简介概要

B+Ti+Ce复合变质对ZA27合金组织与性能的影响

来源期刊：中国有色金属学报2002年第z1期

论文作者：赵品沈焕祥

文章页码：232 - 235

关键词：B+Ti+Ce复合变质； ZA27合金；力学性能

Key words：B+Ti+Ce compound modification； ZA27 alloy； mechanical property

摘要：采用正交试验设计方法研究了B+Ti+Ce复合变质对ZA27合金组织与性能的影响。正交试验结果表明 :复合变质时 ,B ,Ti和Ce的加入量分别为 0.006% ,0.012%和 0.06%时 ,变质效果最佳 ,可使合金中的α相由未变质的粗大树枝状变为细小花瓣状。变质后合金抗拉强度为560MPa ,比未变质的提高19% ;延伸率为14% ,比未变质的提高 2.5倍。方差分析表明 :影响复合变质效果的因素由强到弱的顺序为B加入量、Ti加入量和Ce加入量 ,其中B加入量影响显著 ,Ti加入量影响较小 ,Ce加入量是不显著因素。

Abstract: The effect of B+Ti+Ce compound modification on the microstructures and mechanical properties of ZA27 alloy was studied by the method of orthogonal test. The orthogonal test shows that the best modification result appears when the dosages of B, Ti and Ce are 0.006%, 0.012% and 0.06%, respectively. The microstructure of α phase will change from bough like shape to patty petal like shape. The tensile strength can be raised by 19% to 560MPa and the elongation by 250% to 14%. Variance analysis shows: the amount of B has a remarkable effect; the amount of Ti has a less remarkable effect; while the amount of Ce has no effect.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.s1.051

B+Ti+Ce复合变质对ZA27合金组织与性能的影响

赵品沈焕祥

燕山大学材料科学与工程学院

燕山大学材料科学与工程学院秦皇岛066004

摘要：

采用正交试验设计方法研究了B +Ti+Ce复合变质对ZA2 7合金组织与性能的影响。正交试验结果表明 :复合变质时 , B , Ti和Ce的加入量分别为 0 .0 0 6 % , 0 .0 12 %和 0 .0 6 %时 , 变质效果最佳 , 可使合金中的α相由未变质的粗大树枝状变为细小花瓣状。变质后合金抗拉强度为 5 6 0MPa , 比未变质的提高 19% ;延伸率为14% , 比未变质的提高 2 .5倍。方差分析表明 :影响复合变质效果的因素由强到弱的顺序为B加入量、Ti加入量和Ce加入量 , 其中B加入量影响显著 , Ti加入量影响较小 , Ce加入量是不显著因素。

关键词：

B+Ti+Ce复合变质;ZA27合金;力学性能;

中图分类号： TG135

收稿日期：2001-12-28

基金：河北省自然科学基金资助项目 ( 5 992 36 );

Effect of B+Ti+Ce compound modification on microstructures and properties of ZA27 alloy

Abstract：

The effect of B+Ti+Ce compound modification on the microstructures and mechanical properties of ZA27 alloy was studied by the method of orthogonal test. The orthogonal test shows that the best modification result appears when the dosages of B, Ti and Ce are 0.006%, 0.012% and 0.06%, respectively. The microstructure of α phase will change from bough like shape to patty petal like shape. The tensile strength can be raised by 19% to 560MPa and the elongation by 250% to 14%. Variance analysis shows: the amount of B has a remarkable effect; the amount of Ti has a less remarkable effect; while the amount of Ce has no effect.

