高锌铝合金合金化和加工工艺的研究现状及发展趋势_杨东辉.pdf

，.，.基金项目：国家自然科学基金（）（）：.高锌铝合金合金化和加工工艺的研究现状及发展趋势杨东辉，唐 帅，吴子彬，秦 克，张海涛，崔建忠，东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室（），沈阳 苏州大学沙钢钢铁学院，江苏 苏州 高锌铝合金是指含锌量为 的铝基合金，具有耐磨性好、强度硬度高和阻尼性能优异等优点，被广泛应用于滑动轴承、轴瓦等耐磨件，是锡铜合金和锌铝耐磨合金良好的替代品。高锌铝合金作为耐磨合金替代锡铜合金不仅降低了工件的生产成本，而且弥补了我国锡铜金属资源匮乏的缺憾。但是，高锌铝合金也存在尺寸稳定性差、塑性低、抗蠕变性能和耐腐蚀性差等缺点。现阶段，高锌铝合金的强韧化机制主要有以下几个方面：（）对高锌铝合金进行合金化处理，如在 合金中添加、等元素。首先合金元素与基体结合形成硬质颗粒可以增加合金的强度硬度；其次，合金元素在凝固过程中可以作为异质形核中心，导致晶粒尺寸减小。（）在凝固过程中提高冷却速度，采用压铸或挤压铸造的方法可以获得较快的冷却速度。凝固过程中较快的冷却速度有利于提高形核速率，并显著细化第二相与晶粒的尺寸。（）对高锌铝合金进行塑性变形处理，如挤压、轧制等加工工艺可以消除合金的铸造缺陷、细化晶粒、增加位错密度，从而提高高锌铝合金的强度。本文综述了近年来国内外高锌铝合金显微组织和性能的研究现状及主要存在的问题，介绍了、等合金元素对高锌铝合金组织及性能的影响，总结了变形工艺及热处理工艺对高锌铝合金组织与性能的影响，最后分析了高锌铝合金的优缺点并展望其研究方向。关键词 高锌铝合金 轴承材料 力学性能 加工工艺中图分类号：文献标识码：，：（），（），（）（），引言高锌铝合金是指含锌量为 的铝基合金，具有强度高、熔点低、高阻尼和耐磨性能好等特点，在车用压铸件、耐磨材料、航空航天阻尼结构件等领域具有广阔的应用前景。由于高锌铝合金耐磨性能好，德国专家称其为“白色青铜”。它被视为锡青铜和锌铝合金的良好替代品。国内外传统的轴承材料主要为巴氏合金、铜基合金和锌铝合金。巴氏合金与铜基合金用作轴承材料已有一百多年的历史，但是这些材料不仅价格高，而且在生产和使用过程中会产生对环境有害的物质。高锌铝合金代替传统轴承合金不仅具有密度低、污染小和生产成本低廉等优点，而且我国锌资源的储存量占世界总储量的，而国内的铜资源仅能满足需求量的，其余全靠进口，高锌铝合金代替传统轴承合金可以缓解我国锡、铜等贵金属资源短缺的现状。但是高锌铝合金与高铝锌合金一样，尺寸稳定性低，塑性和耐蚀性能差。近年来，科研工作者为了探究高锌铝合金的强韧化机理、提高合金的性能进行了不懈的努力。本文对高锌铝合金的研究进展进行简要评述，重点阐述了合金元素与加工工艺对高锌铝合金组织和性能影响的研究进展，提出 了高锌铝合金研究中存在的问题和发展方向。合金元素及变质剂对高锌铝合金的影响 含量对高锌铝合金的影响 基合金具有优异的机械加工性能、耐磨性能、阻尼性能以及力学性能。含量大于 的 合金的熔化温度比一般压铸铝合金的熔化温度低得多，通过相图可以发现，合金的凝固温度范围很宽，表明该合金具有优异的铸造性能，。合金中的 相具有密排六方晶格结构，相具有良好的涂抹性能，因此 合金具有自润滑特性，从而 基合金一直被用于摩擦磨损材料。在高锌铝合金中，随着 含量的增加，富锌相的含量增加，合金的摩擦系数减小，耐磨性能提高。相与 相之间的界面具有良好的润湿性，这种特殊的润湿界面可以提高 合金的界面滑动能力，已有研究表明，提高相界面或晶界的滑动能力可以提高铝合金的阻尼能力。等发现，含量较高的 合金中含有更多的 相和、相界面，因此高锌铝合金具有良好的力学性能和阻尼性能。合金的硬度及强度随着 含量的增加而增加。对于 合金，固溶强化是最重要的强化机制，此外细晶强化和晶界强化也起到了关键性的作用。图 为不同 含量的高锌铝合金晶相及 图，由图 发现，随着 含量的增加，合金的晶粒尺寸减小，这是合金硬度和强度提高的原因之一。