简介概要

稀土对Zn-Al-Cu合金机械性能的影响

来源期刊：稀有金属2007年第6期

论文作者：许红伍张飞

关键词：锌合金; 模具材料; 稀土;

摘要：研究了不同铝铜含量锌合金的强度, 并加入适量的Ti, B, RE, Mg等元素, 得出模具用锌合金的最佳铝铜含量(%, 质量分数)分别为Al14%, Cu10%. 重点研究了不同稀土含量(0, 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%)对锌合金的影响, 每种合金分别采用空冷和水冷两种冷却方式, 结果表明, 稀土含量为0.4%的合金为模具用锌合金的最佳稀土含量, 其中以水冷方式为最佳的冷却方式.

稀有金属 2007,(06),866-870 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.06.017

稀土对Zn-Al-Cu合金机械性能的影响

许红伍

上海电子信息职业技术学院,上海电子信息职业技术学院上海201141,上海201141

摘要：

研究了不同铝铜含量锌合金的强度, 并加入适量的Ti, B, RE, Mg等元素, 得出模具用锌合金的最佳铝铜含量 (%, 质量分数) 分别为Al14%, Cu10%。重点研究了不同稀土含量 (0, 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%) 对锌合金的影响, 每种合金分别采用空冷和水冷两种冷却方式, 结果表明, 稀土含量为0.4%的合金为模具用锌合金的最佳稀土含量, 其中以水冷方式为最佳的冷却方式。

关键词：

锌合金;模具材料;稀土;

中图分类号： TG115

收稿日期：2007-01-20

Effect of Rare Earths on Mechanical Properties of A Cast Zinc-Aluminum-Copper Alloy

Abstract：

The strength of zinc-base alloys with various compositions of Al and Cu were studied.By adding Ti, B, RE and Mg, a high-strength zinc-base alloy (Al14%, Cu10%) was obtained.On the base of ZnAl14Cu10, the effect of various amounts of rare earths (0, 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%) on the properties of zinc-base alloy was studied.Water cooling and air cooling were applied on the alloys.The results showed that ZnAl alloy with 0.4%RE is the optimal alloy for molds with the method of water cooling.

Keyword：

zinc-base alloy;molding material;rare earths;

Received： 2007-01-20

锌合金型腔模具是一种快速、经济的模具, 但目前国内使用的锌合金模具材料存在的问题是: 综合机械性能不高, 模具寿命不长; 凝固收缩率高, 模具精度难以保证; 软化温度低, 尺寸不稳定等, 并在制模工艺中也存在着一些问题 ^[1,2] 。本文重点研究了稀土元素对模具用锌基合金机械性能的影响, 旨在探索提高锌合金综合性能的途径。

1 实验

1.1 材料及熔炼工艺

锌合金对有害杂质的作用极为敏感, 因此原材料采用: 1号锌锭, 1号电解铜, 1号工业纯镁, 00号纯铝, 铝-钛-硼丝 (Al5Ti1B) , 1号镁锭, 混合稀土 (La>45%, 稀土金属总量>98%) ^[3] , 精练剂采用化学纯氯化锌。熔铸工艺流程如图1所示 ^[4] 。

1.2 合金中铝铜含量的确定

通过对合金元素的分析, 并综合了大量国内外文献, 确定如表1成分, 其中Ti为0.15%, B为0.03%, RE为0.2%, Mg为0.03%保持不变。通过拉伸和硬度测试, 试图找出模具用锌合金较佳的铝铜含量, 结果如表1所示。可以看出其中综合性能最佳的为5^# (ZnAl₁₄Cu₁₀) 合金, 其机械性能σ_b达到438.4 MPa, δ_s (%) 为1.20%, HRB为85.4。

1.3 改变稀土含量和冷却方式

文献 [ 5, 6] 显示稀土的最佳加入量与冷却速度有关, 本实验在ZnAl₁₄Cu₁₀的基础上变换稀土含量如表2所示, 并且每种成分都分别采用空冷和水冷两种方式, 为了更接近实际生产, 降低成本, 在拉伸试棒出模后300 ℃左右时进行水冷。

