材料工程  2017, Vol. 45 Issue (6): 17-23   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000920
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刘占勇, 左孝青, 钟子龙, 李威威
LIU Zhan-yong, ZUO Xiao-qing, ZHONG Zi-long, LI Wei-wei
半固态触变挤压对ZA27合金组织和力学性能的影响
Effect of Semi-solid Thixo-extrusion on Microstructures and Mechanical Properties of ZA27 Alloy
材料工程, 2017, 45(6): 17-23
Journal of Materials Engineering, 2017, 45(6): 17-23.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000920

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收稿日期: 2015-07-25
修订日期: 2016-10-27
半固态触变挤压对ZA27合金组织和力学性能的影响
刘占勇, 左孝青 , 钟子龙, 李威威   
昆明理工大学 材料科学与工程学院, 昆明 650093
摘要: 通过与常规铸造方法的比较,研究半固态触变挤压对ZA27合金变质、热处理组织和力学性能的影响。结果表明:半固态挤压态合金的密度较铸态合金提高了3%,合金经Sc变质或者半固态挤压都获得了细小而均匀的近似球状组织,而Sc变质结合半固态挤压的球状组织具有最高的圆整度;经T6热处理的半固态挤压合金由细小的初生α相和共析(α+η)组织组成,说明半固态挤压可促进ε相溶解、减少三元共晶(β+η+ε)组织的含量。力学性能测试表明,ZA27合金经半固态挤压+Sc变质+T6热处理后其抗拉强度,伸长率和布氏硬度分别达到586.01MPa,17.57%及171HB。
关键词: ZA27合金    Sc变质    半固态触变挤压    微观组织    力学性能   
Effect of Semi-solid Thixo-extrusion on Microstructures and Mechanical Properties of ZA27 Alloy
LIU Zhan-yong, ZUO Xiao-qing , ZHONG Zi-long, LI Wei-wei    
College of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China
Abstract: Through comparative study with normal casting, the effects of semi-solid thixo-extrusion on microstructures and mechanical properties with modification treatment and heat treatment of ZA27 alloys were studied. The results show that the density of semi-solid thixo-extrusion ZA27 alloy increases by 3% compared to the one obtained by normal casting, fine spherical uniform microstructure is obtained by Sc modification treatment or semi-solid thixo-extrusion, and the best roundness of the globular grains is obtained by Sc modification combined with semi-solid thixo-extrusion. The microstructure of ZA27 alloy by semi-solid thixo-extrusion combined with T6 heat treatment is composed of small α primary phase and (α+η) eutectoid phase, which shows that semi-solid thixo-extrusion can promote the dissolution of ε phase and reduce (β+η+ε) ternary eutectic content. The mechanical properties test indicates that the tensile strength, elongation and Brinell hardness of the ZA27 alloy by semi-solid thixo-extrusion, and after Sc modification and T6 heat treatment, are up to 586.01MPa, 17.57% and 171HB respectively.
Key words: ZA27 alloy    Sc modification    semi-solid thixo-extrusion    microstructure    mechanical property   

高铝锌合金俗称“白色青铜”,是近二十年国内外日益广泛应用的一种新型有色铸造合金。其中ZA27合金由于力学性能较高、耐磨性优异以及成本低廉等特点而应用前景广阔[1-3]。然而,ZA27合金凝固温度范围宽 (112℃),结晶过程成分偏析严重,常规铸造时易于出现枝晶偏析和底部缩孔等缺陷[4, 5]而使其力学性能降低。为了有效解决这些问题,国内外学者进行了多方面研究,如铸件热处理[6]、超声波振动处理[7]、半固态电磁搅拌[8]等。随着半固态成形理论和技术的不断成熟与发展[9],为具有高力学性能的ZA27合金制备和组织控制提供了新的方法,并在ZA27合金的触变挤压研究方面取得了一定进展。Chen等[10]研究了触变挤压ZA27合金的工艺参数,结果表明其强度随挤压力和挤压温度的提高而提高。郝远等[11]对Zr细化ZA27合金组织的研究发现,Zr含量在0.04%~0.2%可获得较好的变质效果,初生相由枝晶转变为等轴晶。Bobic等[12]研究了触变挤压ZA27合金的抗腐蚀性,结果表明ZA27合金腐蚀过程主要发生在η和 (α+η) 相,并且热处理会降低触变成形ZA27合金的耐腐蚀性等。目前有关ZA27合金的触变挤压、变质处理及热处理的研究报道较少,同时,半固态触变挤压对ZA27合金变质处理及热处理的作用机制也未作深层次探讨。本工作通过与常规铸造的比较,采用半固态触变挤压,并结合变质处理和热处理的方法,研究了半固态触变挤压对ZA27合金组织和力学性能的影响,以期为ZA27合金制备技术的发展提供有益参考。