Keyword：

B+Ti+Ce compound modification; ZA27 alloy; mechanical property;

Received： 2001-12-28

ZA27是近年发展起来的一种性能优异的具有超塑性的锌合金, 其强度较高, 并具有优良耐磨性, 正在逐步取代铸铁、青铜和黄铜 ^[1,2,3,4] 。但其塑性指标低, 使其作为结构材料应用受到限制, 为此人们把目光集中在微量元素对ZA27合金的变质处理上 ^{[5,6,7,8,9,10]} , 其中B, Ti或Ce变质均能有效细化α相。 B和Ti多以硼盐、钛盐、硼钛复合盐形式加入, 也有以Al-Ti-B中间合金形式加入 ^[6] , 均获得了较理想的变质效果。文献 [ 6, 7] 中用稀土变质时, 同样获得良好的变质效果。本文作者考虑到B, Ti变质与Ce变质细化α相机理不同, 同时加入有可能获得更佳效果。考虑到变质所加各元素以中间合金加入时, 操作方便, 实收率易控制, 故B, Ti和Ce均以中间合金形式加入。

1 实验

采用井式电阻炉, 用石墨坩埚熔炼ZA27合金。所用原料为99.9%的Zn, 99.6%的L2, 含50%Cu的Al-Cu中间合金和99.85%的纯镁。熔炼合金的成分见表1。熔铸工艺: 700 ℃熔化Al及Al-Cu合金, 熔化后加入Zn, 全部熔化后加入Mg及变质剂, 孕育20 min, 加入ZnCl₂除气, 10 min后浇铸。变质剂Ti和B以Al-Ti和Al-B中间合金形式加入, Ce以纯度为75%的混合稀土加入。其中Al-Ti合金含5%Ti, 由高温饱和熔体急冷获得; Al-B合金含5.5%B, 是由纯铝液还原硼砂而获得。铸模用预热400 ℃的d5 mm×25 mm标准拉伸试样钢模。拉伸实验在10 t液压拉伸试验机上进行, 所得实验数据为5次实验结果的算术平均值。

表1 ZA27合金化学成分

Table 1 Chemical composition of ZA27 alloy (mass fraction, %)

Al	Cu	Mg	Fe	Zn
27.0	2.7	0.02	<0.1	Bal.

影响变质效果的因素有变质剂成分、变质孕育时间、冷却速度和熔铸工艺等。在前期工作基础上, 本研究中固定了熔铸工艺, 将变质孕育时间定为20 min, 主要考察Ti, B和Ce加入量对变质效果的影响。选Ti, B和Ce加入量为3个因素, 按L₉ (3⁴) 正交表安排实验。考察延伸率、抗拉强度两个力学性能指标, 采用综合评分法决定工艺优劣。综合评分Y_i=b_i1Y_i1+b_i2Y_i2, 其中塑性指标占70%, 强度占30% 。 Y_i1=δ₅×100, Y_i2=σ_b-470, b_i1=70/ (13.5-2.1) =6.14, b_i2=30/ (95-13) =0.37, 由K_1j, K_2j和K_3j算出Q_j和S_j, 见表2。

2 结果与分析

铸态组织的金相照片见图1。未变质试样组织为粗大的树枝状先共晶α+三元共晶, 见图1 (a) 。 B和Ti的加入增加了非均匀形核的核心, 使α晶

表2 实验方案、结果及计算

Table 2 Experimental program, result and calculation

Numeral order	Experimental program					Experimental result
Numeral order	A [w (Ti) /%]	B [w (B) /%]	C [w (Ce) /%]	e		Y_i1	Y_i2	Y_i
1 2 3 4 5 6 7 8 9	1[0.006] 1 1 2[0.012] 2 2 3[0.030] 3 3	1[0.003] 2[0.006] 3[0.015] 1 2 3 1 2 3	1[0.03] 2[0.06] 3[0.10] 2 3 1 3 1 2	1 2 3 3 1 2 2 3 1		7.6 10.7 3.6 13.5 12.7 3.7 7.5 9.3 2.1	50 75 13 95 89 16 80 78 34	65.16 93.45 26.91 118.04 110.91 28.64 75.66 85.95 25.47
K_1j	185.52	258.86	179.76	201.54	T=ΣΧ_i=630.2 CT=T²/n=44?128.0 S_j=Q_j-CT
K_2j	257.59	290.37	236.96	197.75
K_3j	187.09	81.04	213.48	230.91
Q_j	45?257.7	52?630.2	44?679.1	44?347.0
S_j	1?129.7	8?502.2	551.1	219.6