2 结果及讨论

2.1 常温拉伸

使用WE-100液压式万能测试机进行抗拉强度测定, 结果如图2和3所示。

图1 合金熔炼工艺流程

Fig.1 Schematic illustration of alloy melt processes

表1 合金的成分及测试结果

Table 1 Ingredients of the alloys and tested result

Alloy number	Al/%	Cu/%	Zn/%	σ_b/MPa	δ_s/%	HRB
1	11.82	8.09	Remain	403.4	1.45	81.0
2	11.87	10.14	Remain	405.3	1.22	85.0
3	11.91	12.16	Remain	400.6	0.92	86.8
4	13.91	8.11	Remain	415.7	1.35	82.2
5	14.07	10.05	Remain	438.4	1.20	85.4
6	13.89	12.13	Remain	306.2	0.86	89.0
7	16.21	8.15	Remain	393.8	0.96	86.5
8	16.11	9.87	Remain	375.3	0.76	88.5
9	16.14	11.89	Remain	370.7	0.64	92.6

表2 合金的成分 (%, 质量分数)

Table 2 Ingredients of the alloys

Alloy number	Al	Cu	RE	Mg	Ti	B	Zn
10	14.07	10.05	0	0.03	0.15	0.03	Bal.
11	14.03	9.94	0.04	0.03	0.15	0.03	Bal.
12	13.84	10.06	0.09	0.03	0.15	0.03	Bal.
13	13.85	9.91	0.19	0.03	0.15	0.03	Bal.
14	13.92	10.03	0.41	0.03	0.15	0.03	Bal.
15	14.07	9.94	0.62	0.03	0.15	0.03	Bal.

2.2 高温拉伸

拉伸试样用车床加工成两头带螺纹的标准试样, 在Intorn8801万能实验机上进行恒温200 ℃的高温拉伸, 每根试样保温30 min, 结果如图4和5所示。

2.3 硬度

在HBRVU-187.5型布洛维硬度计上测试, 结果如图6。

2.4 磨损性能

采用MM-200型磨损试验机, 对ZnA₂₇Cu₃和本实验得出的最佳成分 (ZnAl₁₄Cu₁₀MgRE_0.4) 冷却方式为水冷的锌合金进行滑动摩擦磨损的对比实验, 试验采用的润滑剂为N32号机

图2 稀土含量对锌合金强度的影响

Fig.2 Influence of RE content on strength of Zn alloy

图3 稀土含量对锌合金延伸率的影响

Fig.3 Influence of RE content on extensibility of Zn alloy

图4 稀土含量对锌合金强度的影响 (200 ℃)

Fig.4 Influence of RE content on strength of Zn alloy

图5 稀土含量对锌合金延伸率的影响 (200 ℃)

Fig.5 Influence of RE content on extensibility of Zn alloy

图6 稀土含量对锌合金硬度的影响

Fig.6 Influence of RE content on hardness of Zn alloy

图7 稀土含量对锌合金腐蚀后硬度的影响

Fig.7 Influence of RE content on hardness of corroded Zn alloy

械油, 试验机转速恒定为200 r·min^-1, 定载荷120 kg来比较不同成分合金的耐磨性, 磨损时间定为25 min。结果如图7, 可见ZnAl₁₄Cu₁₀RE_0.4水冷合金的耐磨性能优于ZnAl₂₇Cu₃Mg_0.03的高铝锌合金, 而文献 [ 7] 显示ZnAl₂₇Cu₃Mg_0.03的耐磨性能明显好于传统的抗磨材料如ZQSN6-6-3铜合金, 因此, ZnAl₁₄Cu₁₀RE_0.4水冷合金可以明显提高模具的使用寿命。

2.5 合金的显微组织

对10, 14, 15号试样进行显微组织观察, 各合金组织如图8～10。

2.6 电镜观察

对14^# (ZnAl₁₄Cu₁₀Re_0.4) 水冷合金电镜扫描和能谱分析, 如图11和表4。

从图8～10的金相照片可见, 水冷的晶粒明显小于空冷的。由扫描电镜照片 (图11) 及表4的能谱分析结果可见稀土含量为0.4%的合金中稀土元素不仅存在于晶界而且存在于晶内, 而且分布比较均匀, 从而达到细化晶粒和提高合金机械性能的目的, 同时, 稀土固溶于基体中, 也使基体的硬度提高, 增强了合金抵抗变力的能力, 而使硬质点不容易脱落 ^[8] 。另外, 稀土的加入也提高了合金的强度和塑性, 且硬质点弥散分布程度的提高, 也使合金的疲劳强度提高, 在磨损时, 软的基体能够承受塑性变形而不脱落, 这样就使得合金的耐磨性能显著提高。但是当稀土含量进一步提高达到0.6%时, 第二相变得粗大, 且沿晶界析出, 形成网状 (图10) 从而使合金机械性能明显下降。

