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参考文献

摘要
1 实验▲
2 结果与讨论▲
3 结论▲
参考文献
图▲

图1 垂直离心铸造装置 Fig.1 Schematic diagram of vertical centrifugal casting apparatus 1—Thermocouple; 2—Pouring cup;3—Heating furnace; 4—Metal mould; 5—Temperature controller; 6—Motor; 7—Inverter

图2 (Mg2Si+Si)/Zn基复合材料的组织 Fig.2 Microstructures of (Mg2Si+Si)/Zn matrix composite(tm=200 ℃, n=1 000 r/min) (a)—Inner layer; (b)—Transitional layer; (c)—Middle layer; (d)—Outer layer

图3 (Mg2Si+Si)/Zn基复合材料的X射线衍射谱 Fig.3 XRD patterns of (Mg2Si+Si)/ZA27 matrix composites (a)—Inner layer; (b)—Outer layer

图4 (Mg2Si+Si)/Zn基复合材料的扫描形貌 Fig.4 SEM photographs of (Mg2Si+si)/Zn matrix composite (a)—Inner layer; (b), (c)—Outer layer

图5 (Mg2Si+Si)/Zn基复合材料的能谱分析 Fig.5 EDAX spectrum of (Mg2Si+Si)/Zn matrix composite (a), (b), (c)—Inner layer; (d)—Outer layer

图6 Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si合金的热分析曲线 Fig.6 DTA curves of Zn-2.7Al-6.3Mg-3.7Si alloy

图7 Zn-Al-3%Mg合金相图的垂直截面图 Fig.7 Vertical projection of Zn-Al-3%Mg alloy phase diagram

图8 复合材料的形成过程 Fig.8 Forming process of composite

图9 复合材料的硬度分布 Fig.9 Hardness distribution of composite

图10 复合材料的耐磨性 Fig.10 Wearability of composite

中国有色金属学报

中国有色金属学报 2003,(06),1441-1446 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.06.022

离心铸造Mg₂Si和Si自生增强的锌基合金复合材料

王渠东尉胤红陈文周朱燕萍翟春泉马春江丁文江

上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200030 ,上海200030 ,上海200030 ,上海200030 ,上海200030 ,上海200030 ,上海200030

摘要：

采用热模金属型工艺 ,离心铸造自生增强的Zn 2 7Al 6 .3Mg 3.7Si合金复合材料。研究结果表明 :该合金内层聚集大量块状初生Mg2 Si、少量块状初生Si,中层不含初生Mg2 Si和初生Si,外层含少量初生Mg2 Si和初生Si;Zn 2 7Al 6 .3Mg 3.7Si合金在凝固过程中 ,先后经历了初生Si和初生Mg2 Si的析出、富Al的固溶Zn相析出、Mg Zn化合物的析出 ,以及发生三元或四元共晶反应 ;初生Mg2 Si和初生Si的位置、数量和分布决定于其内浮速度和离心力场作用下的凝固速度 ;含有初生Mg2 Si和初生Si的内层和外层比中层具有更高的硬度和耐磨性。

关键词：

离心铸造;Zn-27Al-Mg-Si合金;自生复合材料;Mg2Si;Si;

中图分类号： TB331

作者简介：王渠东(1964),男,教授,博士;电话:02162933139;Email:wangqudong@sjtu.edu.cn;

收稿日期：2002-12-24

基金：国家自然科学基金资助项目 (5 990 10 0 7);高等学校重点实验室访问学者基金资助项目;

In-situ (Mg₂Si+Si)/Zn matrix composite fabricated by centrifugal casting

Abstract：

In-situ composite of Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si alloy was fabricated by centrifugal casting using the heated permanent mold. This kind of composite is consisted of three layers, inner layer segregates lots of blocky primary Mg₂Si and a little blocky primary Si, middle layer contains no primary Mg₂Si and primary Si, outer layer contains a little. Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si alloy solidifies according to following steps: firstly, the precipitation of primary Si and primary Mg₂Si, secondly, the precipitation of Zn-phase enriched by Al, thirdly, the precipitation of Mg-Zn compound, and lastly, the occurrence of ternary or quaternary eutectic reaction. The position, quantity and distribution of primary Mg₂Si and primary Si are determined by solidification velocity under the effect of centrifugal force and their floating velocity inward. The inner and outer layer contained primary Mg₂Si and primary Si exhibit much higher hardness and wear resistance than the middle layer.