1 实验材料及方法 1.1 实验材料

实验材料主要包括ZA27合金 (宁波铝亿合金材料有限公司) 及AlSc2中间合金 (湖南稀土研究院有限公司)。ZA27合金化学成分如表 1所示。

表 1 ZA27合金化学成分 (质量分数/%) Table 1 Chemical composition of ZA27 alloy (mass fraction/%)
Al Cu Mg Fe Pb Cd Zn
27.62 2.3856 0.015 0.0625 0.0023 0.0004 Bal
1.2 合金制备方法

将ZA27合金加热到580~600℃,保温30min后扒渣、静置处理,加入0.5%Sc (质量分数) 进行5~10min的变质处理,待停炉冷却至490℃时机械搅拌2min,得到半固态坯料;冷却凝固后将半固态坯料切割成形,放入470℃预热的挤压模具中进行半固态触变挤压 (挤压比11:1,挤压力20kN,保压时间1min),得到ZA27合金试样,而常规铸造ZA27合金试样于560℃浇入钢模即得;对半固态挤压态及铸态试样进行T6热处理 (350℃×8h固溶+100℃×5h时效)。表 2为8组不同制备工艺所获得的ZA27合金试样。

表 2 不同制备工艺下的ZA27合金试样 Table 2 Samples of ZA27 alloys fabricated by different fabrication processes
No Modification
treatment
Forming method Heat
treatment
1# Casting
2# Casting T6
3# Sc Casting
4# Sc Casting T6
5# Semi-solid thixo-extrusion
6# Semi-solid thixo-extrusion T6
7# Sc Semi-solid thixo-extrusion
8# Sc Semi-solid thixo-extrusion T6
1.3 测试分析方法

采用Autograph AG-X力学试验机对试样 (图 1) 进行拉伸力学性能测试;采用HBRVD-187.5A1型布洛维硬度计进行硬度测试;采用阿基米德排水法测试试样密度ρ=m1/(m2-m1),其中m1为试样的质量,m2为试样和蒸馏水的总质量,取蒸馏水密度为1。拉伸性能、硬度、密度数据均为5组试样测试结果的平均值。

图 1 拉伸力学试样示意图Fig. 1 Schematic diagram of tensile test specimen

采用Carl Zeiss Axio Imager金相显微镜进行金相组织观察;采用Philips XL30扫描电镜 (结合EDS) 和D8 ADVANCE型X射线衍射仪对试样进行形貌、成分和物相分析。

2 结果与分析 2.1 铸态及半固态挤压态ZA27合金的密度

选取铸态 (1#) 和半固态挤压态 (5#) 的ZA27合金试样,对两组试样分别进行上、中、下三部分切割取样,测试其各部分试样密度,并计算得到平均值 (表 3)。

表 3 铸态和半固态挤压态ZA27合金的密度 (g·cm-3) Table 3 Density of ZA27 alloys by casting and semi-solid thixo-extrusion (g·cm-3)
No Top Middle Bottom Average
1# 5.0054 5.0436 5.0832 5.0441
5# 5.1898 5.1940 5.1954 5.1931

