变形处理对Zn-0.75C...i合金组织和力学性能的影响_刘国彬.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 179No.1 2023总第179期2023年第1期引文格式引文格式：刘国彬,陈紫微,顾胡维,孟庆坤,戚继球.变形处理对Zn-0.75Cu-0.15Ti合金组织和力学性能的影响J.铜业工程,2023(1):28-35.变形处理对Zn-0.75Cu-0.15Ti合金组织和力学性能的影响刘国彬1，陈紫微2，顾胡维2，孟庆坤2，戚继球2（1.江苏中矿大正表面工程技术有限公司，江苏 徐州 212006；2.中国矿业大学材料与物理学院，江苏 徐州 221116）摘要：中国富锌少铜，作为铜合金替代材料的Zn-Cu-Ti具有安全无毒、质轻价廉等一系列优点，已被广泛应用在机械制造、汽车制造等领域，因此探寻对Zn-Cu-Ti的变形处理以达到优秀的力学性能具有重要意义。本文将热挤压与多道次热轧工艺相结合来制备Zn-Cu-Ti板材，研究变形处理对合金微观组织和力学性能的影响。合金经热挤压变形后，合金晶粒尺寸减小，呈现细小等轴晶状结构，Zn基体中存在CuZn5和TiZn3第二相颗粒，变形后第二相颗粒有所增加。挤压后的合金经轧制变形处理，组织中晶粒存在长大现象，致使晶粒尺寸分布不均匀，第二相数量随着合金变形量增加而增多。轧制变形后，合金的抗拉强度存在一定程度下降，塑性提高，这主要归功于合金板材基体中Cu固溶强化作用的降低和晶粒长大。关键词：Zn-0.75Cu-0.15Ti；形变诱导；合金组织；力学性能；拉伸强度doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.01.004中图分类号：TG146.1+3 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）01-0028-081 引言锌是第三大常用有色金属1-2，在生产生活中的消耗量仅比铝和铜低。锌合金在世界范围内的应用日趋广泛，主要应用在五金、日常装饰、建筑材料及汽车零部件等领域3-6。Zn-Cu-Ti合金是一种典型的变形锌合金，因其较好的力学性能以及高效低成本的加工性能，且其力学性能与黄铜类似，密度比黄铜低，多数情况下可以替代铜合金7-8。当前，国内外众多学者对Zn-Cu-Ti 合金的变形行为展开了大量的研究9-12。谭颖等13对Zn-Cu-Ti 合金进行冷轧变形，发现合金具有“加工软化”和“退火硬化”等异常力学行为，指出经85.7%冷轧变形加上195 和215 下退火后合金强度显著升高，表现出明显的“退火硬化”。张喜民等14研究指出合金热挤压能够将合金内部第二相进行破碎，产生大量第二相质点，在合金回复再结晶过程时第二相质点可以阻碍合金晶粒的长大，促进合金晶粒细化，提高合金综合力学性能。当前的工作很少对Zn-Cu-Ti合金进行热挤压加热轧制处理，本文拟对Zn-0.75 Cu-0.15Ti合金先进行热挤压变形，然后对其进行多道次热轧变形处理，探讨变形处理对该合金组织和力学性能的影响。2 实验配制的Zn-Cu-Ti合金中Cu元素含量为0.75%，Ti元素为0.15%（质量分数）。实验原材料使用锌块，H62黄铜、海绵钛，按照所需原料进行配料，随后进行熔炼，在熔炼时加入除渣剂NH4Cl以去除杂质。由于Zn在空气中烧损严重，熔炼Zn-Cu-Ti合金时先将称量好的原料置入真空熔炼炉中，以防止 Zn 在熔炼时发生氧化，熔炼温度为 680。熔炼完成后将合金液浇注到石墨模具中，得到Zn-0.75Cu-0.15Ti合金铸锭。去除铸锭1 mm厚外皮后，进行挤压实验，挤压前在挤压模具以及合金表面均匀涂抹石墨润滑剂。用四柱挤压机将20 mm100 mm圆柱合金铸锭挤压成 5 mm3 mm 方材，合金挤压比为 1 21。采用等温挤压工艺进行挤压变形，挤压温度为380，挤压速度为0.5 mm/s。轧制前，将热挤压得到的5 mm3 mm规格的方材切割成80 mm长的样品，在箱式电阻炉中加热到210，并保温60 min，收稿日期：2022-12-12；修订日期：2023-02-03基金项目：国家自然科学基金项目（52171091，51971241）资助作者简介：刘国彬（1982），男，内蒙古赤峰人，硕士，工程师，研究方向：锌合金及涂层，E-mail：；通信作者：戚继球，副教授，E-mail：随后开始轧制实验。