微合金化及不同冷速作用下ZA48合金的微观组织、性能研究

摘要

锌铝合金具有优良的减磨耐磨性能、机械性能和显著的经济性,可取代铜合金作耐磨材料,代替青铜作低、中速中温重载轴承。所以,尽管锌铝合金问世时间不长,其相关科研技术的发展非常迅猛,应用范围也越来越广泛。随着经济发展,大件和异型件的应用增多,对合金产品性能提出了更高的要求。世界发达国家目前已经开发了一系列的高铝锌基减磨材料,供不同工况下的轴瓦、轴套、滑块等选用。而国内由于长期受传统观念的影响,绝大多数冶金企业仍使用常规牌号的ZA27合金。大量研究表明,高铝含量的偏析锌合金比共晶或共析锌合金具有更加优良的性能。因此,本文以高铝锌合金为研究对象,在不改变现有生产工艺的前提下,通过添加微合金元素、改善浇注工艺,采用不同的凝固、修复等手段,提高合金的力学性能、高温承载能力以及改善产品成型中的铸造缺陷,对提高高铝锌合金的性能,扩大其应用范围具有重要的理论及应用价值。
　　 本文首先研究了高铝含量的锌合金组织及性能,结果表明:随着铝含量的增高合金的抗拉强度和耐磨性均增强。分析认为,锌铝合金的微观组织主要由初生α枝晶和(α+η)共析体组成。随着铝含量的增加,组织中的初生α枝晶增多,(α+η)共析体减少；树枝状的α-Al相是铝基固溶体,面心立方晶格,属于强化相,其强度和硬度都要高于η相。
　　 根据测试结果,选择性能较好的ZA48合金作为本课题的主要研究对象。首先采用电解加钛、Si对合金进行强化。通过研究电解加钛、Si对合金力学性能的影响,结果表明:电解加钛有效提高了合金的力学性能,当钛含量达到0.04％时,合金的力学性能达到最大值。其细化机理是Ti在锌铝合金中形成Al66Ti25Zn9颗粒,可作为合金的异质形核核心,从而有效细化α(Al)相,强化基体。合金的力学性能随硅含量的增加而减弱,特别是当合金中出现初生硅相时,力学性能明显下降。分析认为,合金中的共晶硅相和初生硅相的尖角或棱边处易产生应力集中,削弱硅相与基体的结合力,在外加应力的作用下易形成微裂纹,降低合金的力学性能。
　　 系统研究了常规铸造条件下冷却速度对ZA48合金组织的影响。确立了合金的二次枝晶臂间距λ与冷却速率T之间的关系λ=47(T)-0.325。研究发现,在较快的冷却速度下,合金中的α相内析出大量细小弥散的质点。这些析出物均匀弥散地分布在α相上,有利于合金强度的提高。同时能谱分析表明,冷却速度的提高,有效避免了比重偏析,各元素的偏析程度也随着冷却速度的提高而减小。分析认为,合金在凝固过程中的溶质再分配是产生偏析的根本因为,在非平衡凝固条件下,固液界面实际溶质分配系数k*随着凝固速率的增大更加趋近于1,固液界面固相成分更加趋近于液相成分C0,因而使枝晶偏析减小。
　　 采用单辊甩带法制备快速凝固ZA48合金条带,根据其传热特点,结合传导理论和凝固理论,应用数学解析法推导计算了单辊甩带法制备ZA48合金薄带的冷却速度。得到单辊甩带快速凝固制备50μm厚合金薄带的冷却速度约为105K/s。同时用与时间有关的非均质形核理论说明了ZA48合金快速凝固过程中的形核特点。随着冷却速度的提高,快速凝固ZA48合金的相选择顺序是:α-Al→η-Zn相,同时铝元素的含量对合金中α-Al相的形核孕育期有较大的影响。
　　 系统研究了冷却速度对电解加钛ZA48合金、含硅ZA48合金组织的影响。在常规铸造条件下,随着冷却速度的加快,电解加钛ZA48合金的晶粒得到细化,并且随着Ti含量的增加,合金晶粒尺寸减小；但当冷却速度达到一定值时,晶粒尺寸不再受Ti含量的影响,冷却速度成为晶粒细化的主要因为。合金中的共晶硅相随着冷却速度的加快也得到细化,但是初生硅相的形态改变不大。当冷却速度高达10SK/s,即快速凝固后,合金中的共晶硅和初生硅完全固溶于α-Al固溶体中,大的过冷度抑制了硅相的形核与生长,使硅不能析出,大量的硅和其它合金元素固溶于基体中。
　　 模拟使用工况,系统分析了ZA48合金的耐磨性。根据磨损表面及磨损亚表面的形貌,分析了其磨损机理。结果表明,ZA48合金的高耐磨性是α相和η相共同作用的结果,η相首先被磨去并储存在对磨表面,起到自然润滑的作用,减轻试样和对磨轮之间的摩擦；同时摩擦副上的Fe从对磨轮转到试样表面,填充被抹去的部分及磨损表面,在磨损表面形成一层耐磨层,阻止磨损的进一步发生。研究了电解加钛对ZA48合金耐磨性的影响。无论是润滑条件还是无润滑条件下,电解加钛后合金的耐磨性均提高,因为在于晶粒尺寸的减小、晶界面积增加,使试样的剪切力随着晶粒尺寸的减小而增加；因而,细的晶粒尺寸使合金具有较高的耐磨性。
　　 系统研究了硅对ZA48合金耐磨性的影响。无论是润滑条件还是无润滑条件下,加硅合金的耐磨性均提高,且其提高的幅度远大于电解加钛后的合金。硅颗粒的硬度高达757HV,远高于ZA48合金基体的硬度,硅颗粒的加入在合金中起到硬质点的作用,有效地提高了合金的耐磨性。同时,合金的耐磨性受硅颗粒的大小、形态的影响。组织中粗大、不均匀硅粒子处易形成裂纹,使裂纹易于沿着脆性硅相扩展,对材料的耐磨性起负面影响。弥散分布的短棒状、或颗粒状共晶硅可以提高基体的硬度,增强合金抗犁沟磨损能力,同时也可以减小基体与初生硅相之间的硬度差,从而提高两相之间的协调性,增强合金的耐磨性。