Keyword：

centrifugal casting; Zn-27Al-Mg-Si alloy; in-situ composites; Mg₂Si; Si;

Received： 2002-12-24

离心铸造自生复合材料克服了人工复合材料的界面问题, 具有增强相与基体之间界面洁净、复合材料性能良好、制备工艺简单、工艺参数易于控制、设备投资小、适于大规模工业生产等特点, 因此引起了广泛的重视 ^[1] 。通过离心铸造初生增强相为Al₃Fe、 Al₇Cr、 Al₃Ni等的铝合金, 可获得初生增强相为外沉型的自生复合材料 ^[2,3,4,5] 。然而, 对管套类零件而言, 常常要求内层具有耐磨性等特殊性能, 或者要求内、外层都具有特殊性能, 因此, 制备初生增强相为内浮型的自生复合材料具有重要意义。

Zn-Al合金具有良好的减摩性和耐磨性, 已经成功地取代一些铜合金用于制造耐磨零件, 但是, 其在高速重载下的耐磨性还有待提高 ^[6] 。 Mg₂Si具有密度低、熔点高、硬度高、热膨胀系数低和适当的弹性模量等特性, 可作为金属基复合材料的增强相 ^[7] 。 Mabuchi等 ^[8,9] 制备了Mg₂Si自生复合的铝基和镁基复合材料, 并通过变质处理、热挤压、快速凝固、机械合金化等多种途径, 改善了复合材料的组织, 提高了其性能 ^[10,11,12] 。本文作者离心铸造了Zn-Al-Si合金, 获得了内层含有大量初晶Si、外层含有少量初晶Si、中层为细小共晶组织的表面复合材料 ^[13] 。并利用Si的优异特性, 离心铸造过共晶Al-Si合金, 研究了过共晶Al-Si合金自生复合材料 ^[14,15] 。最近, Zhang等 ^[16] 制备了组织中同时含有Mg₂Si和Si的自生Y复合材料。本研究采用热模金属型工艺, 离心铸造Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si合金, 使初生Mg₂Si和初生Si向内偏聚, 制备出了初生Mg₂Si和初生Si富集于内层和外层的自生复合材料。

1 实验

用工业纯锌、纯铝、纯镁和纯硅配制合金, 合金名义成分(质量分数, %)为: Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si。合金在电阻炉内熔炼, 离心铸造装置如图1所示。金属模和流槽涂刷涂料后烘干, 浇注前金属模预热温度为200 ℃, 金属模转速1 000 r/min, 合金液浇注温度700 ℃, 浇注后加热炉立即断电, 铸件在加热炉内随炉冷却后获得管状铸件, 管件尺寸为外径88 mm、内径64 mm、长度100 mm。

用光学显微镜观察管件横截面的金相组织, 用HV-50型低载荷维氏硬度计测试管壁横截面沿径向的硬度分布, 所用载荷为50 N。耐磨实验在MPX-2000型销盘式摩擦磨损试验机上进行, 测试干滑动摩擦条件下管件外层、中层和内层的磨损量, 销形试样的直径为6 mm, 对磨盘为45钢, 硬度为HB177。滑动速度为0.3 m/s, 垂直载荷为50 N, 摩擦时间为30 min, 试样在磨损前后在酒精中采用超声波清洗并烘干, 用精度为0.1 mg的光电分析天平称量。

图1 垂直离心铸造装置 Fig.1 Schematic diagram of vertical centrifugal casting apparatus 1—Thermocouple; 2—Pouring cup;3—Heating furnace; 4—Metal mould; 5—Temperature controller; 6—Motor; 7—Inverter

2 结果与讨论

2.1 复合材料的显微组织

图2所示为(Mg₂Si+Si)/锌基复合材料的金相组织。由图2知: 复合材料的内层(见图2(a))偏聚了大量的初生Mg₂Si(深灰色块状相), 其平均尺寸为30~50 μm, 同时, 有少量块状初生Si(浅灰色块状相)存在, 其平均尺寸为20~40 μm, 内层的厚度约为5 mm。复合材料过渡层(见图2(b))的组织由含有大量块状初生Mg₂Si和初生Si的内层过渡到含细小Mg₂Si和细小Si的中层。中层(见图2(c))的Mg₂Si和Si呈细条状或点状, 表现出共晶组织特征。外层(见图2(d))厚度约为0.3 mm, 含有少量小块状初生Mg₂Si和初生Si, Mg₂Si相互连在一起呈长串状分布, 外层初生Mg₂Si和初生Si的尺寸分别较内层初生Mg₂Si和初生Si的尺寸细小、数量更少、分布也不均匀。