轧辊半径为 70 mm，转速为24 r/min，进给速度为170 mm/s。轧制前在试样表面涂抹石墨润滑剂，轧制过程中轧制方向不改变，经过多道次轧制后，得到1 mm厚的板材。在挤压方材和轧制板材上切取金相试样和拉伸试样，为后续组织分析和力学性能测试做准备。采 用 金 相 显 微 镜（OM）、扫 描 电 镜（SEM，SEU8010）以及X 射线衍射（XRD，D8 ADVANCE）、电子探针（EPMA，JXA-iSP100）、场发射透射电镜分析（TEM，G2-F20）进行微观组织表征分析，利用万能试验机测试轧制板材的力学性能。3 结果与讨论3.1挤压变形前后对合金组织的影响图1为铸态和挤压态Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的XRD图谱。可以看出，挤压态合金的XRD图谱与铸态合金相比，除了Zn的3个强峰存在外，还存在2为42.2的衍射峰，经过对比，发现其为CuZn5相衍射峰。这是由于合金在热挤压后，存在基体中的形变储存能会促进第二相脱溶析出，导致在基体中析出更多CuZn5相。图 2 为挤压态 Zn-0.75Cu-0.15Ti 合金的 OM 组织图像。合金进行热挤压后，可以观察到Zn基体依旧以等轴晶为主，晶粒尺寸更为细小，约为15.9 m 图2（a）。同时在晶界区域观察到更多的黑色点状析出相 图2（b）。由于热挤压温度超过合金的再结晶温度，致使合金基体组织发生动态再结晶。由于热挤压变形时速度较快，合金变形时间较短，且合金挤压后进行空冷，冷速较大，导致再结晶晶粒没有充分长大。合金进行热挤压变形，致使基体中发生形变诱导析出，基体中析出更多的第二相。从 Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的SEM图像 图 3（a，b）中可以看出，基体中存在非常清晰的晶界，在晶界处存在颗粒状析出相。对图3（b，d）中颗粒A和B分别进行能谱（EDS）分析，结果如图3（e，f）所示。发现颗粒A存在Ti，Zn两种元素，且原子比接近1 3，由此推断出颗粒 A为TiZn3相。Zn基体中存在一部分固溶的Cu元素，没有Ti元素，说明Ti元素主要以颗粒相金属间化合物的形式存在。经过热挤压后，在晶界区域发现了更多的颗粒状析出相 图 3（c，d）。对颗粒相进行 EDS 分析 图 3（g），发现其为TiZn3相。图 4 为挤压态 Zn-0.75Cu-0.15Ti 合金的 EPMA图1Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的XRD图谱Fig.1XRD pattern of Zn-0.75Cu-0.15Ti alloys图2Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的不同放大倍数OM组织图像（a）低倍图像；（b）高倍图像Fig.2OM images of Zn-0.75Cu-0.15Ti alloy with different magnifications（a）Low magnification；（b）High magnification28刘国彬等 变形处理对Zn-0.75Cu-0.15Ti合金组织和力学性能的影响2023年第1期随后开始轧制实验。轧辊半径为 70 mm，转速为24 r/min，进给速度为170 mm/s。轧制前在试样表面涂抹石墨润滑剂，轧制过程中轧制方向不改变，经过多道次轧制后，得到1 mm厚的板材。在挤压方材和轧制板材上切取金相试样和拉伸试样，为后续组织分析和力学性能测试做准备。采 用 金 相 显 微 镜（OM）、扫 描 电 镜（SEM，SEU8010）以及X 射线衍射（XRD，D8 ADVANCE）、电子探针（EPMA，JXA-iSP100）、场发射透射电镜分析（TEM，G2-F20）进行微观组织表征分析，利用万能试验机测试轧制板材的力学性能。3 结果与讨论3.1挤压变形前后对合金组织的影响图1为铸态和挤压态Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的XRD图谱。