表 3可知,半固态挤压态ZA27合金 (5#) 各部分的密度及平均密度较铸态ZA27合金 (1#) 均有所提高,提高量约为3%。由于常规铸造ZA27合金的凝固体收缩率较大,达到3%~4%[13],会产生比较严重的疏松缺陷,导致合金密度降低。在凝固过程中,生长的树枝晶会形成紧密的网络组织,将铸态ZA27合金熔体分割为互不连通的小熔池,阻碍了熔体流动,熔池中的凝固收缩得不到及时补充而形成缩孔和疏松缺陷[14]图 2为铸态和半固态挤压态ZA27合金的SEM图。如图 2(a)所示,白亮的树枝状组织为初生α相,灰暗的组织为η相,黑点为铸造所产生的收缩孔,其主要在η相上形成。而半固态挤压是在固/液两相区进行,挤压过程中,固/液两相流可以流动,初生树枝晶网被破碎,一些细小的枝晶发生重熔,液相充填于固相颗粒之间,在挤压力的作用下液相会从压力大的区域流向压力小的区域[15],有利于凝固过程的补缩,使缩孔及疏松缺陷明显减少,组织更加致密。另外,挤压力作用下固相局部网络破碎,也有助于所包裹气体的排出,提高了材料的密度,如图 2(b)所示,半固态挤压使ZA27合金的缩孔及疏松缺陷大幅减少,枝晶偏析得到较好控制,提高了合金成分的均匀性。

图 2 铸态和半固态挤压态ZA27合金的SEM图(a) 铸态 (1#);(b) 半固态挤压态 (5#) Fig. 2 SEM images of ZA27 alloys by casting and semi-solid thixo-extrusion(a) casting (1#); (b) semi-solid thixo-extrusion (5#)
2.2 铸态及半固态挤压态ZA27合金的显微组织

图 3为ZA27合金的铸态 (1#)、半固态坯料 (未变质、挤压及热处理) 和半固态挤压态 (5#) 显微组织。由图 3(a)可知,铸态试样的组织严重偏析,初生的α相为粗大柱状树枝晶,枝晶由多层片状共晶β和颜色较暗的η两相构成,并呈并排生长趋势。经机械搅拌后 (图 3(b)),树枝晶几乎全部消失,组织形态转变为近球形。对比可见半固态挤压态试样 (图 3(c)) 的近球形α相 (尺寸≤25μm) 较之半固态坯料更为细小和均匀,连接也变得更为紧密。

图 3 不同状态ZA27合金的显微组织(a) 铸态 (1#); (b) 半固态坯料; (c) 半固态挤压态 (5#) Fig. 3 Microstructures of ZA27 alloys at different conditions(a) casting (1#); (b) semi-solid billet; (c) semi-solid thixo-extrusion (5#)

半固态坯料在搅拌过程中,应力场的变化可对树枝晶产生剪切作用,并对流体产生“冲刷作用”。当枝晶臂抗剪强度小于外加应力时,枝晶臂从母晶上断裂,促使树枝晶破碎、变形,母晶则发生钝化,破碎的枝晶臂成为新的晶核,同时固/液界面张力及剪切力作用会使固相颗粒不断球化,在连续的结晶—破碎—再结晶过程中就形成了近球形晶粒组织。但也有研究认为[16, 17],近球形晶粒是由液相形核生长而产生的,熔体中初生组织的旋转运动有利于提高固/液界面稳定性,使固相核心保持球状生长以获得球状组织。由本工作可知,半固态挤压成形后合金组织以类球形α相为主,这是由于铸态合金重熔加热后,Zn熔化并扩散到α相中,促进了共晶组织溶解,η相由聚集的大块状变成细小弥散的颗粒状。挤压过程中晶粒被拉长以致断裂成微小颗粒,晶粒之间的相互摩擦加速了向球状转变的速度,在溶解及挤压应力的共同作用下,η相均匀地分布于α相四周,晶粒得到细化,提高了α相的圆整化程度。

