简介概要

Al-5Ti-B细化剂对ZA4-1合金微观组织和力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2013年第5期

论文作者：曹洋起华荣赵启淞王璐史庆南陶新姚

文章页码：715 - 719

关键词：锌铝合金;Al-5Ti-B细化剂;微观组织;力学性能;

摘要：用离心铸造方法制备ZA4-1合金铸件,借助扫描电镜、金相显微镜和万能试验机研究Al-5Ti-B细化剂含量对ZA4-1合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:ZA4-1合金中加入含量为0.01%⁰.04%的Al-5Ti-B细化剂能够有效细化晶粒,随着细化剂含量增加,细化效果下降。本实验中获得Al-5Ti-B细化剂最佳含量为0.02%。当Al-5Ti-B细化剂含量为0.02%时,合金组织出现等轴晶粒,延伸率提高至3%,但抗拉强度降低了28%,在拉伸实验过程中,试件几乎没有出现颈缩现象,而是直接发生脆性解理断裂。相比未加入细化剂的合金,解理面变小,解理台阶增多,出现较多的撕裂岭和裂纹,还出现了部分小的韧窝,提高了合金的塑韧性;当Al-5Ti-B细化剂含量增加到0.04%时,晶粒的大小又有增大的趋势,合金晶粒细化效果降低,抗拉强度有小幅增加,金相显微镜观察到晶界处有较多的共晶组织析出,共晶组织的出现降低了ZA4-1合金的强度,并且出现脆性相富集于晶界处,形成缺陷,使合金的塑性降低。

稀有金属 2013,37(05),715-719

Al-5Ti-B细化剂对ZA4-1合金微观组织和力学性能的影响

曹洋起华荣赵启淞王璐史庆南陶新姚

昆明理工大学材料科学与工程学院

浙江新光饰品集团

摘要：

用离心铸造方法制备ZA4-1合金铸件, 借助扫描电镜、金相显微镜和万能试验机研究Al-5Ti-B细化剂含量对ZA4-1合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:ZA4-1合金中加入含量为0.01%⁰.04%的Al-5Ti-B细化剂能够有效细化晶粒, 随着细化剂含量增加, 细化效果下降。本实验中获得Al-5Ti-B细化剂最佳含量为0.02%。当Al-5Ti-B细化剂含量为0.02%时, 合金组织出现等轴晶粒, 延伸率提高至3%, 但抗拉强度降低了28%, 在拉伸实验过程中, 试件几乎没有出现颈缩现象, 而是直接发生脆性解理断裂。相比未加入细化剂的合金, 解理面变小, 解理台阶增多, 出现较多的撕裂岭和裂纹, 还出现了部分小的韧窝, 提高了合金的塑韧性;当Al-5Ti-B细化剂含量增加到0.04%时, 晶粒的大小又有增大的趋势, 合金晶粒细化效果降低, 抗拉强度有小幅增加, 金相显微镜观察到晶界处有较多的共晶组织析出, 共晶组织的出现降低了ZA4-1合金的强度, 并且出现脆性相富集于晶界处, 形成缺陷, 使合金的塑性降低。

关键词：

锌铝合金;Al-5Ti-B细化剂;微观组织;力学性能;

中图分类号： TG292

作者简介：曹洋 (1986-) , 男, 山东泰安人, 硕士研究生;研究方向:铝合金的大塑性变形;史庆南, E-mail:shikust@163.vip.com;

收稿日期：2013-04-16

基金：国家自然科学基金 (6192-20100022) 资助项目;

Effects of Different Content Al-5Ti-B Refiner on Microstructure and Mechanical Properties of ZA4-1 Alloy

Cao Yang Qi Huarong Zhao Qisong Wang Lu Shi Qingnan Tao Xinyao

Faculty of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology

Zhejiang Neoglory Jewelry Group

Abstract：

ZA4-1 alloys were prepared by centrifugal casting. Effects of Al-5Ti-B refiner content on microstructure and mechanical properties of ZA4-1 alloy were investigated by scanning electron microscopy ( SEM) , metallographic microscope and universal testing machine. The results showed that grain size of the ZA4-1 alloy could decrease significantly by adding 0. 01%~ 0. 04% Al-5Ti-B refiner into ZA4-1alloy. With the increase of Al-5Ti-B refiner amount, the grain refining effect declined. When the Al-5Ti-B refiner optimal content was 0. 02%, the refinement effect was the best, the elongation improved to 3% and equiaxed grain was found, while the strength of extension was reduced by 28%. In the stretch process, almost no necking phenomenon existed in the test specimen but brittle cleavage fracture happened directly. Compared with alloy without the refiner, the cleavage plane was smaller, cleavage steps increased, more tearing ridges, crack and some small dimple appeared so as to enhance alloy ductility and toughness. When the Al-5Ti-B refiner content further increased to 0. 04%, the grain size had a tendency to increase, the alloy grain refinement effects and the increase of extension strength were not obvious. The eutectic structure was separated out in the grain boundary, the eutectic structure appeared to reduce the strength of alloy ZA4-1, and brittle phase enrichment occurred at grain boundaries and formed defects, which led to reduce the tensile strength of the alloy.