2.2 物相分析

图3所示为复合材料外层和内层的X射线衍射物相分析结果。由图3可见, 复合材料的外层和内层都含有Zn、 Al、 Mg₂Si、 Si、 MgZn₂。

通过SEM(见图4)和EDAX(见图5)进一步确定了复合材料中各物相的成份, 图5(a)所示为图4(a)中深灰色块状相的能谱图, 由测试结果可以判定其为Mg₂Si。图5(b)所示为图4(a)中浅灰色块状相的能谱图, 可以判定其为初生Si。图5(c)所示为图4(a)中白亮条状相的能谱分析结果, Zn和Mg

图2 (Mg2Si+Si)/Zn基复合材料的组织 Fig.2 Microstructures of (Mg2Si+Si)/Zn matrix composite(tm=200 ℃, n=1 000 r/min) (a)—Inner layer; (b)—Transitional layer; (c)—Middle layer; (d)—Outer layer

图3 (Mg2Si+Si)/Zn基复合材料的X射线衍射谱 Fig.3 XRD patterns of (Mg2Si+Si)/ZA27 matrix composites (a)—Inner layer; (b)—Outer layer

图4 (Mg2Si+Si)/Zn基复合材料的扫描形貌 Fig.4 SEM photographs of (Mg2Si+si)/Zn matrix composite (a)—Inner layer; (b), (c)—Outer layer

图5 (Mg2Si+Si)/Zn基复合材料的能谱分析 Fig.5 EDAX spectrum of (Mg2Si+Si)/Zn matrix composite (a), (b), (c)—Inner layer; (d)—Outer layer

的摩尔比为2, 可以判定其为MgZn₂相, 经测定图4(b)中外层的白亮条状相也为MgZn₂, 而深灰色的条状相为Mg₂Si。外层(见图4(c))浅灰色杆状相的能谱分析(见图5(d))表明该相为Si。

2.3 复合材料的形成过程

有关Zn-Al-Mg-Si合金的凝固过程研究目前还未见报道。根据Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si合金的DTA曲线(见图6), 利用现有的三元相图(Zn-Al-Si和Zn-Al-Mg) ^[17] 、二元相图(Zn-Al和Zn-Mg), 结合物相分析结果, 分析了Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si合金的凝固过程, 以及离心铸造(Mg₂Si+Si)/锌基合金复合材料的形成过程。

图6 Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si合金的热分析曲线 Fig.6 DTA curves of Zn-2.7Al-6.3Mg-3.7Si alloy

从图2可见, (Mg₂Si+Si)/锌基合金复合材料含有块状Mg₂Si和块状Si。由Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si合金的DTA曲线可以推测: Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si合金凝固初期将发生反应L→L+Mg₂Si和L→L+Si, 图6中648.87, 568.51 ℃的放热峰对应初生Si和初生Mg₂Si的析出。根据Zn-Al-Mg三元相图(见图7) ^[17] 可知: 对于本实验的Zn-27Al-6.3Mg-2.7Si合金, 当温度在400~500 ℃, 将发生反应L→L+α(Al)。这在图6中的444.67 ℃放热峰得到了反映。随温度的下降, 将有Mg-Zn化合物析出(见图3, 4, 5), 对应DTA曲线中359.09 ℃的放热峰。此后, 未凝固合金液中的Mg含量急剧降低, 再根据Zn-Al-Si三元相图 ^[18] 可知: 当w(Si)=0.06%, w(Zn)=87%, 383 ℃时将发生三元共晶反应L→α(Al)+Zn+Si。由此可以推测: 在Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si四元合金的凝固后期可能发生三元(或四元)共晶反应L→α(Al)+Zn+(Si)+(Mg₂Si), 这对应DTA曲线中325.95 ℃的放热峰。

图7 Zn-Al-3%Mg合金相图的垂直截面图 Fig.7 Vertical projection of Zn-Al-3%Mg alloy phase diagram