2.3 半固态挤压对ZA27合金变质及热处理的影响 2.3.1 半固态挤压对ZA27合金变质的影响

图 4为ZA27合金变质组织。可知,铸态试样变质处理 (3#) 的组织,相比铸态 (1#图 3(a)),粗大的树枝晶状和花瓣状组织已完全消失并转变为细小的球状晶,但晶界不够完整。图 5为变质处理后铸态 (3#) 和半固态挤压态 (7#) ZA27合金的XRD谱图。除了Al,Zn和CuZn5基体相之外,还有Al2Sc相的生成,半固态挤压并没有改变合金的物相组成。半固态挤压过程中,一方面Sc和Al生成Al2Sc相颗粒,Al2Sc为高熔点化合物 (熔点1420℃),在初生α相结晶前析出弥散分布于熔体中,成为异质核心而细化晶粒。另一方面,部分Sc还会固溶于α相中,吸收空位并降低溶质原子Al的扩散能力[18],初生α相凝固生长及形变破碎时,由于Sc及α-Al结构的差异,Sc原子被排出到晶界,界面能升高,使其晶间原子扩散能力远大于晶内,从而增加了晶粒形态演变的驱动力。压力下扩散系数Dp和常压扩散系数D0的比值为[19]

图 4 ZA27合金变质组织 (a) 铸态变质处理 (3#);(b) 变质处理结合半固态挤压 (7#)Fig. 4 Microstructures of ZA27 alloys by modification treatment(a) modification treatment+casting (3#); (b) modification treatment+semi-solid thixo-extrusion (7#)
图 5 3#及7# ZA27合金的XRD谱Fig. 5 XRD patterns of 3# and 7# of ZA27 alloys
(1)

式中:R为摩尔气体常数;T为熔体温度;V0为液相的原始摩尔体积;p为压力。由式 (1) 可得ZA27合金在0.25GPa、743K时的溶质扩散系数与常压的比值为Dp/D0=0.443,即合金压力下溶质扩散系数为常压的44%,溶质扩散困难,晶体生长方式由外生生长向内生生长的趋势变大。α相形态的不同,造成了原子扩散途径和速度的不同,铸态树枝晶沿枝晶轴向和径向的原子扩散是不同的,组织也是不规则的,具有各向异性的生长特征。经变质处理后初生α相已变为类球形晶粒,而组织转变的实质是由原子扩散引起的,根据原子各向同性扩散方程[20]

(2)

式中:C为原子浓度;D为扩散系数;M为单位面积扩散物质量;rt分别为扩散半径和时间。结合式 (1),扩散系数D减小引起溶质富集加剧,原子扩散由各向异性向各向同性转变的程度进一步提高。变质处理结合半固态挤压试样 (7#) 的ZA27合金组织,相比3#试样的组织显得更加规则和均匀,接近较为理想的球形晶粒 (图 4(b))。

2.3.2 半固态挤压对ZA27合金热处理的影响

图 6为ZA27合金T6热处理组织。由图 6(a)可知,铸态热处理后 (2#) 合金组织依然保留了铸态初生α树枝晶的轮廓,枝晶间细小的条块状共晶组织和ε-CuZn5相部分分解,包晶β相则溶入α相中。半固态挤压合金经热处理后的组织如图 6(b)所示,相比铸态热处理后的组织,树枝晶完全消失,黑色非平衡三相 (β+η+ε) 共晶组织减少,形成了典型的 (α+(α+η)) 组织。灰色的 (α+η) 组织弥散分布在均匀的α相的周围,体积分数减小,α相的体积分数增大,说明非平衡ε相和β相的转化更为充分。由于二次重熔及半固态挤压是在470℃下进行的,原子扩散充分,部分三相共晶组织熔化后与α相融合,减少了脆性非平衡三相 (β+η+ε) 共晶组织,相当于对合金进行了不完全固溶处理。半固态挤压形成的部分过饱和固溶体,在后续热处理过程中可促进β→α+η的共析反应,(α+η) 共析组织具有良好的强度和塑性,有助于合金力学性能的提高。另外,半固态挤压对第二相的溶解和脱溶均有促进作用,且对第二相的溶解作用较大[21]。析出的ε相被碎化到一定尺寸后,产生回溶,基体过饱和度增大,当过饱和度增大到一定数值后,在应力作用下发生脱溶而形成稳定的颗粒,获得弥散分布、细小的ε-CuZn5硬质相。因此,ZA27合金的半固态挤压减少了非平衡三相 (β+η+ε) 共晶组织,促进了α相的固溶,有利于后续热处理过程中获得 (α+η) 共析组织和细小弥散ε-CuZn5硬质相。

