熔体急冷和铸型温度对ZZn Al4Y锌合金组织均匀性和力学性能的影响

周 康 ,张 凯 ,王建华

(1.江苏联合学院常州铁道分院智能制造学院,常州 213011;2.常州大学材料科学与工程学院,常州 213164)

0 引言

锌合金具有优良铸造性能和耐腐蚀性能以及无磁、加工无火花等优点,广泛应用于汽车、家用五金、仪器仪表等领域[1-3]。压铸锌合金的强度可与铸造铝合金相比,耐磨性能可与轴承用青铜合金媲美,且具有成本低、加工方便的特性[4-6]。ZZn Al4Y 锌合金是一种铝质量分数约为4%的压铸锌合金,主要用于汽车、摩托车、电子通信、仪表等机械零件以及玩具、饰物、餐具、锁类等五金器件的压铸制备。目前,有关ZZn Al4Y锌合金的研究主要集中在变质处理、微合金化以及熔铸工艺优化方面。LIU 等[7]研究发现,微量锶可细化ZZn Al4Y 锌合金共晶组织,减小共晶结构的层间距,显著提高合金的力学性能。LI等[8]研究发现,随着锆含量的增加,ZZn Al4Y 锌合金中共晶组织和初生η-Zn相明显细化,综合力学性能显著提升。郭子辉等[9]研究发现,铬的加入可使ZZn Al4Y锌合金中初生η-Zn相明显细化且体积分数增多。LI等[10]成功研制了ZZn Al4Y锌合金微米级精密铸造工艺,与常规铸造工艺相比,该铸造工艺具有非平衡凝固特征,晶粒明显细化,初生相的比例增大,铸件的力学性能提高。曹洋等[11]研究发现,Al-5Ti-B变质剂可有效细化ZZn Al4Y 合金晶粒尺寸,提高合金的强度与塑韧性。虽然微合金化和变质处理能改善ZZn Al4Y 锌合金的组织和力学性能,但是在优化过程中消耗了稀有金属元素,增加了生产成本,同时稀土元素存在一定的衰退特性[12]。通过优化熔铸工艺来提高锌合金性能具有成本低、效率高的优点。

熔体急冷的冷却速率很高,可实现合金熔体的快速形核与生长,明显细化合金凝固组织并使组织均匀性提高[13-14]。然而目前,未发现有关熔体急冷对ZZn Al4Y 锌合金组织均匀性和力学性能影响的研究报道。为此,作者采用低温铜管对锌合金熔体进行急冷并控制金属铸型温度,研究了不同铸型温度下熔体急冷熔铸工艺制备得到ZZn Al4Y 合金的显微组织与力学性能,并与常规熔铸工艺制备得到ZZn Al4Y合金进行对比,以期为高质量ZZn Al4Y锌合金的制备提供依据。

1 试样制备与试验方法

试验原料包括纯度99.995%的0号锌锭(株洲冶炼集团有限公司生产)、纯度99.7%的A-00铝锭(上海旗晨实业有限公司生产)和纯度99.95%的1号镁锭(山东力昂新材料科技有限公司生产)。根据ZZn Al4Y锌合金的化学成分(质量分数4.1% Al,0.05% Mg,余锌)进行配料。参考文献[13-14],创新地提出了将锌合金熔体流经低温铜管进行急冷,再将急冷合金熔体浇注到一定温度的金属铸型中凝固的熔体急冷熔铸工艺。采用未熔体急冷的常规熔铸工艺和熔体急冷熔铸工艺制备合金试样。常规熔铸工艺如下:将配制好的原料放入坩埚中,在680℃的S62-5-10型电阻炉中熔炼并浇注得到ZZn Al4Y锌合金锭;将合金锭置于坩埚中并放入电阻炉中进行再次加热,熔炼温度为680℃,待完全熔化后用石英棒充分搅拌,防止成分偏析,并采用六氯乙烷对合金液进行精炼;将合金液温度降至620℃保温静置30 min,然后浇铸到温度分别为室温(25℃)以及200,250,300,350℃金属铸型中,铸型内腔尺寸分别为ϕ12 mm×150 mm 和ϕ30 mm×50 mm。在熔体急冷熔铸过程中,将锌合金液流经倾斜30°放置的内腔尺寸为ϕ30 mm×500 mm 的低温铜管(在液氮环境中预冷至-120℃),然后分别浇注到不同温度金属铸型中,得到所需的合金试样。

