简介概要

Zn-2Ni合金金属间化合物的细化

来源期刊:中国有色金属学报2006年第4期

论文作者:孔纲 卢锦堂 许乔瑜

文章页码:657 - 662

关键词:Zn-Ni合金; 细化; 金属间化合物

Key words:Zn-Ni alloy; refinement; intermetallic compounds

摘    要:利用金相、 扫描电镜观察及能谱分析研究了Ti、 Al及Al-RE合金作为细化剂对Zn-2Ni合金中Zn-Ni金属间化合物的细化效果。 结果表明: 在Zn-2Ni合金中加入微量(≤0.20%)的Ti、 Al及Al-RE均可对合金凝固组织中的金属间化合物粒子产生细化作用; 以Ti为细化剂时,组织中会出现较大的Zn-Ni-Ti三元板条状粒子; 以纯Al为细化剂时, 出现δ-NiZn8相依附γ-Ni2Zn5相生长的大粒子和以枝晶状NiAl相为核心较细小的δ-NiZn8相粒子共存于凝固组织中;以Al-RE为细化剂时, 将获得分布均匀且细化的γNi2Zn5相粒子,且Al-RE合金细化效果明显优于Ti和Al, 其最佳的加入浓度为0.05%~0.10%。

Abstract: The refining effects of Ti, Al and Al-RE alloy on intermetallic compounds in Zn-2Ni alloy were studied by optical microscopy, scanning electro microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS). The results show that adding a small amount of (≤0.20%)Ti, Al and Al-RE alloy into Zn-2Ni alloy can refine the intermetallic compounds particles. The big Zn-Ni-Ti plate particles occur in the alloy when using Ti as refiner. The big particles grown by δ-NiZn8 on γ-Ni2Zn5 and small δ-NiZn8 particles nucleated on the surface of NiAl phase co-exist in the solidification structures of alloy when using Al as refiner. The uniform alloy distributing and refined γ-Ni2Zn5 particles form when using Al-RE as refiner. The refining effect of Al-RE is better than pure Al and Ti in Zn-Ni master alloy, and the optimized concentration of Al-RE in the melt is 0.05%-0.10%.



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Zn-2Ni合金金属间化合物的细化

孔 纲, 卢锦堂, 许乔瑜

(华南理工大学 材料学院, 广州 510640)

摘 要: 利用金相、 扫描电镜观察及能谱分析研究了Ti、 Al及Al-RE合金作为细化剂对Zn-2Ni合金中Zn-Ni金属间化合物的细化效果。 结果表明: 在Zn-2Ni合金中加入微量(≤0.20%)的Ti、 Al及Al-RE均可对合金凝固组织中的金属间化合物粒子产生细化作用; 以Ti为细化剂时, 组织中会出现较大的Zn-Ni-Ti三元板条状粒子; 以纯Al为细化剂时, 出现δ-NiZn8相依附γ-Ni2Zn5相生长的大粒子和以枝晶状NiAl相为核心较细小的δ-NiZn8相粒子共存于凝固组织中; 以Al-RE为细化剂时, 将获得分布均匀且细化的γ-Ni2Zn5相粒子, 且Al-RE合金细化效果明显优于Ti和Al, 其最佳的加入浓度为0.05%~0.10%。

关键词: Zn-Ni合金; 细化; 金属间化合物 中图分类号: TG146.2

文献标识码: A

Refinement of intermetallic compounds of Zn-2Ni alloy

KONG Gang, LU Jin-tang, XU Qiao-yu

(School of Materials Science and Engineering,

South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract: The refining effects of Ti, Al and Al-RE alloy on intermetallic compounds in Zn-2Ni alloy were studied by optical microscopy, scanning electro microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS). The results show that adding a small amount of (≤0.20%)Ti, Al and Al-RE alloy into Zn-2Ni alloy can refine the intermetallic compounds particles. The big Zn-Ni-Ti plate particles occur in the alloy when using Ti as refiner. The big particles grown by δ-NiZn8 on γ-Ni2Zn5 and small δ-NiZn8 particles nucleated on the surface of NiAl phase co-exist in the solidification structures of alloy when using Al as refiner. The uniform alloy distributing and refined γ-Ni2Zn5 particles form when using Al-RE as refiner. The refining effect of Al-RE is better than pure Al and Ti in Zn-Ni master alloy, and the optimized concentration of Al-RE in the melt is 0.05%-0.10%.

Key words: Zn-Ni alloy; refinement; intermetallic compounds

   Zn-2Ni中间合金是实施Technigalva技术[1, 2]的主要添加材料, 其铸态组织为自由锌相基体上分布着Zn-Ni金属间化合物的δ-NiZn8相和γ-Ni2Zn5相粒子[3], 细小且均匀分布的金属间化合物相粒子组织状态将有利于Zn-Ni中间合金在热镀锌中的应用[4]。 常用细化组织的方法是降低冷却速度, 冷却速度的提高有利于Zn-Ni合金获得较小的金属间化合物相粒子且分布更均匀[5]。 另一种常用的细化组织方法为化学细化法, 即在合金熔体中加入某种变质剂(细化剂)以获取大量的有效形核核心, 达到细化晶粒的作用。 根据Zn-Ni二元相图(见图1)[6], Zn-2Ni合金从液相凝固时将经历包晶反应及共晶反应。 由包晶凝固基本原理可知, 包晶相通常依附于初生相形核长大, 故若控制了初生相的形核, 就可有效地控制凝固组织。 工业生产中通常在铝和铝合金中加入少量钛, 在铜及铜合金中加入少量铁, 在镁及镁合金中加入少量锆, 都是利用了包晶转变的特点达到细化晶粒的目的[7]。 对用于铝及铝合金的细化剂已有较多研究[8-10], 但用于Zn-Ni合金细化剂的研究国内外未见报道。 本文作者以Ti 、 Al及Al-RE为Zn-2Ni中间合金细化剂, 对合金组织中的Zn-Ni金属间化合物细化作用进行了研究。