2.7 锌合金性能比较

本实验得出的合金与目前国内外使用的锌合金 ^[4] 的常温机械性能如表5所示, 与目前应用最为广泛的ZnAl₈Cu₃模具合金的高温200 ℃的机械性能 ^[9] 比较如表6所示。

从表5和6中可见, 本实验得出的ZnAl₁₄Cu₁₀RE_0.4冷却方式为水冷的锌合金比其他锌合金有更高的强度和硬度。

图8 10#试样 (ZnAl14Cu10) 显微组织

Fig.8 Microstructures of sample 10^# (ZnAl₁₄Cu₁₀) (a) Air cooling; (b) Water cooling

图9 14#试样 (ZnAl14Cu10RE0.4) 显微组织

Fig.9 Microstructures of sample 14^# (ZnAl₁₄Cu₁₀RE_0.4) (a) Air cooling; (b) Water cooling

图10 15#试样 (ZnAl14Cu10RE0.6) 显微组织

Fig.10 Microstructures of sample 15^# (ZnAl₁₄Cu₁₀RE_0.6) (a) Air cooling; (b) Water cooling

图11 ZnAl14Cu10RE0.4水冷合金的SEM图

Fig.11 SEM microstructure of ZnAl₁₄Cu₁₀RE_0.4

表4 ZnAl14Cu10RE0.4合金的能谱分析/ (%, 质量分数)

Table 4 Energy spectrum analysis of ZnAl₁₄Cu₁₀RE_0.4

Position	Al	Cu	Ce	La	Ce
A	6.34	15.90	0.04	0.06	77.76
B	24.20	11.39	0	0.07	64.41
C	55.31	5.18	0.03	0.11	39.51
D	6.51	11.31	0.02	0.08	74.19
E	21.73	10.93	0	0.38	66.96
F	12.61	12.70	0	0.09	74.19
G	53.23	8.21	0	0	38.56

表5 各种锌合金的机械性能 (25 ℃)

Table 5 Mechanical properties of various Zn alloys (25 ℃)

Alloy	σ_b/MPa	δ/%	HB
Zn-4Al-3Cu (China)	240～300	2.5	120～130
ZnA₂₇Cu₂Mg (China)	400～440	1.0～2.0	110～130
ZnA₁₂ (America)	310～350	1～3	105～120
Zn-12Al-1.5Cu (Japan)	280～320	1～3	90～110
Zn-11Al-0.75Cu (Canada)	350～385	1～3	105～125
ZnA₁₄Cu₁₀RE_0.4 (This paper)	492.6	1.42	168

表6 各种锌合金高温机械性能 (200 ℃)

Table 6 Mechanical properties of various Zn alloys (200 ℃)

Alloy	σ_b/MPa	δ/%
ZnAl₈Cu₃	120～140	24
ZnA₁₄Cu₁₀RE_0.4 (This paper)	216	26

3 结论

1. 在ZnAl₁₄Cu₁₀合金中加入微量稀土元素使合金的机械性能显著提高, 尤其是当稀土含量增加到0.4%时, 并采取水冷方式的综合性能较佳, 其成分为: Al 14%, Cu 10%, RE 0.4%, Mg 0.03%, Ti 0.15%, B 0.03%, 其余为Zn, 但当稀土含量进一步提高后, 合金机械性能明显下降。

2. 该合金的常温机械性能: σ_b: 492.6 MPa; δ: 1.42% HB: 168; 高温200 ℃条件下, σ_b: 216 MPa; δ: 26%。该合金综合性能优良, 可以用于热固性塑料制品的生产及对材料和硬度要求较高的冲裁模、拉延模等的模具材料, 当用于热塑性塑料制品生产时, 比普通的锌合金也有更高的使用寿命。