一种通过热处理提高锌铝合金硬度的方法与流程

本发明涉及金属材料制备领域，特别是涉及一种通过热处理提高锌铝合金硬度的方法。

背景技术：

锌铝合金具有较高的强度、极高的塑性、优秀的摩擦磨损性能、良好的减振性能、无磁性、无火花，其加工性能良好、制造成本低廉，是部分铜合金、铝合金和铸铁件的替代材料。我国是一个贫铜富锌的国家，研究开发高性能锌铝合金来代替铜合金，可使我国在稀缺资源替代利用技术方面形成自主知识产权体系，突破国外技术贸易壁垒，替代进口，为我国国民经济健康发展，提供可靠的技术支撑。

硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。硬度的大小对于机械零件和工具的使用性能及寿命具有决定性意义。相比铜合金、铝合金和铸铁件，锌铝合金的硬度较低，限制了该合金在工业领域的进一步应用。因此，提高锌铝合金的硬度，是行业内科研工作者的研究热点之一。

锌铝合金的硬化研究主要集中在合金化方面。合金化通常是通过调整添加元素的含量，基于固溶强化或第二相强化机制来提高合金的强度。美国加州大学的prabir等人、西北工业大学的张忠明等人研究了铝（al）、铜（cu）、镁（mg）等元素对锌铝合金的固溶强化作用。四川大学的魏晓伟等人、燕山大学的逯允海等人、西南交通大学的赵玉珍等人、兰州理工大学的郝远等人、中南大学的罗兵辉等人、日本大阪府立大学的tokuteru等人发现了锰（mn）、钛（ti）、锑（sb）、镍（ni）、硅（si）、稀土（re）等元素会与锌铝合金形成具有强化作用的硬质沉淀相，在提高强度、硬度的同时，会降低塑性、韧性。而锌铝合金的开发目的是替代铜合金，添加成本昂贵的元素会使锌铝合金的成本过高，不适用于工业化应用。

热处理对设备要求低，适合工业化生产，应用潜力较大，但目前通过热处理方法提高合金硬度的研究主要集中在镁合金、铝合金、钛合金领域，在锌铝合金领域尚无报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种通过热处理提高锌铝合金硬度的方法，能够通过热处理方法大幅提高锌铝合金的硬度，该方法对设备要求不高，适合工业化生产。

为实现上述发明目的，本发明提供一下技术方案：提供一种通过热处理提高锌铝合金硬度的方法，包括步骤：对锌铝合金在280℃-380℃进行固溶处理，固溶处理时间为8-24h，固溶处理完成后以0.01k⋅s^-1-0.80k⋅s^-1的速度缓慢冷却。

所述的固溶处理温度为280℃-380℃，该温度范围内可发生固态相变，生成由α2相构成的等轴细晶组织。

所述的固溶处理时间为8-24h，该处理时间可保证足够的α2相生成，同时获得等轴细晶组织。

所述的固溶处理完成后以0.01k⋅s^-1-0.80k⋅s^-1的速度缓慢冷却，以获得由富铝的α1相和富锌的η相晶粒组成的细长板条状组织，其中富铝的α1相为硬化相，在析出硬化和细晶强化两种强化机制的同时作用下，大幅提高合金的硬度。

所述的锌铝合金由如下质量百分比的组元组成：10-25%al，1-5%cu，0-0.005%mg，余量为zn。该成分范围为锌铝合金共析相变点附近，从而保证热处理过程中α2相向α1相和η相的固态相变反应的发生。

本发明的有益效果是：本发明提供的方法能够使锌铝合金获得由富铝的α1相和富锌的η相晶粒组成的细长板条状组织，其中富铝的α1相为硬化相，在析出硬化和细晶强化两种强化机制的同时作用下，大幅提高合金的硬度。本发明提供的方法处理过的锌铝合金硬度高达93hv，相比未经本方法处理的锌铝合金的硬度为67hv，合金硬度有了大幅提高。本发明采用热处理方法，对设备要求低，适合工业化生产。

附图说明

图1是本发明一种通过热处理提高锌铝合金硬度的方法的工艺流程图。

图2是本发明实施例1制得的试样的扫描电镜图。

图3是本发明实施例1制得的试样的透射电镜图。

图4是本发明对比例1制得的试样的扫描电镜图。

图5是本发明对比例1制得的试样的透射电镜图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体的实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1：

将铸造的锌铝合金,其中，合金中各组分的质量百分比为：22%al，0.2%cu，0.005%mg，余量为zn，按照iso6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》规定，切割成10mm×10mm×6mm的试样。

所述测试试样首先进行固溶处理。所述固溶处理是将测试试样在280°c恒温加热10h，以促使合金内部组织转化为由面心立方结构的富锌α2相构成的等轴细晶组织。基于细晶强化机制，等轴细晶组织有助于全面提高合金的强度、硬度、塑性和韧性。

