一種能提高多元鋅鋁合金熱疲勞性能的工藝方法
2023-06-15 16:45:11
專利名稱：一種能提高多元鋅鋁合金熱疲勞性能的工藝方法
技術領域：
本發明屬於鋅鋁合金製備技術領域，特指一種能提高多元鋅鋁合金熱疲勞性能的工藝方法。
背景技術：
20世紀以來，由於鋅冶煉技術不斷進步，工業鋅純度得以提高。同時，鋅合金生產技術的改進和完善使傳統的鋅合金鑄件質量有了顯著提高，促進了鑄造鋅合金的發展和應用。從目前情況看，今後鋅鋁合金的應用主要還是集中於定期更換的耐磨件及易損件或其它一些服役期較短的零件。對某些特種合金，如無火花、無磁性降噪合金的應用領域也將成為鋅鋁合金的潛在發展市場。合金的成型工藝、鑄造工藝將日臻完善，使用性能大幅提高。合金的腐蝕和老化研究及高溫性能研究都將日益深入，其基礎理論的研究也將進一步 深入。隨著現代工業及鑄造新技術的發展，對鑄造鋅鋁合金需求量越來越大。儘管如此和發達國家相比，我國在推廣應用方面差距仍較大。但是，鋁鋅合金也有塑韌性差，尺寸穩定性低，工作溫度低，抗蠕變能力差，耐蝕性差等缺點。特別是鋁鋅基合金鑄件缺陷在熱節處的底部，即所謂的底面縮孔。產生這種現象的最根本原因還在於凝固期產生的宏觀偏析。在上部鋁含量高，下部鋁含量低，必然引起截面上不同高度處凝固溫度範圍。鑄件上出現上部先凝固、下部後凝固的反常凝固順序，從而引起鑄件中產生由下而上的補縮方向。砂型鑄造時因凝固時間長，宏觀偏析嚴重，因而底面收縮缺陷也就是一個大問題。離心鑄造時，在離心力的作用下，外圍鋅量要較中心高，偏析會使外表產生底面缺陷。多年來，人們為克服這些缺點以便擴大其應用範圍進行了不懈的努力。在改進鋁鋅合金組織和性能方面，採用凝固時施加振動場等手段直接控制合金凝固過程，在改善合金組織和性能方面取得了比較理想的效果，其主要表現在細化合金組織，提高緻密度，從而提高了合金力學性能及其均勻性。本發明開發出一種能提高多元鋅鋁合金熱疲勞性能的工藝方法。
發明內容
本發明開發出一種能提高多元鋅鋁合金熱疲勞性能的工藝方法，其特徵為以工業鋁錠AOO號、鋅錠0號、電解銅、複合變質劑(其中Ni20-30%, Til5-25%, Mn5-15%,Cr5-15%, Si5-10%, Ce5-10%, La5-10%, Yl-6%, Nb 1-6%, Vl_6%、餘為鋁)、純鎂為原料。成分按重量百分比計算，按A127-29%、Cu2-2. 5% (以含銅50%的鋁銅中間合金形式加入)、複合變質劑0. 2-1. 2%,MgO. 01-0. 02%、餘量是Zn的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉。熔煉工藝為先加入鋁錠、鋅錠、鋁銅中間合金、複合變質劑，待材料全部熔化後，升溫至600 650°C時保溫6min-8min使各元素均勻化，為減少鎂的燒損用鐘罩將鎂壓入金屬液中，再用鐘罩將含金屬液0. 2%的脫水ZnCl2壓入金屬液中進行精煉，靜置8min-10min後扒渣除氣，待溫度為560°C -580°C時準備澆注。鑄造工藝為採用普通金屬型和金屬型振動鑄造方法，金屬型振動鑄造的振幅為20-35mm、頻率為80-120次/分，將熔煉好的鋅鋁合金澆鑄到普通金屬型和帶有振動的金屬型上，澆鑄成尺寸為050mm，長400mm的園棒狀毛坯，根據加入複合變質劑的不同，澆鑄出七組複合變質劑不同含量的多元鋅鋁合金毛坯，其複合變質劑加入量分別為0%,0. 2%,0. 4%,0.6%,0.8%U.0%U. 2%，然後加工成國家標準試棒。室溫拉伸力學性能測試在WE-10型液壓式拉伸實驗機上進行。再在毛坯上取樣,通過線切割加工出熱疲勞試樣,熱疲勞試樣尺寸為長40mm、寬10mm、高5mm，試樣頂部帶有V型缺口，如圖I所示。採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗。板狀試樣裝卡在立方卡具的四個側面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到試樣加熱以及冷卻的自動化完成。採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在室溫20°C至150°C之間進行加熱與冷卻的熱循環，採用計數器進行自動計數，調整並保持爐溫150°C，水溫20°C (流動自來水)。快速加熱試樣，加熱、冷卻一次作為一個循環，每次循環加熱時間為120s，入水冷卻時間為5s，直至預定循環次數。