目录

文摘

英文文摘

论文创新点

第一章 概述

1.1 锌铝合金的应用现状

1.2 与国外先进企业的差距

1.3 提高锌铝合金性能的途径

1.3.1 合金化

1.3.2 晶粒细化

1.3.3 工艺强化

1.4 快速凝固技术在锌合金中的应用

1.4.1 快速凝固技术的特点及热力学基础

1.4.2 快速凝固的方法选取

1.4.3 快速凝固合金组织的特点

1.5 自修复技术在锌铝合金中的应用

1.5.1 金属磨损自修复技术的发展现状

1.5.2 金属磨损自修复材料的技术的基本特点

1.5.3 ART的实验室论证和研究方法

1.5.4 ART的工业应用效果

1.6 选题的目的和意义

1.7 本文研究的主要内容

1.8 试验研究总体技术路线

第二章 实验方法

2.1 试样的制备

2.1.1 原材料的选取

2.1.2 熔炼浇铸试样

2.1.3 试样的加工

2.2 微观组织分析

2.2.1 合金金相组织分析

2.2.2 合金扫描电镜显微组织分析

2.2.3 透射电镜显微组织分析

2.3 性能测试

2.3.1 力学性能测试

2.3.2 磨损性能测试

2.4 数据处理的统计方法

2.4.1 F检验

2.4.2 t检验法

2.4.3 t′检验法

2.5 快速凝固试验

2.5.1 冷却速度对晶粒尺寸的影响

2.5.2 快速凝固试验

2.6 自修复试验

2.6.1 实验室验证研究

2.6.2 工业验证研究

第三章 高铝含量对锌合金组织及性能的影响

3.1 合金底缩及成分偏析的形成分析

3.2 高铝锌合金的性能研究

3.2.1 对组织的影响

3.2.2 对硬度的影响

3.2.3 对力学性能的影响

3.2.4 对磨损性能的影响

3.3 分析与讨论

本章小结

第四章 硅、钛对ZA48合金组织及力学性能的影响

4.1 电解加钛的作用

4.1.1 合金成分设计

4.1.2 对组织的影响

4.1.3 对硬度的影响

4.1.4 对力学性能的影响

4.2 硅的作用

4.2.1 合金成分设计

4.2.2 对组织的影响

4.2.3 对力学性能的影响

4.3 硅钛的复合作用

4.3.1 对组织的影响

4.3.2 对力学性能的影响

4.4 分析与讨论

4.4.1 电解加钛的细化机理

4.4.2 硅的作用机制

本章小结

第五章 常规铸造条件下冷却速度对合金组织的影响

5.1 试验方法

5.2 冷却速度的计算

5.3 对微观组织的影响

5.3.1 不同冷却速度下的组织形貌

5.3.2 对合金偏析的影响

5.4 对合金化后的组织影响

5.4.1 对含硅合金组织的影响

5.4.2 对电解加钛后合金组织的影响

本章小结

第六章 快速凝固ZA48合金的组织研究

6.1 快速凝固ZA合金形核动力学研究

6.1.1 快速凝固冷却速度的计算

6.1.2 快速凝固的瞬态形核理论

6.1.3 数据处理

6.2 快速凝固ZA48合金微观组织

6.3 电解加钛ZA48合金的快凝组织

6.4 快速凝固含硅ZA48合金微观组织

6.5 分析与讨论

6.6 快速凝固丝带的应用

6.6.1 常规的焊补方式及特征

6.6.2 快速凝固丝带焊补

6.6.3 分析与讨论

本章小结

第七章 高铝锌合金-ZA48耐磨性研究

7.1 润滑条件下的耐磨性研究

7.1.1 电解加钛对耐磨性的影响

7.1.2 Si对耐磨性的影响

7.2 无润滑条件下的耐磨性研究

7.2.1 ZA48合金的耐磨性

7.2.2 电解加钛对ZA48合金的耐磨性影响

7.2.3 硅对ZA48合金耐磨性的影响

7.3 自修复技术在ZA48合金中的应用

7.3.1 试验材料和方法

7.3.2 试验结果

7.3.3 分析与讨论

本章小结

第八章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间公开发表的论文