Keyword：

Zn-Al alloy; Al-5Ti-B refiner; microstructure; mechanical properties;

Received： 2013-04-16

锌铝系合金具有密度较低、熔点低、成本低廉、易于成型等特点, 在流行饰品制造中具有广阔的应用前景, 但由于锌铝合金铸态塑性差, 不能满足饰品铸件整形及后续工艺的要求, 使其应用受到极大限制, 因此探索如何提高锌铝合金的铸态塑韧性显得尤为重要。

晶粒尺寸和形态是决定铸件性能的重要因素, 均匀细小的等轴晶组织能够使材料具有良好的力学性能。根据Hall-Petch关系σ=σ₀+kd^-1/2;式中σ为金属的屈服强度, σ₀和k为常数, d为晶粒平均尺寸, 在一定的晶粒尺寸范围内, d越小材料强度越高^[1], 同时, 材料性能学指出, 细化处理可以提高合金的塑性, 改善材料的力学性能。大塑性变形或粉末冶金、以及加入细化剂都可以细化晶粒, 而铝钛硼中间合金或铝硼合金都是非常有效的晶粒细化剂, 通过加入铝钛硼细化剂来改变晶粒的大小和形态提高合金铸件塑韧性^[2,3,4,5,6], 改善合金铸件质量, 在Zn合金和Al合金中都有应用^[7,8,9,10]。本文研究在硅橡胶做模具离心铸造条件下, Al-5Ti-B中间合金对ZA4-1合金微观组织和力学性能的影响。

1 实验

1.1 试样制备及试验方法

采用0号锌锭、00号纯铝、1号电解铜、1号工业纯镁、Al-5Ti-B中间合金。中间合金配比M1, M2, M3, M4及参照对比实验M0。为操作方便, 铜、镁均以中间合金形式加入, 中间合金成分为Zn-20Cu和Zn-2Mg, Mg的烧损率设为20%。文中Al-5Ti-B以B质量分数计, 即加入量分别记为0%B, 0.01%B, 0.02%B, 0.03%B, 0.04%B, 实验中设计添加了0%B对比试验, 实验合金的成分见表1所示。

将石墨坩埚在SXL-1200型箱式实验电炉中加热至暗红色, 加入铝锭、锌锭、锌铜和锌镁中间合金, 升温至720℃, 等金属完全融化后加入Al-5TiB细化剂。为保证实验与工业生产一致, 当所有金属融化后, 将合金液倒入提前准备好的保温料槽中, 在420℃静置保温10 min, 搅拌、精炼、扒渣, 在硅橡胶模具中采用离心铸造的方式铸造出拉伸试样棒和金相试样 (试样根据国家标准GB/T 228-2002制备) , 离心铸造机转速为700 r·min^-1。

表1 实验合金成分表 (%, 质量分数) Table 1 Al-5Ti-B alloy compositions (%, mass fraction) 下载原图

表1 实验合金成分表 (%, 质量分数) Table 1 Al-5Ti-B alloy compositions (%, mass fraction)

1.2 显微组织观察和力学性能测试

金相显微分析在MLT-40C金相显微镜上观察, 在岛津AGS-J型拉伸试验机进行力学性能测试, 测试合金的抗拉强度、应力和应变等力学性能, 拉伸速度为1 mm·min^-1。在Philips XL30ESEM-TMP扫描电镜上对断口试样进行扫描观察, 加速电压25 k V。