對於研究熱疲勞裂紋萌生的試樣，每循環500次，取下試樣，拋光去除表面氧化膜，測量表面裂紋長度，以0. Imm作為裂紋萌生長度，記下試樣裂紋萌生循環次數，觀察並對裂紋的萌生位置照相。對於研究熱疲勞裂 紋擴展的試樣，每循環1000次，取下試樣，拋光並觀察。並對裂紋進行拍照，測量表面裂紋長度。圖2是三種不同工藝方法在室溫20°C至140°C之間進行冷熱循環的熱疲勞性能比較，可以很直觀的看出三種不同工藝方法對裂紋擴展的影響。由圖2可以看出，ZA27合金普通鑄造的試樣熱疲勞性能最差，在循環到1000多次時已開始萌生裂紋，加入複合變質劑後的試樣性能有了較大提高，在循環到3000次時才開始萌生裂紋，這主要是加入複合變質劑可以細化晶粒，提高了合金的強韌性。振動和加入複合變質劑共同作用下的試樣熱疲勞性能最好，在5000次時才開始萌生裂紋，而且裂紋擴展速度較慢，將近在9000次時裂紋長度才達到0. 1mm，這主要是由于振動使合金中的微量元素均勻的溶解於基體中，各種相細小、彌散且較均勻地分布於組織之中，在強化基體的同時，使基體獲得了強度與塑性韌性的很好結合。同時時施加振動可以減少針孔，提高合金的密度，細化晶粒，減少二次枝晶臂間距，增加組織中共晶體的數量，並使夾雜物細小且均勻分布，從而使合金的韌性、塑性大幅度提高。而ZA27合金普通鑄造試樣在4000次時就已達到0. Imm,而且裂紋擴展速度較快。
圖I熱疲勞試樣尺寸(單位mm)圖2三種不同工藝方法的熱疲勞性能的比較
具體實施例方式實施例I以工業鋁錠AOO號、鋅錠0號、電解銅、複合變質劑(其中Ni20-30%、Til5-25%、Mn5-15%、Cr5-15%、Si5-10%、Ce5-10%、La5-10%、Yl-6%、Nbl-6%、Vl-6%、餘為鋁)、純鎂為原料。成分按重量百分比計算，按A128%、CU2.3% (以含銅50%的鋁銅中間合金形式加入)、複合變質劑0. 8%、MgO. 015%、餘量是Zn的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉。熔煉工藝為先加入鋁錠、鋅錠、鋁銅中間合金、複合變質劑，待材料全部熔化後，升溫至600 650°C時保溫6min-8min使各元素均勻化，為減少鎂的燒損用鐘罩將鎂壓入金屬液中，再用鐘罩將含金屬液0. 2 %的脫水ZnCl2壓入金屬液中進行精煉，靜置8min-10min後扒渣除氣，待溫度為560°C _580°C時準備澆注。鑄造工藝為採用普通金屬型鑄造方法，將熔煉好的鋅鋁合金澆鑄到普通金屬型上，澆鑄成尺寸為O 50mm，長400mm的園棒狀毛坯，然後加工成國家標準試棒。室溫拉伸力學性能測試在WE-10型液壓式拉伸實驗機上進行。再在毛坯上取樣,通過線切割加工出熱疲勞試樣,熱疲勞試樣尺寸為長40mm、寬10mm、高5mm，試樣頂部帶有V型缺口，如圖I所示。採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗。板狀試樣裝卡在立方卡具的四個側面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到試樣加熱以及冷卻的自動化完成。採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在室溫20°C至150°C之間進行加熱與冷卻的熱循環，採用計數器進行自動計數，調整並保持爐溫150°C，水溫20°C (流動自來水)。快速加熱試樣，加熱、冷卻一次作為一個循環，每次循環 加熱時間為120s，入水冷卻時間為5s，直至預定循環次數。對於研究熱疲勞裂紋萌生的試樣，每循環500次，取下試樣，拋光去除表面氧化膜，測量表面裂紋長度，以0. Imm作為裂紋萌生長度，記下試樣裂紋萌生循環次數，觀察並對裂紋的萌生位置照相。對於研究熱疲勞裂紋擴展的試樣，每循環1000次，取下試樣，拋光並觀察。並對裂紋進行拍照，測量表面裂紋長度。如圖2所示，加入複合變質劑後的試樣是冷熱循環到3000次時開始萌生裂紋，冷熱循環到12000次裂紋長度達到0. 502mm。實施例2以工業鋁錠AOO號、鋅錠0號、電解銅、複合變質劑(其中Ni20-30%、Til5-25%、Mn5-15%、Cr5-15%、Si5-10%、Ce5-10%、La5-10%、Yl-6%、Nbl-6%、Vl-6%、餘為鋁)、純鎂為原料。成分按重量百分比計算，按A128%、CU2.3% (以含銅50%的鋁銅中間合金形式加入)、複合變質劑0. 