图 6 ZA27合金T6热处理组织(a) 铸态热处理 (2#);(b) 热处理结合半固态挤压 (6#) Fig. 6 Microstructures of ZA27 alloys by T6 heat treatment(a) casting+heat treatment (2#); (b) semi-solid thixo-extrusion+heat treatment (6#)
2.4 铸态及半固态挤压态ZA27合金的力学性能

表 4列出了铸态和半固态挤压态ZA27合金试样的力学性能。

表 4 不同制备工艺下ZA27合金的力学性能 Table 4 Mechanical properties of ZA27 alloys by different fabrication processes
No Tensile strength/MPa Elongation/% Hardness (HB)
1# 308.51 5.12 120
2# 392.04 9.47 140
3# 443.98 10.39 144
4# 530.99 14.13 162
5# 415.62 15.85 139
6# 540.57 16.93 166
7# 462.51 16.25 152
8# 586.01 17.57 171

表 4可知,半固态挤压ZA27合金的力学性能相对铸态有了大幅的提升,半固态挤压试样 (5#) 的抗拉强度为415.62MPa,伸长率为15.85%,硬度为139HB,与铸态 (1#) 相比分别提高了34.7%,209.5%及15.8%。0.5%Sc变质处理对提高合金的力学性能作用明显,热处理后的合金力学性能进一步提高。变质+半固态挤压+热处理 (8#) 合金力学性能最好,其抗拉强度,伸长率,硬度分别达586.01MPa,17.57%,171HB。

图 7为变质+半固态挤压+热处理的ZA27合金 (8#) 的SEM照片。由图 7(a)可知,α相基体尺寸细小均匀,晶间组织的溶解使晶界轮廓模糊不清,黑色非平衡三相共晶组织几乎完全消失,α-Al与η-Zn基体已融为一体。对图 7(a)框处白亮组织做能谱分析 (图 7(b)) 表明,主要有Al,Sc,Cu,Zn元素,结合XRD图谱 (图 5) 可判断,该处组织以Al2Sc颗粒和ε-CuZn5硬质相为主,并以白色絮状弥散分布于基体中。可见,变质+半固态挤压+热处理的ZA27合金 (8#),其密度及化学成分均匀性提高,形成了以球形细化的α相为主、(α+η) 及Al2Sc和ε-CuZn5弥散分布的组织。

图 7 变质+半固态挤压+热处理的ZA27合金 (8#) SEM图 (a) 和EDS分析 (b)Fig. 7 SEM image (a) and EDS analysis (b) of ZA27 alloys (8#) by modification treatment+semi-solid thixo-extrusion+heat treatment
3 结论

(1) 与铸态相比,半固态挤压态试样组织更加致密,密度提高了3%左右,基本消除了缩孔、疏松等缺陷。

(2) 半固态搅拌及挤压抑制了ZA27合金树枝晶的生长,得到了均匀的类球状组织;变质元素Sc与Al生成Al2Sc相可促进ZA27合金的异质形核、细化组织,变质后的ZA27合金经半固态挤压可得到较为理想的球形晶粒。

(3) ZA27合金的半固态挤压减少了脆性非平衡三相 (β+η+ε) 共晶组织,形成的过饱和固溶体热处理时更容易获得弥散的α及 (α+η) 组织,有利于细小弥散ε-CuZn5相的获得。

(4) ZA27合金经Sc变质+半固态挤压+T6热处理后, 其抗拉强度,伸长率和硬度分别为586.01MPa,17.57%及171HB。

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