图8所示为离心力场作用下(Mg₂Si+Si)/锌基合金自生复合材料的形成过程。当金属液浇入管模后, 由于受到金属管模的激冷作用, 复合材料的外壁首先凝固, 析出少量初生Mg₂Si和初生Si, 这2种初生相的密度都远小于合金液的密度。在最外层, 由于Mg₂Si和Si的内浮速度(V_Si, V_Mg₂Si)小于凝固速度(R_s), 结果少量初生Mg₂Si和初生Si被俘获而滞留于外层。由于外层的凝固速度较快, 初生Mg₂Si和初生Si来不及长大, 因而尺寸较小。随合金液温度的降低, 合金液中不断有Mg₂Si和Si析出, 并在离心力的作用下向内层运动, 合金液凝固层由外向内推进。另一方面, 由于管模内空气的冷却作用, 复合材料的内层也开始以较慢的速度凝固, 由于内层块状初生Mg₂Si和初生Si的内浮方向与凝固方向相反, 结果大量初生Mg₂Si和初生Si存留于内层, 合金液凝固层由内向外推进。随凝固

图8 复合材料的形成过程 Fig.8 Forming process of composite

的进行, 合金液中Mg和Si含量降低。当中层凝固时, 中间层合金液可能仍然为过共晶成分, 也会首先析出初生Mg₂Si和初生Si, 并向内壁浮动, 中层合金液也可能变为了共晶成分, 于是发生共晶反应、形成共晶组织。另一方面, 对外层、内层、中层的合金液, 最后都将变为共晶成分, 从而得到相应的共晶组织。上述分析说明: 复合材料中初生Mg₂Si和初生Si位置、数量和分布由离心力场作用下的凝固速度和初生Mg₂Si和初生Si的内浮速度决定。

2.4 复合材料的硬度和耐磨性

复合材料维氏硬度沿径向的分布(见图9)表明: 内层硬度最高, 从某一位置开始向外, 硬度降低, 中层硬度最低, 外层硬度又略有升高。对比复合材料的组织可知: 内层偏聚了大量块状Mg₂Si和块状Si, 而Mg₂Si和Si的硬度远高于基体的硬度, 从而导致了内层的高硬度。复合材料的中层不含初生Mg₂Si和初生Si, 其硬度最低, 复合材料的最外层含有少量分布不均匀的初生Mg₂Si, 其硬度略高于中层。由此可见, 随初生Mg₂Si和初生Si含量增加, 复合材料的硬度增加。

图9 复合材料的硬度分布 Fig.9 Hardness distribution of composite

复合材料的磨损实验结果(见图10)表明: 不含块状初生Mg₂Si和初生Si的中层耐磨性最差; 含有大量块状初生Mg₂Si和初生Si的内层耐磨性最好; 含有少量不均匀分布初生Mg₂Si和初生Si的外层耐磨性介于内层和中层的耐磨性之间。由此可见, 复合材料的耐磨性决定于初生Mg₂Si和初生Si的数量、形态和分布。

图10 复合材料的耐磨性 Fig.10 Wearability of composite

3 结论

1) 离心铸造了Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si合金, 制备出内层聚集了大量块状初生Mg₂Si、少量块状初生Si, 中层不含初生Mg₂Si和初生Si, 外层含少量初生Mg₂Si和初生Si的自生复合材料。

2) Zn-27Al-6.3Mg-3.7Si合金凝固过程中, 在648.87 ℃、 568.51 ℃分别析出初生Si和初生Mg₂Si, 在444.67 ℃析出富Al的Zn相, 在359.09 ℃析出Mg-Zn化合物, 在325.95 ℃发生三元或四元共晶反应L→α(Al)+Zn+(Si)+(Mg₂Si)。

3) 初生Mg₂Si和初生Si的位置、数量和分布由离心力场作用下的凝固速度和初生Mg₂Si和初生Si的内浮速度决定。而复合材料的硬度决定于初生Mg₂Si和初生Si的数量。随初生Mg₂Si和初生Si含量增加, 复合材料的硬度增加。

4) 复合材料的耐磨性决定于初生Mg₂Si和初生Si的数量、形态和分布。复合材料的耐磨性按中层、外层、内层的顺序增加。