合金晶粒细化的一个重要因素是随着 含量的增加，合金的固相线温度降低，引起熔体过热。一般情况下，熔体过冷度随熔体过热度的增加而增加，这导致了成核速率的增加和晶粒尺寸的减小。同时，高锌铝合金的晶界存在由细小层片状的 相和 相组成的复杂网状结构。复杂的晶界结构可能阻碍合金的位错运动，提高合金的强度及硬度。在（）合金的研究中，含量的增加改善了合金的力学性能，但降低了合金的阻尼能力和韧性，当 含量为 时，合金的抗拉强度最大，为 ，伸长率为 。含量对高锌铝合金的影响 是高锌铝合金中主要的强化元素，在 合金中加入 元素可以形成 和 硬质相，这些硬质相起着异质形核和固溶强化的作用，可提高合金的强度。原子可以阻碍 原子在 基固溶体中的扩散，减缓合金时效失稳分解时组织的粗化。图 为 合金的扫描电镜图，三元合金的微观结构由粗大树枝状 相、连续或半连续网状组织 相、片层状 相和强化相（）组成。铜含量较低时，可提高高锌铝合金的强度、硬度、晶间腐蚀能力和高温蠕变性能。当铜含量超过 时，由于 相的分解，合金的尺寸稳定性降低，合金的强度和塑性随着铜含量的增加不断下降，这是由于硬而脆的 相能够削弱合金枝晶间的强度，增加枝晶间形成裂纹的倾向；当铜含量超过 时，相的弱化作用比固溶强化效果更明显。另外，等在密度泛函理论的基础上进行第一性原理计算，发现 可以降低铝锌合金中 相与 相之间的界面能，同时提高合金的强度和伸长率，其中图（）合金晶相图和（）合金 取向图：（，）、（，）、（，）、（，）（）（）：（，），（，），（，），（，）合金的抗拉强度为 ，比 合金高，并且伸长率由 提高到 ，此外，合金经过 固溶处理后，其抗拉强度接近。图 （、）和（、）合金扫描电镜图 （，）（，）对高锌铝合金的磨损性能也有重大的影响。图 为 合金与 青铜摩擦性能对比图。由图 可知，合金的磨损损失量明显低于 青铜，此高锌铝合金合金化和加工工艺的研究现状及发展趋势 杨东辉等 外 青铜的摩擦系数和摩擦温度也高于高锌铝合金。高锌铝合金的磨损表面有磨损和划痕等，随着 含量的增加，划痕的数量减少，这与高锌铝合金的硬度随 含量的增加密切相关。图 合金的磨损量与滑动距离的关系 对高锌铝合金的影响高锌铝合金具有优良的可铸性、流动性以及较高的力学性能和优异的磨损性能，被广泛应用于轴承、轴瓦等摩擦学元件。然而，二元 合金的力学性能较低，虽然可以改善 合金的力学性能，但是会导致铸件尺寸的稳定性降低，这些问题可以通过向高锌铝合金中添加 元素解决。四元 合金的微观组织由富铝 相、相、富铜 相和细小颗粒状的 相组成。由共晶反应形成的 相对高锌铝合金的力学性能和摩擦性能有很大的影响。图 为 合金随 含量变化的性能曲线图。当 含量较少时，硬而脆的 相细小而均匀地分布于枝晶间，导致合金的强度和硬度随着 含量的增加而增大。当合金中 含量大于 时，由共晶反应形成的细小颗粒状的 相变大并产生微观偏析，从而产生开裂倾向，导致合金强度的下降，硅含量越高，强度降低的程度越明显。与 青铜相比，含 的 基三元和四元合金具有更低的摩擦系数和更高的耐磨性，这与合金中 相的尺寸与分布密切相关，。图 合金的硬度、抗拉强度、断裂伸长率和体积损失随硅含量的变化曲线 ，变质剂对高锌铝合金的影响高锌铝合金常用的变质剂有锆、锰、钛、铒、钪等。在高锌铝合金中形成 相，该相可以作为非均质形核的质点，。加入到高锌铝合金中可以形成独立富锰硬化相（相）分布于晶界或晶界附近，少数贯穿晶粒，然而相比于富 相，富 相钉扎位错的能力较弱，其原因是富 相与 基体的相干性较低且其尺寸较大。元素 对高锌铝合金晶粒及枝晶臂间距的细化效果非常明显，可以显著提高合金的硬度、强度和伸长率，其原因是 和 相的非均匀形核细化了晶粒。当 的添加量为 时，合金的晶粒边缘出现含 相，这种相会对塑性产生不利影响，导致伸长率的降低。在 合金中加入 的，合金平均晶粒尺寸由 减小到 ，晶粒尺寸减小了近。