來生產(chǎn)成型效果精細(xì)、表面需要進(jìn)行手工拋光等處理的高檔五金制品[2]。
圖3 實驗合金高倍顯微組織Fig.3 Microstructures of the test alloy
添加了稀土元素的5#和6#合金壓鑄試樣表現(xiàn)出較為理想的綜合力學(xué)性能,稀土La的加入能夠細(xì)化鑄錠中的β相組織,使β樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)化的等軸晶粒(圖1(e),圖1(f)),同時析出含稀土的金屬間化合物,通過晶粒細(xì)化與稀土相的綜合作用有效強化合金[4],在6#合金壓鑄試樣中也觀察到了細(xì)化的組織結(jié)構(gòu)(圖2(d)),通過稀土元素來改善鑄錠組織形態(tài),進(jìn)一步提升壓鑄制品的力學(xué)性能,這是壓鑄鋅合金力學(xué)性能改性的一條有效技術(shù)途徑。
1)鋁、鎂元素對實驗合金鑄錠組織的影響在于β相形貌及共晶組織區(qū)域的變化,不同實驗合金壓鑄試樣的組織特性與鑄錠組織存在相似的變化關(guān)系。
2)在實驗合金成分范圍內(nèi),減少鋁、鎂元素的添加將影響鋅合金壓鑄試樣的抗拉強度與表面硬度,添加0.06%~0.12%稀土La對提高實驗合金壓鑄試樣綜合力學(xué)性能較為有效。