完成固溶处理后，将试样以0.01k⋅s^-1的速度缓慢冷却。该富锌α2相在共析相变点277°c以上为热力学稳定相，在共析相变点277°c以下为热力学亚稳相，会倾向于转变为面心立方结构的富铝α1相和密排六方的富锌η相。面心立方结构的富铝α1相为硬化相，该转变会使合金生成细长层片状组织，提高合金硬度。本发明通过较慢的冷却速度，使室温为亚稳相的等轴细晶组织能够充分转变为由大量硬化相构成的细长层片状组织。基于析出硬化和细晶强化两种强化机制的共同作用下，合金硬度大幅提高。

将完成热处理的测试试样通过扫描电镜测试，其微观组织如图2所示，发现试样由细长层片状组织构成。将完成热处理的测试试样通过透射电镜测试，其微观组织如图3所示，在其细长的层片状组织中，只发现了富铝的α1相和富锌的η相，却找不到残余的α2相，说明α2相已彻底分解为α1相和η相。

将完成热处理的测试试样在hv-1000型显微硬度计上进行硬度试验。试验温度为25°c，载荷为1.96n，加载时间为10s。通过硬度试验，测得试样的维氏硬度为93hv。

实施例2：

将铸造的锌铝合金,其中，合金中各组分的质量百分比为：25%al，3%cu，0.005%mg，余量为zn，按照iso6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》规定，切割成10mm×10mm×6mm的试样。

所述测试试样首先进行固溶处理。所述固溶处理是将测试试样在320°c恒温加热12h，以促使合金内部组织转化为由面心立方结构的富锌α2相构成的等轴细晶组织。基于细晶强化机制，等轴细晶组织有助于全面提高合金的强度、硬度、塑性和韧性。

完成固溶处理后，将试样以0.80k⋅s^-1的速度缓慢冷却。本发明通过较慢的冷却速度，使室温为亚稳相的等轴细晶组织能够充分转变为由大量硬化相构成的细长层片状组织。基于析出硬化和细晶强化两种强化机制的共同作用下，合金硬度大幅提高。

将完成热处理的测试试样通过扫描电镜测试，发现试样由细长层片状组织构成。将完成热处理的测试试样通过透射电镜测试，发现α2相已彻底分解为α1相和η相。

将完成热处理的测试试样在hv-1000型显微硬度计上进行硬度试验。试验温度为25°c，载荷为1.96n，加载时间为10s。通过硬度试验，测得试样的维氏硬度为92hv。

实施例3:

将铸造的锌铝合金，其中，合金中各组分的质量百分比为：15%al，1%cu，0.005%mg，余量为zn，按照iso6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》规定，切割成10mm×10mm×6mm的试样。

所述测试试样首先进行固溶处理。所述固溶处理是将测试试样在340°c恒温加热18h，以促使合金内部组织转化为由面心立方结构的富锌α2相构成的等轴细晶组织。基于细晶强化机制，等轴细晶组织有助于全面提高合金的强度、硬度、塑性和韧性。

完成固溶处理后，将试样以0.20k⋅s^-1的速度缓慢冷却。本发明通过较慢的冷却速度，使室温为亚稳相的等轴细晶组织能够充分转变为由大量硬化相构成的细长层片状组织。基于析出硬化和细晶强化两种强化机制的共同作用下，合金硬度大幅提高。

将完成热处理的测试试样通过扫描电镜测试，发现试样由细长层片状组织构成。将完成热处理的测试试样通过透射电镜测试，发现α2相已彻底分解为α1相和η相。

将完成热处理的测试试样在hv-1000型显微硬度计上进行硬度试验。试验温度为25°c，载荷为1.96n，加载时间为10s。通过硬度试验，测得试样的维氏硬度为89hv。

实施例4-10：

除了合金成分、固溶处理温度以及固溶处理时间按照表1中数值进行变化以外，其余操作同实施例1，制得合金试样。由表1可以看出，对成分范围为共析相变点附近的锌铝合金，进行热处理,在280℃-380℃进行固溶处理，固溶处理时间为8-24h，固溶处理完成后以0.01k⋅s^-1-0.80k⋅s^-1的速度缓慢冷却,后，经硬度测试，试样均具有较高的硬度。

表1不同合金成分、不同固溶处理温度、不同固溶处理时间、不同冷却速度下的锌铝合金硬度

对比例1：

将铸造的锌铝合金，其中，合金中各组分的质量百分比为：22%al，0.2%cu，0.005%mg，余量为zn，按照iso6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》规定，切割成10mm×10mm×6mm的试样。

将铸造态的测试试样通过扫描电镜测试，其微观组织如图4所示，发现试样由层片状组织与粒状组织沟通构成，且晶粒粗大。

将铸造态的测试试样通过透射电镜测试，其微观组织如图5所示，在其粒状组织中，同时发现了富铝的α1相、富锌的η相以及残余的α2相，说明α2相还未充分转化为α1相和η相。

将铸造态的测试试样在hv-1000型显微硬度计上进行硬度试验。试验温度为25°c，载荷为1.96n，加载时间为10s。通过硬度试验，测得试样的维氏硬度为67hv。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。