由于圆棒试样的冷却方向主要是径向,最终得到的凝固组织是接近等轴晶的组织,距底端10 mm以上的纵向凝固组织与横向凝固组织相似,且不同高度处的凝固组织也相似,因此仅对距底端10 mm处的横向组织进行观察。在距试样(尺寸ϕ30 mm×50 mm)底端10 mm 的表面、1/2半径处和中心切取试样,经粗磨、细磨和抛光后,采用体积分数1%硝酸乙醇溶液腐蚀,用DMI3000M 型光学显微镜观察显微组织。将尺寸为ϕ12 mm×150 mm 的试样加工成如图1所示的拉伸试样和尺寸为ϕ12 mm×55 mm 的冲击试样,分别按照GB/T 228.1—2010和GB/T 229—2020,采用INSTRON 5967型万能电子拉伸试验机和JB-300B型冲击试验机进行室温拉伸试验和室温冲击试验,拉伸试验的拉伸速度为2 mm·min-1,测3次取平均值。采用JEOL-6510型扫描电镜(SEM)观察拉伸断口形貌。

图1 拉伸试样的尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

2 试验结果与讨论

2.1 对组织均匀性的影响

由图2可以看出,采用常规熔铸工艺、室温金属铸型凝固的ZZn Al4Y锌合金的组织主要由初生η相以及β相和η相组成的共晶组织构成[15],其中初生η相主要以树枝晶形式存在。试样中心的初生η相树枝晶较粗大,1/2半径处的树枝晶比较细小,而表面处的树枝晶最细小。可知,试样不同部位凝固组织中的初生η相树枝晶粗细不均匀,组织均匀性很差。

图2 常规熔铸工艺下室温金属铸型凝固ZZnAl4Y锌合金试样不同位置的显微组织Fig.2 Microstructures at different positions of ZZnAl4Y zinc alloy sample solidified in room temperature metal mold under conventional melting casting process：(a)center；(b)1/2 radius and(c)surface

由图3可见:在常规熔铸工艺下,与室温金属铸型凝固相比,当铸型温度为200℃时,试样表面初生η相的树枝晶特征明显减轻,主要以细小树枝晶和颗粒状存在;1/2半径处树枝状初生η相减少,颗粒状η相增多且其尺寸稍有增大;试样中心的树枝状η相基本消失,η相以粗大颗粒状存在。200℃金属铸型凝固组织中初生η相的圆整度和均匀性有所改善。当铸型温度升高至250℃时,除了初生η相尺寸稍有增加外,试样不同位置的初生η相的形态和尺寸均匀性与200℃金属铸型凝固组织相似。当铸型温度升高至300℃时,合金试样不同位置的初生η相均以颗粒状存在,初生η相的圆整度和尺寸均匀性得到显著改善。当铸型温度提高至350℃时,颗粒状初生η相尺寸明显增加,组织均匀性仍较好。

图3 常规熔铸工艺下不同温度金属铸型凝固ZZnAl4Y锌合金试样不同位置的显微组织Fig.3 Microstructures at different positions of ZZnAl4Y zinc alloy sample solidified in metal mold at different temperatures under conventional melting casting process：(a，d，g，j)center；(b，e，h，k)1/2 radius and(c，f，i，l)surface