可以看出，挤压态合金的XRD图谱与铸态合金相比，除了Zn的3个强峰存在外，还存在2为42.2的衍射峰，经过对比，发现其为CuZn5相衍射峰。这是由于合金在热挤压后，存在基体中的形变储存能会促进第二相脱溶析出，导致在基体中析出更多CuZn5相。图 2 为挤压态 Zn-0.75Cu-0.15Ti 合金的 OM 组织图像。合金进行热挤压后，可以观察到Zn基体依旧以等轴晶为主，晶粒尺寸更为细小，约为15.9 m 图2（a）。同时在晶界区域观察到更多的黑色点状析出相 图2（b）。由于热挤压温度超过合金的再结晶温度，致使合金基体组织发生动态再结晶。由于热挤压变形时速度较快，合金变形时间较短，且合金挤压后进行空冷，冷速较大，导致再结晶晶粒没有充分长大。合金进行热挤压变形，致使基体中发生形变诱导析出，基体中析出更多的第二相。从 Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的SEM图像 图 3（a，b）中可以看出，基体中存在非常清晰的晶界，在晶界处存在颗粒状析出相。对图3（b，d）中颗粒A和B分别进行能谱（EDS）分析，结果如图3（e，f）所示。发现颗粒A存在Ti，Zn两种元素，且原子比接近1 3，由此推断出颗粒 A为TiZn3相。Zn基体中存在一部分固溶的Cu元素，没有Ti元素，说明Ti元素主要以颗粒相金属间化合物的形式存在。经过热挤压后，在晶界区域发现了更多的颗粒状析出相 图 3（c，d）。对颗粒相进行 EDS 分析 图 3（g），发现其为TiZn3相。图 4 为挤压态 Zn-0.75Cu-0.15Ti 合金的 EPMA图1Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的XRD图谱Fig.1XRD pattern of Zn-0.75Cu-0.15Ti alloys图2Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的不同放大倍数OM组织图像（a）低倍图像；（b）高倍图像Fig.2OM images of Zn-0.75Cu-0.15Ti alloy with different magnifications（a）Low magnification；（b）High magnification29总第179期铜业工程Total 179组织图像。发现挤压态合金组织中有颗粒状析出相在晶界处出现，同时也存在一些相对较小的颗粒在晶体内部出现 图4（a），颗粒相主要含有Ti，Zn 两 种 元 素图 4（b，d），进 一 步 证 实 其 为TiZn3相。图3Zn-0.75Cu-0.15Ti合金SEM图像和EDS分析结果（a，b）铸态；（c，d）挤压态；EDS结果：（e）颗粒A；（f）颗粒B；（g）颗粒CFig.3SEM images and EDS results of Zn-0.75Cu-0.15Ti alloys（a，b）Cast；（c，d）Extrusion；EDS of Particle A（e），Particle B（f）and Particle C（g）30刘国彬等 变形处理对Zn-0.75Cu-0.15Ti合金组织和力学性能的影响2023年第1期3.2轧制变形量对合金组织的影响图5为不同变形量轧制态Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的XRD图谱。可以看出，合金在经过热轧变形后，在XRD图谱中能够观察到CuZn5以及TiZn3相的衍射峰。与挤压态合金相比，合金经过轧制之后可以多检测到TiZn3相。随着合金轧制变形量的增加，Zn基体的晶面间距变小，因为Zn的衍射峰有向高角移动的趋势，这证明Cu元素在Zn基体中固溶程度的降低。图6为不同变形量轧制态Zn-0.75Cu-0.15Ti合金的OM组织图像。可以看出，轧制态合金组织呈等轴晶形貌，晶粒尺寸不均匀，在Zn基体中发现有一些黑色析出相。随着合金变形量的增大，基体中析出相数量增多。从图7的SEM图像可以观察到颗粒状结构的TiZn3相，第二相数量增多。为了深入研究合金中的析出相，对轧制变形量为 70%的 Zn-0.75