晶粒大小对合金力学性能影响很大,细化晶粒不但可以提高材料的强度,同时可以改善材料的塑 性和韧性,这是材料的其他强化方法所不能比拟的。ZA27合金是近20年来发展起来的一种新 型铸造有色合金,由于它的综合性能指标可以跟传统的钢、铝合金和铸铁相媲美而富有竞争力,因 此迅速进入了工业应用。但是,由于ZA27合金有很宽的结晶温区(112℃)〔1〕,不仅含 铝量较高,导热性较好,容易促成铸件在一个较大范围内同时进行结晶,且所形成的初晶α相是较 发达的树枝晶,容易连成骨架,阻断补缩通道,使整体补缩阶段缩短。因而,此类合金铸件很容易 产生分散性缩孔、下部缩凹和偏析等缺陷,导致力学性能急剧下降。有效地控制合金的晶粒尺寸,将极大地提高合金的综合力学性能〔2～5〕。所以,本文主要用差热分析(DTA)〔6〕和IAS4图像分析系统,研究差热分析曲线特征参数和冷却速率对ZA27合金晶粒尺寸的影响,目的在于 试图找出它们之间的定量关系式,进而预测铸件的力学性能。1 试验方法 试验用ZA合金的 化学成分如表1所示,经制备中间合金、重熔、精练、浇注等工序配制成合金。差热分析试样的尺寸为Φ34mm×2mm重约120mg。采用DT30 B型热分析仪并以α Al2O3为参比物进行热分析试验。在试验过程中,先将锌铝合金试样过热120℃,保温时间2 0min,再分别以5℃/min、10℃/min、20℃/min、34℃/min的速率冷 却,记录凝固过程的冷却曲线(CC)、差热分析曲线(DTA)和微分热分析曲线(DDTA)。为避免合金氧化,整个热分析试验在氮气保护下进行。采用IAS4图像分析系统进行显微组织观察。表1 试验合金的化学成分Table1Chemicalco mpositionoftestingalloys (%)合金AlSiCuMgMnZn ZA2726.80.00.00.00.0其余ZA27Si27.10.30.00.00. 0其余ZA27Mn27.30.00.00.00.2其余ZA27CuMg26.60.00.20.020.0其余2 试验结果与分析21 DTA曲线特征参数与ZA合金晶粒尺寸间的关系图1为ZA27合金凝固过程的差热分析曲线 及其·0411· 铸造FOUNDRY Vol52 No 12特征参数的示意图〔7〕。图中曲线a为冷却曲线(CC);曲线c为差热分析曲线(DTA) ;曲线b为差热分析曲线的微分曲线(DDTA)。在DTA曲线上,AB段为初晶凝固阶段,B C段为包晶凝固阶段,CD为共晶凝固阶段,EF段为共析转变阶段;τ为初晶凝固时间;A为初 晶凝固开始点,C为初晶凝固终止点;H是初晶析出时对应的DTA曲线峰高,ΔT为差热分析试样与参比物的温度差。根据这些参数即可对合金凝固过程进行分析。21 1 DTA曲线峰高H与ZA合金晶粒尺寸间的关系四种ZA合金的DTA曲线峰高H与晶粒尺寸d 间的关系如图2所示,从图中可以看出,DTA曲线峰高H与晶粒尺寸呈线性关系,与线性拟合的 回归方程几乎重叠,回归方程和回归系数R列于表2。曲线峰高H与d的线性回归系数相当高,表 明可用合金的DTA曲线峰高来计算出某条件下该合金的晶粒大小,由图3可知,晶粒大小对合金 的抗拉强度有很显著的影响,合金晶粒尺寸增大,抗拉强度明显降低。图1 ZA27合金的差热分析曲线Fig1ThecurveofdifferentialthermalanalvsisofZA27allov图2 DTA曲线峰高对ZA合金晶粒尺寸的影响Fig 2TheeffectofpeakheightofDTAcurveongrainsizeo fZAalloys表2 DTA曲线峰高与ZA合金晶粒尺寸的关系Table2Theeff ectofpeakheightofDTAcurveongrainsizeofZAall oys合金回归方程回归系数ZA27d=53.95555-0.21209HR=-0.98 786ZA27Mnd=47.59149-0.13838HR=-0.96252ZA27S id=60.58333-0.28333HR=-0.99679ZA27CuMgd=76.91685-0.32302HR=-0.9635521 2 初晶凝固开始温度对ZA合金晶粒尺寸的影响由图4可以看出,合金的凝固开始温度越低,晶粒 越细小,由于凝固温度越低,合金的形核过冷度越大,晶粒越细小。