由图4 结合图2 和图3 可知,熔体急 冷后ZZnAl4Y锌合金组织中的初生η相得到明显细化。室温金属铸型凝固试样表面的初生η相为非常细小的树枝晶,1/2半径处和中心的初生η相主要以细小颗粒状存在,树枝状η相很少,组织均匀性较差。200℃金属铸型凝固试样表面的初生η相以树枝状和颗粒状2种形式存在,其尺寸比室温金属铸型凝固组织明显增大;与室温金属型铸造相同部位的凝固组织相比,1/2半径处初生η相形态变化不大,而中心的初生η相以颗粒状存在,尺寸都有所增加。当铸型温度升高至250℃时,除了试样表面初生η相以树枝状和颗粒状2种形式存在外,1/2半径处和中心的初生η相均以颗粒状存在,不同部位初生η相的圆整度和尺寸均匀性得到明显改善。当铸型温度提高至300℃时,试样表面、1/2半径处和中心的初生η相均以颗粒状存在,表面初生η相尺寸明显大于铸型温度为200℃和250℃时试样表面初生η相的尺寸,不同部位的合金组织相似。当铸型温度进一步提高至350℃时,虽然试样不同部位的组织一致性良好,但是初生η相发生粗化,且其颗粒圆整度变差。对比可知,熔体急冷熔铸工艺下300℃金属铸型凝固的ZZnAl4Y 锌合金中的初生η相较细小,组织均匀性较好。

图4 熔体急冷熔铸工艺下不同温度金属铸型凝固ZZnAl4Y锌合金试样不同位置的显微组织Fig.4 Microstructures at different positions of ZZnAl4Y zinc alloy sample solidified in metal mold at different temperatures under melt quenching melting casting process：(a，d，g，j，m)center；(b，e，h，k，n)1/2 radius and(c，f，i，l，o)surface

ZZn Al4Y锌合金的组织均匀性可采用组织中初生η相的表面形状因子φ来表征。φ取值在0～1,越趋近于1,表示初生η相的形状越趋近于圆形。φ的具体表达式[16]为

式中:A为初生η相的投影面积;Prough为初生η相投影的周长。

由表1可知:随着铸型温度的升高,不同熔铸工艺下ZZn Al4Y 锌合金试样不同位置的初生η相表面形状因子均先增大后减小,标准差先减小后增大;熔体急冷熔铸工艺下300℃金属铸型凝固合金试样的初生η相的表面形状因子最大,相对应的标准差最小,说明此时初生η相的圆整度最好,组织均匀性最佳。

表1 不同工艺下ZZnAl4Y锌合金试样不同位置初生η相的表面形状因子Table 1 Surface shape factors of primaryηphase in different positions of ZZnAl4Y zinc alloy samples under different processes

在常规熔铸工艺下,当铸型温度为室温时,由于熔体与铸型的温差很大,试样径向不同部位的凝固速率差异巨大:表面熔体过冷度很大,合金凝固时因成分过冷而形成发达的树枝状初生η相[17];中心熔体过冷度较小,因成分过冷减轻而形成较粗大的树枝状η相。此时,合金的组织均匀性很差。当铸型温度为200～250℃时,由于熔体与铸型的温差减小,径向不同部位凝固速率的差异减小:试样表面熔体的过冷度减小,因成分过冷减轻而形成树枝状特征较弱的初生η相;中心熔体过冷度继续减小,成分过冷消除,凝固时间延长,在表面自由能最低的驱动下组织中形成颗粒状的初生η相。此时,合金的组织均匀性得到一定改善。当铸型温度为300℃时,熔体与铸型之间的温差明显减小,径向不同部位凝固速率的差异明显缩小;由于各部位冷却速率和凝固速率都很小,且不存在成分过冷现象,因此在表面自由能最低的驱动下,试样径向不同部位都能形成圆整度高的颗粒状初生η相,合金的组织均匀性得到显著改善。但是,当铸型温度提高到350℃时,初生η相的生长速率太慢,不同晶面表面能的差异造成该相发生选择性长大,其球状形态变差,形状因子减小,组织均匀性降低。