图1 Zn-Ni合金平衡相图

Fig.1 Equilibrium phase diagram of Zn-Ni alloy

1 实验

用电解Ni(≥99.98%)、 高纯Zn(≥99.995%)、 海绵Ti(≥99.5%)、 电解Al(≥99.997%)及富Ce混合稀土为原料, 预先熔炼Zn-4Ni、 Zn-5Ti及Al-8RE合金。 将合金配料配好后放入5kg的石墨坩埚内, 置于型号为SG2-7.5-10坩埚电阻炉中加热至800℃, 保温5h。 为防止合金过度氧化, 采用熔剂覆盖合金液表面。 用水冷不锈钢模浇注成10mm×10mm×200mm的中间合金锭, 磨去表面氧化层后取样进行化学分析, 测得Zn-Ni、 Zn-Ti及Al-RE合金成分分别为Zn-3.8%Ni、 Zn-4.1%Ti及Al-6.9%RE。

每个实验铸锭总质量为200g, 先将中间合金及纯Zn铸锭的表面氧化皮磨去, 实验时先按表1合金实验配比称取适量Zn-Ni合金及纯Zn放入50mL刚玉坩埚中, 置于SG2-1.5-6型坩埚电阻炉中加热至750℃, 通氩气保护。 不加入细化剂的合金试样在炉中保温2h后随炉冷却获得合金铸锭; 对于加入Ti、 Al、 Al-RE细化剂的合金试样, 则在Zn-Ni熔体恒温1h后, 按表1称取适量的Zn-Ti、 Al或Al-RE中间合金迅速加入坩埚中, 用陶瓷罩将加入的Zn-Ti、 Al或Al-RE压入熔体中, 继续恒温1h后随炉冷却, 获得合金铸锭试样。

表1 实验合金成分

Table 1 Chemical composition of experimental alloys(maa fraction, %)

将合金铸锭试样沿轴向对半切开, 在剖面中部切取金相试样进行磨平、 抛光、 用(85mL NH3·H2O +15mL H2O2)溶液腐蚀。 用XJT02A型带刻度目镜的金相显微镜观察合金试样组织形貌并在100倍的视场中选取最大的20个金属间化合物相粒子进行尺寸测量, 取平均值来确定金属间化合物相粒子的平均尺寸。 用LEO1530VP型扫描电镜(SEM)观察合金组织中金属间化合物形貌并用OXFORD-INCA型能谱分析仪(EDS)测定其成分, 并根据Ni-Zn[6]及Ni-Al相图[11], δ-NiZn8相、 γ-Ni2Zn5相层和β-NiAl相的成分范围分别为9%~11%Ni、 14%~25%Ni和42%~69.2%Al(摩尔分数), 并确定其相组成。

2 结果及分析

2.1 Ti对Zn-2Ni合金凝固组织的影响

不加细化剂的Zn-2Ni合金凝固组织的微观形貌如图2所示。 由图2可见, 合金凝固组织中的金属间化合物相粒子多为不规则多边形, 其尺寸较大, 可达200~300μm, 并明显存在两种颜色不同的粒子。 EDS分析表明, 颜色较浅的粒子成分为9.77%Ni、 91.13%Zn(摩尔分数), 为δ-NiZn8[6]; 颜色较深的粒子成分为20.73%Ni、 79.27%Zn(摩尔分数), 为γ-Ni2Zn5[6]。 在γ相粒子上有一些δ相粒子依附于其上, 局部包裹其生长, 说明该合金在冷却速度缓慢的炉冷情况下, 包晶反应L+γ-Ni2Zn5→δ-NiZn8仍不完全。

图2 Zn-2Ni合金凝固组织的微观形貌

Fig.2 Microphology showing solidification structure of Zn-2Ni alloy

当熔体中加入小于0.1%Ti时, 合金凝固组织中的金属间化合物相粒子大小及形貌与图2相似, 没有显著变化。 加入0.1%~0.2%Ti后, 合金凝固组织中的金属间化合物相粒子形貌出现了变化。 图3所示为加入0.2%Ti的Zn-2Ni合金凝固组织的微观形貌。 结合EDS分析可知, 凝固组织中呈不规则多边形的金属间化合物相成分为15.67%Ni、 85.28%Zn(摩尔分数), 为γ-Ni2Zn5相粒子, 其尺寸明显减小, 仅50~150μm。 同时出现了新的板条状大粒子, 长度为100~300μm、 宽度为50~100μm、 厚度为5~10μm, 其成分为12.77%Ni、 5.23%Ti及80.95%Zn(摩尔分数)。 由于此含Ti粒子的形貌与原来γ-Ni2Zn5相的显著不同, 表现出新的晶体结构特点, 故应为Zn-Ni-Ti三元化合物粒子。

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