图1 ZA27合金铸态组织

Fig.1 Microstructures of as-cast ZA27 alloy (a) —Unmodified; (b) —Modified with B-Ti; (c) —Modified with B+Ti+Ce

粒得到细化 ^[6,8] , 但α相形貌仍为细小树枝晶, 见图1 (b) 。 B+Ti+Ce复合变质由于Ce加入可产生枝晶熔断, 进一步细化α相, 使之成为细小花瓣状, 见图1 (c) 。

正交实验结果见表2, 所作9组实验中, 4号工艺得分最高, 故A₂B₁C₂为直观最佳搭配, 变质剂加入量为0.012%Ti, 0.003%B, 0.06%Ce。但在K_1j, K_2j, K_3j栏中选最大者, 可得出A₂ B₂ C₂为计算最佳搭配, 故作补充实验。变质剂加入量按正交试验所得最佳搭配A₂ B₂ C₂, 分别为0.012%Ti, 0.006%B, 0.06%Ce。实验结果为σ_b=560 MPa, δ₅=14%, 其综合评分120.37, 略高于A₂B₁C₂。为作比较, 在相同熔铸条件下, 浇注一组未变质试样, 其力学性能指标为δ₅=4%, σ_b=470 MPa。最佳变质工艺使σ_b提高19%, δ₅提高2.5倍。

方差分析见表3。方差分析结果表明: B的加入量对合金的组织性能影响显著, Ti加入量影响较小, Ce加入量无明显影响。故变质时, B和Ti加入量, 尤其是B加入量, 不宜过量, 否则将使合金变脆。变质时, 少量Al-B和Al-Ti中间合金加入合金液中, 未溶的AlB₂和TiAl₃及反应生成的TiB₂, Ti (Al, Zn) ₃, Al₅Ti₂Zn将以非均匀形核方式有效细化锌铝合金中的α相 ^[6,8] 。例如, 以铝为基的含锌固溶体α相的晶格旋转45°, 与TiAl₃的错配度δ=4.9%; 而AlB₂旋转45 ?, 与α相错配度δ=4.24%, 均小于5%, 故α相可依附这些高熔点杂质形核, 使之细化。若加入量过多, 不仅细化晶粒效果变差, B和Ti化合物分布于α相晶界处, 使强度、塑性急剧下降, 例如3, 6和9号工艺B加入量高达0.015%, 其延伸率比未变质的还低。

表3 方差分析

Table 3 Variance analysis

Variance source	S	f	V (S/f)	F
A (Ti)	1?129.7	2	564.9	5.14
B (B)	8?502.2	2	4?251.1	38.71
C (Ce)	551.1	2	275.6	2.51
e	219.6	2	109.8
T		8

F_0.012, 2) =99.0; F_0.05 (2, 2) =19.0; F_0.10 (2, 2) =9, F_0.25 (2, 2) =3.0

由表2的K_ij栏, Ce加入量取水平2或3时, K_ij值相差不大, 故Ce加入量在0.06%～0.10%范围变化, 均会获得较好效果, 但Ce加入量取水平1时, K₁₃有所下降, 故Ce加入量也不能过少。这是因为, Ce在α相中溶解度低, α相生长时, 将Ce排出, 在液/固界面前沿堆积, 产生成分过冷, 使主轴、二次轴和三次轴根部溶质含量较高, 熔点降低, 结晶时由于结晶潜热释放或偶然温度波动产生枝晶熔断, 使发达的树枝晶变为花瓣状, 进一步细化晶粒。若Ce含量过少, 成分过冷区减小, 不利于枝晶熔断, 细化晶粒作用将下降。本实验中Ce加入量为0.03%～0.1%, 没有形成白色块状稀土化合物, 使变质效果变差 ^[7] , 又可产生成分过冷引起枝晶熔断, 故本实验中虽然改变Ce加入量的3个水平对实验结果影响不大, 但仍存在最佳加入量。