在熔体急冷熔铸工艺中,锌合金液在流动中与低温铜管发生接触,二者通过热对流进行瞬时动态的热交换,低温铜管对熔体起到急冷作用,从而产生很大的过冷度。当过冷熔体浇注到金属铸型中时,将会产生更大的过冷度,从而大幅度增加初生相的有效形核核心数量,并抑制其生长过程,最终导致合金凝固组织的细化。当急冷后的合金熔体在室温金属铸型中凝固时,熔体表面过冷度较大,凝固时形成非常细小的树枝状初生η相;1/2半径处和中心的过冷度较小,形成较细的颗粒状初生η相。此时,合金的组织均匀性仍然较差。当铸型温度为200～250℃时,急冷熔体与铸型温差明显减小,熔体表面的过冷度明显减小,形成近似颗粒状的初生η相。与前述原因相似,在试样1/2半径处和中心形成的仍是尺寸较大的颗粒状初生η相。在熔体急冷的作用下,初生η相的均匀性得到较大改善。当铸型温度为300℃时,急冷熔体与铸型之间的温差进一步减小,熔体中心到表面的温度梯度很小,不同位置的凝固速率差异很小,均形成了圆整度高的颗粒状初生η相,合金的组织均匀性很好。但是,当铸型温度继续升高到350℃时,选择性长大使初生η相的圆整度下降,径向不同部位的组织均匀性下降。由于低温铜管的热容量有限,其与锌合金液热交换的强度随浇注过程的进行迅速衰减,对于稍大的铸件或浇注时间较长的铸件将难以达到持续稳定的预期效果。为了保证处理效果和推广应用,需要设计连续冷却装置以维持低温铜管的温度,保持其对合金熔体的急冷能力。

2.2 对力学性能的影响

由表2可以看出:随着铸型温度的升高,常规熔铸工艺和熔体急冷熔铸工艺下ZZn Al4Y 锌合金的抗拉强度、断后伸长率和冲击吸收功基本呈先升高后降低的趋势,均在铸型温度为300℃时,综合力学性能最好;相同铸型温度下,熔体急冷熔铸合金的力学性能优于常规熔铸工艺,与常规熔铸工艺下室温金属铸型凝固合金相比,熔体急冷熔铸工艺下300℃金属铸型凝固合金的抗拉强度提高了33.9%,断后伸长率提高了320%,冲击吸收功提高了21.7%。熔体急冷熔铸ZZn Al4Y 锌合金综合力学性能的提高可归因于组织中初生η相由粗大树枝状转变为颗粒状以及不同部位初生η相的均匀性得到明显改善。

表2 不同工艺下ZZnAl4Y锌合金的力学性能Table 2 Mechanical properties of ZZnAl4Y zinc alloy under different processes

由图5可以看出:常规熔铸工艺下室温金属铸型凝固ZZn Al4Y 锌合金试样的拉伸断口呈现解理断裂特征,解理面非常粗大,韧窝数量很少,合金发生脆性断裂;当铸型温度为300℃时,采用熔体急冷熔铸工艺制备的ZZn Al4Y 锌合金试样的拉伸断口中存在许多细小的韧窝,虽然也存在较多的解理面但是其尺寸比较细小,合金呈现韧性断裂特征,该工艺下合金具有较好的综合力学性能。

图5 常规熔铸工艺下室温金属铸型以及熔体急冷熔铸工艺下300℃金属铸型凝固的ZZnAl4Y锌合金拉伸断口形貌Fig.5 Tensile fracture morphology of ZZnAl4Y zinc alloy solidified in metal mold at room temperatures under conventional melting casting process(a)and in metal mold at 300℃under melt quenching melting casting process(b)

3 结论

(1)与常规熔铸工艺相比,熔体急冷使ZZn Al4Y锌合金组织中初生η相的圆整度增大,组织均匀性增加。随着铸型温度的升高,不同熔铸工艺下合金初生η相的圆整度先增大后减小,组织均匀性先变好再变差。熔体急冷熔铸工艺下300℃金属铸型凝固合金的初生η相的圆整度最好,组织均匀性最佳。

(2)与常规熔铸工艺下室温金属铸型凝固ZZn Al4Y锌合金相比,熔体急冷熔铸工艺下300℃金属铸型凝固ZZn Al4Y锌合金的抗拉强度、断后伸长率和冲击吸收功分别提高了33.9%,320%,21.7%,断裂类型为韧性断裂。