合金在 细化剂的作用下，晶粒尺寸从 减小到，当 的添加量为 时，合金的抗拉强度由 提高到 ，伸长率从 提高到 。稀土元素对抑制 合金密度偏析和下表面缩松有积极作用。稀土元素 以块状的（，）金属间化合物的形式分布于高锌铝合金的晶界处，少数 固溶于 基体中，。稀土元素 在高锌铝合金中可以形成 相，该相与基体共格，可以阻碍原子的扩散、降低初生固相颗粒的粗化速率、提高颗粒尺寸的均匀性，在凝固过程中可以作为非均匀形核质点，细化合金的晶粒。此外，该相还可以在热变形过程中钉扎位错，抑制回复和再结晶，从而细化晶粒。加工工艺对高锌铝合金的影响高锌铝合金具有良好的成型性能和机械加工性能，不仅可以采用传统砂型、金属型铸造方法制得，而且可以采用挤压铸造、喷射成型和半固态铸造等方法制得。此外，适当的热处理工艺对高锌铝合金的组织与性能影响很大。挤压铸造是在浇铸过程中向铸型的型腔中施加持续的机械静水压力，利用凝固时的金属易流动性的特点使已经凝固的硬壳发生塑性变形，该方法可以改善金属凝固时形成的缩松缩孔等缺陷。等认为高锌铝合金在挤压过程中的动态再结晶导致晶粒细化，诱导塑性应变导致细晶强化和织构硬化。喷射成型作为一种新的材料制备和成型工艺技术具有独特优点，西方国家利用喷射成型技术已发明含锌量在 以上的高锌铝合金，该合金的抗拉强度为 ，伸长率为 。在国内，喷射成型技术在高锌铝合金中的应用也取得了进展，科研工作者制备出了含锌量高达的高强铝合金，该合金的强度为 ，伸长率，同时，通过喷射成型生产的合金的阻尼能力高于铸造合金。另一种改善合金性能的方法是施加剧烈的塑性变形。传统的变形工艺（如挤压和轧制）可以细化合金的微观组织。高锌铝合金在变形条件下，晶格内的 原子表现出不稳定性，随着变形量的增加，相析出加剧。合金经过不同程度的轧制变形后，合金的晶粒尺寸随变形程度的增加而减小，当等效应变为 时晶粒尺寸约为 ，但是轧制态的高锌铝合金的强度不符合霍尔佩奇公式，当应变为 时，合金的硬度最大，为，随着变形程度的增加，合金的硬度减小，这是由于随着变形程度的增加，位错运动到表面使得位错消失而引起加工硬化效果减材料导报，（）：小。等通道角挤压技术（）是一种通过产生高密度位错和超细晶组织来提高合金力学性能的技术。通过 处理，高锌铝合金可能产生由细小析出相和弥散相组成的第二相颗粒，这些颗粒在析出过程中遵循共格 区半共格 非共格 的固定相变顺序，其相变过程受到析出动力学和热力学的影响。棒状 析出相在 加工过程中可以破碎成细小的球形颗粒，具有良好的热稳定性，对抑制 加热过程中的晶粒长大非常有效，因此，细小析出相和弥散体的存在显著提高了变形组织的热稳定性。热处理可以消除高锌铝合金中的枝晶偏析和异常组织，从而提高铸件尺寸的稳定性。挤压铸造制备的 合金经 固溶处理后，部分 枝晶发生分解，枝晶形态得到改善，枝晶偏析减轻，相发生转变，富锰相碎化及棱角钝化，过饱和固溶体在冷却过程中弥散析出第二相，合金的力学性能得到明显强化，此时 合金的抗拉强度为 ，伸长率为。等发现，合金经过 固溶处理、水淬后，与没有经过热处理强化的铸态合金对比后发现，合金的抗拉强度出乎意料地从 增长到，伸长率从 提高到 。发展前景及展望高锌铝合金作为耐磨材料，是锡青铜良好的替代品，具有较高的硬度和强度、优异的摩擦学性能及良好的阻尼性能。我国是一个缺铜多锌的国家，国内的铜 靠进口，冶炼 锡青铜的成本约为 万元，而冶炼 铝锌合金的成本约为 万元，因此高铝锌合金的经济效益相当显著，。高锌铝合金具有优异的成型性能，不仅可以通过传统的铸造方法制得，而且可以采用压力铸造、连续铸造、壳型铸造等多种特种成型工艺制得。在加工性能方面，高锌铝合金充型性能好，缩孔倾向小。但是，高锌铝合金塑性韧性较差，尺寸稳定性低，高温时易出现软化。克服高锌铝合金自身的缺陷，扩展合金的应用范围具有现实意义。为此今后开发高锌铝合金的研究应注重以下几个方面：（）合金元素对高锌铝合金组织和性能影响的研究不够充分，应深入开展高锌铝合金基础性研究，通过微观机理研究不同元素对高锌铝合金产生影响的原因，开发高强度 合金。（）塑性差是限