从图中的曲线可知,曲线开始 变化较平缓,后来变化较快,加元素Mn有利于晶粒细化,次之是元素Si。将初晶凝固开始温度 与晶粒尺寸之间的关系进行回归,其回归方程如表3所示,回归系数也是相当高的。图3 ZA27合金晶粒尺寸与抗拉强度间的关系Fig3Therelationshipbetweengrainsizeandtensilestrength图4 凝固开始温度对ZA合金晶粒尺寸的影响Fig 4Theeffectofsolidificationsetuptemperatureon grainsizeofZAalloy表3 初晶凝固开始温度与ZA合金晶粒尺寸的关系Ta ble3Therelationshipbetweensolidificationset uptemperatureofprimaryphaseandgrainsizeofZA alloys合金回归方程回归系数ZA27d=40.35308-0.40324exp(T 0/5.3107)R=-0.98786ZA27Mnd=41.53492-0.06503 exp(T0/0.92536)R=-0.96252ZA27Sid=45.42672-1 .14141exp(T0/6.4178)R=-0.99679ZA27CuMgd=57.30552-0.1114exp(T0/2.36488)R=-0.9635522 冷却速度对ZA合金晶粒尺寸的影响由图5和图6可以看出,冷却速度对晶粒尺寸的影响非常显 著,冷却速度加大,晶粒尺寸呈线性减小,尤其是加入Si和Mn合金元素之后,在相同的冷却条 件下,其枝晶明显细化,枝晶一、二次枝晶长度均变短,且一次枝晶与二次枝晶长度之比变小,枝 晶的形态趋于等轴的花朵状。在枝晶生长过程中,Mn和Si富集于凝固界面的前沿,一方面阻碍 晶体生长,减小枝晶长度,尤其是减小一次枝晶长度;另一方面增大界面前沿液相的成分过冷,促 进形成新的枝晶。因此,Mn和Si的加入不仅进一步使枝晶细化,而且也使形态得到了改善。M n和Si除了一部分呈过饱和状态存在于α和β固溶体中外,主要以富锰相和富硅相形式析出,形成晶间三元或四元共晶组织。图5 冷却速度对ZA合金晶粒尺寸的影响Fig5TheeffectofcoolingrateongrainsizeofZAalloys 3 结论(1)DTA曲线的峰高H与晶粒尺寸呈线性关系。试验得到的结果与线性拟合回归方程 几乎重叠,因此,可用合金的DTA曲线峰高来计算某条件下该合金的晶粒大小。(2)合金的凝 固开始温度越低,晶粒越细小。(3)冷却速度对ZA合金晶粒尺寸的影响非常显著,冷却速度增 大,合金的晶粒尺寸呈线性减小。线性回归的结果表明:冷却速度和ZA合金的晶粒尺寸呈高度的 线性相关,因而可以通过控制冷却速度来控制合金的晶粒尺寸,并预测合金的力学性能。(a)Z A27 (b)ZA27Si (c)ZA27CuMg (d)ZA27Mn图6 20℃/min冷却速度下ZA27合金的微观组织Fig6ThemicrostructureofZA27alloysundercoolingra teof20℃/min凝固参数对ZA27合金晶粒尺寸的影响@孙玉霞$沈阳航空工业学院信息经济系!辽宁沈阳110034
@李荣德$沈阳工业大学材料科学与工程学院!辽宁沈阳110023
@黄旦忠$沈阳铸造研究所!辽宁沈阳110022
差热分析;;
冷却速率;;
晶粒尺寸;;ZA2 7合金采用差热分析方法研究了DTA曲线特征参数和冷却速率对ZA合金晶粒尺寸的影响,同时使用IAS4图像分析系统分析了合金的微观组织。结果表明:DTA曲线峰高与晶粒尺寸呈线性关系;随冷却 速度的增加,合金的晶粒尺寸呈线性降低。〔1〕 康积行,张国灵.高铝锌基合金的凝固模式〔J〕.特种铸造及有色合金.1993,(2):1～13
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