8%、MgO. 015%、餘量是Zn的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉。熔煉工藝為先加入鋁錠、鋅錠、鋁銅中間合金、複合變質劑，待材料全部熔化後，升溫至600 650°C時保溫6min-8min使各元素均勻化，為減少鎂的燒損用鐘罩將鎂壓入金屬液中，再用鐘罩將含金屬液0. 2 %的脫水ZnCl2壓入金屬液中進行精煉，靜置8min-10min後扒渣除氣，待溫度為560°C -580°C時準備澆注。鑄造工藝為採用金屬型振動鑄造方法，金屬型振動鑄造的振幅為20-35mm、頻率為80-120次/分，將熔煉好的鋅鋁合金澆鑄到帶有振動的金屬型上，燒鑄成尺寸為OSOmm,長400mm的園棒狀毛還，然後加工成國家標準試棒。室溫拉伸力學性能測試在WE-10型液壓式拉伸實驗機上進行。再在毛坯上取樣，通過線切割加工出熱疲勞試樣，熱疲勞試樣尺寸為長40mm、寬10mm、高5mm，試樣頂部帶有V型缺口，如圖I所示。採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗。板狀試樣裝卡在立方卡具的四個側面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到試樣加熱以及冷卻的自動化完成。採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在室溫20°C至150°C之間進行加熱與冷卻的熱循環，採用計數器進行自動計數，調整並保持爐溫150°C，水溫20°C (流動自來水)。快速加熱試樣，加熱、冷卻一次作為一個循環，每次循環加熱時間為120s，入水冷卻時間為5s，直至預定循環次數。對於研究熱疲勞裂紋萌生的試樣，每循環500次，取下試樣，拋光去除表面氧化膜，測量表面裂紋長度，以0. Imm作為裂紋萌生長度，記下試樣裂紋萌生循環次數，觀察並對裂紋的萌生位置照相。對於研究熱疲勞裂紋擴展的試樣，每循環1000次，取下試樣，拋光並觀察。並對裂紋進行拍照，測量表面裂紋長度。如圖2所示，加入複合變質劑並進行振動鑄造後的試樣是在冷熱循環到5000次才時開始萌生裂紋，冷熱循環到12000次裂紋長度達到0. 342mm。對比例以工業鋁錠AOO號、鋅錠0號、電解銅、純鎂為原料。成分按重量百分比計算，按A128 %、Cu2. 3 % (以含銅50%的鋁銅中間合金形式加入)、MgO. 015 %、餘量是Zn的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉。熔煉工藝為先加入鋁錠、鋅錠、鋁銅中間合金、待材料全部熔化後，升溫至600 650°C時保溫6min-8min使各元素均勻化，為減少鎂的燒損用鐘罩將鎂壓入金屬液中，再用鐘罩將含金屬液0. 2 %的脫水ZnCl2壓入金屬液中進行精煉，靜置8min-10min後扒渣除氣，待溫度為560°C _580°C時準備澆注。鑄造工藝為採用普通金屬型鑄造方法，將熔煉好的鋅鋁合金澆鑄到普通金屬型上，澆鑄成尺寸為050mm，長400mm的 園棒狀毛坯，然後加工成國家標準試棒。室溫拉伸力學性能測試在WE-10型液壓式拉伸實驗機上進行。再在毛坯上取樣，通過線切割加工出熱疲勞試樣，熱疲勞試樣尺寸為長40mm、寬10mm、高5mm，試樣頂部帶有V型缺口，如圖I所示。採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗。板狀試樣裝卡在立方卡具的四個側面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到試樣加熱以及冷卻的自動化完成。採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在室溫20°C至150°C之間進行加熱與冷卻的熱循環，採用計數器進行自動計數，調整並保持爐溫150°C，水溫20°C (流動自來水)。快速加熱試樣，加熱、冷卻一次作為一個循環，每次循環加熱時間為120s，入水冷卻時間為5s，直至預定循環次數。對於研究熱疲勞裂紋萌生的試樣，每循環500次，取下試樣，拋光去除表面氧化膜，測量表面裂紋長度，以0. Imm作為裂紋萌生長度，記下試樣裂紋萌生循環次數，觀察並對裂紋的萌生位置照相。對於研究熱疲勞裂紋擴展的試樣，每循環1000次，取下試樣，拋光並觀察。並對裂紋進行拍照，測量表面裂紋長度。如圖2所示，ZA27合金採用普通金屬型鑄造方法後的試樣是冷熱循環到1000次時開始萌生裂紋，冷熱循環到12000次裂紋長度達到0. 985mm。