2 结果与讨论

2.1 Al-5Ti-B细化剂含量对ZA4-1合金金相组织的影响

从图1可以看出, Al-5Ti-B的加入出现3个现象: (1) 晶粒细化; (2) 晶界处出现共晶组织; (3) 晶粒内出现异质颗粒。具体演变过程如图1所示。图1 (a) 为未加入Al-5Ti-B细化剂的ZA4-1金相组织照片, 晶粒相对粗大, 在凝固过程中, 随温度的降低, η-Zn相首先形核析出, 温度逐步降低, 剩余液体在晶界处凝固, 形成明显的晶界。由于Cu和Zn形成ε相, 促进η相形核, 消耗较多的Al, 抑制了剩余的熔体中Zn-Al共晶组织的形成, 因而看不到的共晶成分;图1 (b) 中加入了0.01%Al-5TiB, 从图中可以看到η-Zn相有所细化, 并且出现了少量的共晶组织, 这是由于细化剂中的Ti Al₃相和Ti B₂相, 影响了η-Zn相的形核和长大过程, 其中Ti B₂相起到异质晶核作用^[11], 锌铝合金在浇铸凝固时以Ti B₂相为形核中心, 生长η-Zn相, 晶粒形成等轴晶粒, 而Ti Al₃相在固液界面前富集, 成为ZnAl共晶组中中Al相对晶核, 诱发共晶反应, 使得晶界处有少量共晶组织析出;图1 (c) 所示, 当Al-5Ti-B的含量增加到0.02%时, 共晶相增加, 晶粒大小变化不明显;这是由于Ti B₂的异质形核作用同时受到熔体过冷度和温度梯度的限制, 不能进一步促进η-Zn晶核的增加, 所以晶粒大小变化不明显, 同时由于Ti Al₃相增加, 使晶界上的共晶反组织增多, 未能成为晶核的Ti B₂成为异质颗粒, 镶嵌于η-Zn晶粒中形成夹杂;图1 (d) 细化剂量继续增加, 晶粒少许变大, 共晶组织进一步增加, Ti B₂是坚硬的颗粒, 它的熔点为2980℃, 在450℃左右很难氧化, 在ZA4-1熔体中Ti B₂以颗粒状存在不会分解, Ti Al₃颗粒的分解温度是808~1065℃, 在ZA4-1熔体中与Al有良好的共格性, 从而使Ti Al₃原子颗粒成为固液界面前沿熔体中共晶Al的形核中心^[12,13], 促进共晶反应的发生;但随着Al-5Ti-B细化剂的含量增加, 在熔体中Ti B₂发生偏聚 (Ti Al₃密度为3.37 g·cm^-3, Ti B₂密度为4.50 g·cm^-3) , 形核中心减少, 不能进一步细化晶粒, 反而在晶粒内不出现异质颗粒夹杂缺陷, 如图1 (d, e) 。同时, 由于细化剂颗粒增加, 阻碍了原子扩散路径, 使得η-Zn中含Al量降低, 而固液界面前沿大量Ti Al₃相的存在又为Zn-Al共晶反应中的Al相析出提供了晶核, 所以共晶组织进一步增加^[14], 使合金晶粒没有进一步细化, 共晶组织增多。

图1 Al-5Ti-B含量对ZA4-1合金金相组织的影响Fig.1 Metallographic structure of ZA4-1with different Al-5Ti-B content

(a) 0%; (b) 0.01%; (c) 0.02%; (d) 0.03%; (e) 0.04%

2.2 Al-5Ti-B细化剂含量对ZA4-1合金力学性能的影响

图2表示不同细化剂含量对ZA4-1合金延伸率和抗拉强度的影响。从图2中看到未加入Al-5Ti-B细化剂时, 延伸率只有1.2%, 抗拉强度有250 MPa。而加入0.01%Al-5Ti-B细化剂后延伸率上升至2.5%, 但是抗拉强度却急剧下降至175MPa, 这是由于晶界处共晶组织的形成降低了材料的强度, 适量细化剂使晶粒变小, 晶界变宽, 晶界处错排加剧, 降低强度。当加入细化剂0.02%时延伸率达到实验中最大值, 抗拉强度进一步降低;随着细化剂的含量增加, 延伸率下降, 抗拉强度变化较小, 远低于没有加入细化剂的ZA4-1合金。加入细化剂后ZA4-1合金的抗拉强度下降了近28%, 延伸率从1.2%上升至2.5%, 增加近150%, Al-5TiB细化剂能够显著细化晶粒, 对合金力学性能影响较大。加入细化剂, 晶粒变小, 使材料在变形过程中的晶粒倾转作用增加, 材料延伸率有一定的增加, 但是, 细化剂的加入促进晶界处的共晶组织生成, 晶界处原子错排加剧, 使材料抗拉强度降低。此外有研究表明^[15], 全片层多晶材料的屈服强度与片层间距密切关系, 而与晶粒尺寸无关。

图2 Al-5Ti-B对ZA4-1合金力学性能的影响Fig.2 Effect of Al-5Ti-B content on mechanics properties of ZA4-1 alloy

(a) Elongation; (b) Stress

2.3 不同Al-5Ti-B细化剂含量ZA4-1合金的断口形貌

图3为不同Al-5Ti-B含量的ZA4-1合金断口形貌。图3 (a) 为未加入细化剂的ZA4-1合金断口相貌, 从图中可以看出未加入细化剂的ZA4-1合金晶粒粗大, 断口形式为解理断裂, 解理面上河流花样明显, 断裂面呈平整或倾斜状, 在晶界处能够看到滑移痕迹和部分浅韧窝。在ZA4-1合金中加入0.01%的Al-5Ti-B细化剂后, 如图3 (b) 所示, 晶粒明显得到细化, 断裂面高低不平, 断裂时晶粒并未沿平行的解理台阶断裂, 而是相邻晶粒的非平行解理面发生了开裂, 在应力作用下裂纹富集后发生断裂, 形成次生解理台阶, 这也是合金塑性有微小提高而强度却降低的一个原因。当细化剂加入量更高时如图3 (c) 所示, Al-5Ti-B的含量为0.02%, 合金晶粒最为细小, 断裂形式为穿晶解理断裂, 解理断裂面或平行或相交, 形成大量的解理台阶, 晶粒之间出现了裂纹和撕裂岭, 凹凸不平。随着细化剂含量的进一步升高, 穿晶断裂面有所减小, 撕裂岭有所增加, 相比未加入细化剂的合金晶界处的共晶组织更容易撕裂, 使得材料抗拉强度降低很大, 如图3 (d, e) 。