均勻化退火對添加變質(zhì)劑ZA27鋅合金組織性能的影響

董哲林，周世強，韓 茜

(商洛學(xué)院，陜西 商洛 726000)

高鋁鋅基合金具有良好的綜合力學(xué)性能、優(yōu)異的鑄造工藝性能、良好的耐摩擦磨損性能、熔煉能耗低、材料成本低、對環(huán)境基本無污染等特點，廣泛用于耐磨合金以及制造汽車、電冰箱的零部件等[1]。但是，高鋁鋅基合金也存在一系列問題，如塑韌性差、尺寸穩(wěn)定性差、高溫性能差等缺點，嚴重阻礙了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展[2]。目前對ZA27鋅基合金的研究主要集中在合金化、變質(zhì)處理和熱處理方面，變質(zhì)與熱處理聯(lián)合改性的研究還較少[3-5]。因此，本文探討均勻化退火對添加變質(zhì)劑Zr后的ZA27合金顯微組織與性能的影響，為該高鋁鋅基合金的應(yīng)用拓展提供一定依據(jù)。

1 實驗材料及研究方法

實驗原材料為ZA27合金和Al-5Zr中間合金。有研究表明，鋅鋁合金中加入0.2%鋯時合金的力學(xué)性能較好，因此，試驗首先熔制ZA27-0.2Zr合金。將稱好的ZA27合金放入電阻坩堝爐中，表面添加適量覆蓋劑，加熱至680℃，待爐料全部熔化后加入稱好的Al-5Zr中間合金，靜置5min后攪拌，再將干燥后的精煉劑壓入熔體中進行精煉，靜置10min，扒渣。隨后在600℃左右進行澆注，獲得Zr含量為ZA27-0.2Zr合金。均勻化退火的溫度通暢為0.90～0.95T熔，結(jié)合Zn-Al相圖，選擇試驗的均勻化退火溫度在330℃～450℃區(qū)間之內(nèi)，因此，對ZA27-0.2Zr合金分別進行300℃、330℃、360℃、390℃、420℃、450℃保溫0h、3h、6h、9h、12h、15h的均勻化退火處理。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 鑄態(tài)ZA27合金的顯微組織

鑄態(tài)ZA27鋅合金的顯微組織如圖1。

圖1 鑄態(tài)ZA27合金的顯微組織(a)100×(b)200×

結(jié)合ZA27合金凝固時的結(jié)晶過程和圖1可知，合金鑄態(tài)組織由粗大的初生富Al的α相樹枝晶和晶間共晶組織構(gòu)成。初生α相樹枝晶發(fā)達，初生α相中存在富Zn的β'相，晶界處有白色富Cu的ε'相、枝晶間斷續(xù)的網(wǎng)狀組織為(α+ε+β)共晶組織。

2.2 變質(zhì)后合金的顯微組織

圖2為添加變質(zhì)劑Zr后ZA27鋅合金的鑄態(tài)顯微組織。

圖2 Zr變質(zhì)后ZA27合金的鑄態(tài)組織(a)100×(b)200×

由圖2可知，Zr變質(zhì)后ZA27合金的鑄態(tài)組織仍然由豐富的初生α-Al枝晶和晶間的共晶組織構(gòu)成，但是α-Al的枝晶形態(tài)發(fā)生了明顯的改變，枝晶明顯細化，枝晶間共晶組織分布更加均勻。

2.3 均勻化退火后的顯微組織

圖3為ZA27-0.2Zr合金在300℃分別保溫0h、3h、6h、9h、12h、15h的顯微組織。如圖3所示，與未熱處理的添加變質(zhì)劑合金的顯微組織相比，熱處理后組織變的較為均勻。在300℃保溫0h和3h后，組織變化并不明顯。隨著退火時間進一步延長，組織未有繼續(xù)粗化的現(xiàn)象。

圖3 ZA27-0.2Zr合金在300℃不同時間均勻化退火的顯微組織

變質(zhì)合金在330℃和360℃均勻化處理后組織變化與300℃相似，因此未列出。

上述分析可知，合金在390℃保溫0h和3h后，組織變化并不明顯。隨著退火時間延長至6h，晶界處的組織明顯變多，富Al的α相枝晶間距有明顯變小的趨勢。退火時間進一步延長，晶界處的組織進一步增多。這是由于退火處理后，均勻化過程中溶入基體的第二相析出，隨著退火時間的延長，第二相析出的更完全。

2.4 布氏硬度分析

將變質(zhì)前后及熱處理前后的合金試樣在HB-3000B布氏硬度計上進行布氏硬度測試。測量過程中，每個試樣測量3個壓痕，每個壓痕讀3次數(shù)據(jù)，再取平均值來減少誤差。

圖4 ZA27-0.2Zr變質(zhì)合金經(jīng)過熱處理后的硬度變化趨勢

鑄態(tài)的ZA27鋅合金布氏硬度為55.8HB，添加變質(zhì)劑Zr后合金的硬度為59.0HB。可見，變質(zhì)處理后合金硬度有所提高，這是由于Zr的添加使得晶核數(shù)目增多，晶粒發(fā)生了明顯細化。

ZA27-0.2Zr變質(zhì)合金經(jīng)過熱處理后的硬度變化趨勢如圖4所示。

由圖4可知，與Zr變質(zhì)后未熱處理的試樣硬度59.0HB相比，均勻化退火處理后試樣的硬度均有所降低。這是因為均勻化退火處理后，合金內(nèi)應(yīng)力降低，導(dǎo)致材料硬度下降。在不同溫度均勻化退火后，隨著退火時間的延長，合金的硬度先增大后減小，在390℃均勻化9h退火后，硬度達57.9HB。在均勻化過程中，隨著溫度的升高及時間的延長，成分偏析和組織不均勻性得以消除，合金塑性將會提高。

3 結(jié)論

（1）Zr變質(zhì)處理后，ZA27合金組織明顯細化，硬度由55.8HB提高到59.0HB，均勻化退火處理后，硬度較變質(zhì)后降低。在不同溫度均勻化退火后，隨著退火時間的延長，合金的硬度先增大后減小，在390℃均勻化9h退火后，硬度達57.9HB。

（2）ZA27-0.2Zr變質(zhì)合金均勻化退火處理時，當退火溫度一定時，隨著保溫時間延長，合金中的組織變得均勻，第二相數(shù)量增多，晶粒略有長大的趨勢。當保溫時間一定時，溫度越高，第二相數(shù)量越多，組織越早趨于均勻化，但均未達到完全均勻化。