權利要求
1.一種能提高多元鋅鋁合金熱疲勞性能的工藝方法，其特徵為以工業鋁錠AOO號，鋅錠 0 號，電解銅，複合變質劑，其中 Ni20-30%,Til5-25%,Mn5-15%,Cr5-15%,Si5-10%,Ce5-10%, La5-10%, Yl-6%, Nbl-6%, Vl_6%、餘為鋁，純鎂為原料；成分按重量百分比計算，按 A127-29 %、Cu2-2. 5 %、複合變質劑 0. 2-1. 2 %、MgO. 01-0. 02 %、餘量是 Zn 的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉；熔煉工藝為先加入鋁錠、鋅錠、含銅50%的鋁銅中間合金、複合變質劑，待材料全部熔化後，升溫至600 650°C時保溫6min-8min使各元素均勻化，為減少鎂的燒損用鐘罩將鎂壓入金屬液中，用含金屬液0. 2%的脫水ZnCl2進行精煉，精煉時用鐘罩將脫水ZnCl2壓入金屬液中，靜置8min-10min後扒渣除氣，待溫度為5600C -580°C時準備澆注；鑄造工藝為採用普通金屬型和金屬型振動鑄造方法，金屬型振動鑄造的振幅為20-35mm、頻率為80-120次/分，將熔煉好的鋅鋁合金澆鑄到普通金屬型和帶有振動的金屬型上，澆鑄成尺寸為050mm，長400mm的園棒狀毛坯，根據加入複合變質劑的不同，澆鑄出七組複合變質劑不同含量的多元鋅鋁合金毛坯，其複合變質劑加入量分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，然後加工成國家標準試棒；室溫拉伸力學性能測試在WE-10型液壓式拉伸實驗機上進行；再在毛坯上取樣，通過線切割加工出熱疲勞試樣，熱疲勞試樣尺寸為長40mm、寬10mm、高5mm，試樣頂部帶有V型缺口 ；採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗；板狀試樣裝卡在立方卡具的四個側面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到試樣加熱以及冷卻的自動化完成；採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在室溫20°C至150°C之間進行加熱與冷卻的熱循環，採用計數器進行自動計數，調整並保持爐溫150°C，流動的自來水水溫20°C;快速加熱試樣，加熱、冷卻一次作為一個循環，每次循環加熱時間為120s，入水冷卻時間為5s，直至預定循環次數；對於研究熱疲勞裂紋萌生的試樣，每循環500次，取下試樣，拋光去除表面氧化膜，測量表面裂紋長度，以0. Imm作為裂紋萌生長度，記下試樣裂紋萌生循環次數，觀察並對裂紋的萌生位置照相；對於研究熱疲勞裂紋擴展的試樣，每循環1000次，取下試樣，拋光並觀察。並對裂紋進行拍照，測量表面裂紋長度。
2.根據權利要求I所述一種能提高多元鋅鋁合金熱疲勞性能的工藝方法，加入複合變質劑後的試樣是冷熱循環到3000次時開始萌生裂紋，冷熱循環到12000次裂紋長度達到0.502mm。
3.根據權利要求I所述一種能提高多元鋅鋁合金熱疲勞性能的工藝方法，加入複合變質劑並進行振動鑄造後的試樣是在冷熱循環到5000次才時開始萌生裂紋，冷熱循環到12000次裂紋長度達到0. 342mm。
全文摘要
一種能提高多元鋅鋁合金熱疲勞性能的工藝方法，屬於鋅鋁合金製備技術領域，其特徵為以工業鋁錠A00號、鋅錠0號、電解銅、複合變質劑(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、餘為鋁)、純鎂為原料。成分按重量百分比計算，按Al27-29％、Cu2-2.5％、複合變質劑0.2-1.2％、Mg0.01-0.02％、餘量是Zn的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉。將熔煉好的鋅鋁合金澆鑄到普通金屬型和帶有振動的金屬型上，然後加工成國家標準試棒，再在毛坯上取樣，通過線切割加工出熱疲勞試樣。
文檔編號C22C18/04GK102719688SQ20121021073
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者劉光磊, 司松海, 李曉薇, 楊嵩, 董興盛 申請人:鎮江憶諾唯記憶合金有限公司