一种提高锌铝铜镍钼锰合金热疲劳性能的复合变质剂的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于锌铝合金制备技术领域，特指一种提高锌铝铜镍钥锰合金热疲劳性能 的复合变质剂。
【背景技术】
[0002] 铸造锌铝合金凭借优良的力学性能、机加工性能、耐磨损性能、低能耗、无污染等 优良特点在工程上获得了较为广泛的应用。目前，生产生活上使用锌铝合金代替黄铜、锡青 铜、铝青铜用于结构件、耐磨件、塑料及橡胶模具等，具有很强的市场竞争力。但锌铝合金的 线膨胀系数较大，尺寸稳定性差，在室温或中高温下，材料发生持续不回复膨胀，这对于应 用于过盈配合和速度变化的工况，就产生严重问题。另外，该材料在高于120°C时，将发生软 化，高温力学性能、机械性能急剧下降，丧失使用性能，这些缺点使其工作温度限制在120°C 以下，仅适合低速重载，因此，若有办法弥补高铝锌基合金的这些不足，，必能大大扩展其工 程应用的价值。
[0003] 由于锌铝合金的共晶温度以及再结晶温度较低，因而合金的高温强度低，而锌铝 合金的使用很多都牵涉到高温的环境，热疲劳断裂是一大重要的使用隐患。目前，关于锌 铝合金热疲劳性能的研究很少，因此对锌铝合金热疲劳性能的研究相当迫切。国内热疲劳 的定量研究还比较落后，更难以解决生产实践中的热疲劳问题。很多元素在锌铝合金中主 要用于改善热加工性能和铸件组织，防止偏析；获得高强度、良好的热疲劳性能以及耐磨性 能。因此，本发明开发出一种提高锌铝铜镍钥锰合金热疲劳性能的复合变质剂。
【发明内容】
[0004] 本发明开发出一种提高锌铝铜镍钥锰合金热疲劳性能的复合变质剂。其特征为： 成分按重量百分比计算，c〇l〇-15%、Sr8-12%、Na8-12%、Ca6-10%、Mo6-10%、Cr3-7%、Ce3-7%、 Eul-4%、Sml-4%、B1-4%、余为铝。所述变质剂为块状灰白色合金，粒度范围0. 5~40mm，熔点 范围70(n〇00°C。复合变质剂加入量范围为0. 3%-l. 1%。
[0005] 上述用于锌铝铜镍钥锰合金的复合变质剂，成分可优选为：Col2_13%、Srl〇-ll%、 NalO-11%、Ca8-9%、Mo8-9%、Cr5-6%、Ce5-6%、Eu2-3%、Sm2-3%、B2-3%、余为铝。复合变质剂 加入量优选范围为〇. 7%-0. 9%。
[0006]
【附图说明】 图1热疲劳试样尺寸(单位mm) 图2未加入复合变质剂试样在20°C-2KTC循环7000次裂纹图 图3加入0. 3%复合变质剂试样在20°C-2KTC循环7000次裂纹图 图4加入0. 5%复合变质剂试样在20°C-2KTC循环7000次裂纹图 图5加入0. 9%复合变质剂试样在20°C-2KTC循环7000次裂纹图 图6加入1. 1%复合变质剂试样在20°C-2KTC循环7000次裂纹图 图2 - 6为热循环次数到9000次时，5组试样的V型缺口处热疲劳裂纹形貌。随着热 循环次数的增加，裂纹继续扩展，各试样主裂纹变得更长更粗。加入0. 5 - 0. 9%复合变质 剂试样的裂纹较短且细小（图4 一图5)，主裂纹没有出现分叉，试样基体强度保持较好。主 要是因为以下四点，一是加入复合变质剂量适中，在热应力作用下缺口塑性变形时，复杂化 合物相相能随基体一起协同作用，不容易脱落引起应力集中；二是因为复杂化合物相的存 在，阻止了原子的扩散和晶粒的长大，提高了合金的热稳定性和热强性；三是因为复杂化合 物相大小适中，数量较多，分布均匀，裂纹很容易会遇到富复杂化合物相，当复杂化合物相 与裂纹面发生接触时，可能会引起裂纹的闭合；未加入复合变质剂试样（图2)，氧容易进入 基体内部，引起高温氧化反应，促进了热疲劳裂纹的萌生和扩展。如图1所示，试样离缺口 较远处出现很多与缺口主裂纹未连接的微裂纹，这些微裂纹大多是在晶间处形成，并且沿 着晶间扩展，有相互连接趋势，逐渐形成网状裂纹，促进了之后的裂纹扩展，裂纹通过分叉 以寻求最佳的扩展路径，晶界与裂纹扩展方向偏差较大，裂纹沿着曲折的晶界扩展。加入 1. 1%复合变质剂试样主裂纹出现了分叉（图6)，表面氧化较严重。这主要是由于试样析出 的复杂化合物相较大，在热循环过程中，大尺寸复杂化合物相较难协同基体的流动，容易受 到位错塞积，因而在复杂化合物相与界面处产生较大的应力集中。当滑移的切应力大于复 杂化合物相与基体的界面结合力时，复杂化合物相会脱落，在复杂化合物相脱落处，容易氧 化，并且会引起应力集中，吸引主裂纹向该处扩展，使主裂纹出现了分叉。从上述分析可知， 加入0. 5 - 0. 9%复合变质剂试样在热循环过程中产生的裂纹最少，反应出锌铝铜镍钥锰合 金材料的热疲劳性能最好。
[0007]
【具体实施方式】。 实施例
[0008] 以工业铝锭AOO号、锌锭0号、铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝钥中间合金、铝 锰中间合金、复合变质剂（其中W12-16%、Mol2-16%、Zr8-12%、Ni5-10%、Ti4-6%、Sr4-6%、 1^3-5%、他3-5%、￥1-3%、制1-3%、？^-3%、余为铝)、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按 A137-39%、Cu2-2. 5% (以含铜50%的铝铜中间合金形式加入)、NiO. 4-0. 5% (以含镍40%的铝 镍中间合金形式加入)、M〇0. 3-0. 4%(以含钥40%的铝钥中间合金形式加入)、MnO. 2-0. 3%(以 含Mn40%的铝锰中间合金形式加入）、复合变质剂0-1. 1%、MgO. 014-0. 02%、余量是Zn的比 例称重后在感应溶炼炉中溶炼。溶炼工艺为：先加入错徒、锋徒、错铜中间合金、错媒中间 合金、铝钥中间合金、铝锰中间合金、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至60(T65(TC时 保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，用含金属液 0. 2%的脱水ZnCl2进行精炼，精炼时用钟罩将脱水ZnCl2压入金属液中，静置8min-10min 后扒渣除气，待温度为560°C-58(TC时准备浇注。铸造工艺为：砂型铸造，底板为金属型，将 熔炼好的锌铝铜镍钥锰合金浇铸成长250mm、宽40mm、高70mm的毛坯，根据加入复合变质剂 的含量不同，浇铸出六组复合变质剂不同含量的锌铝铜镍钥锰合金毛坯，其复合变质剂加 入量分别为〇%、〇. 3%、0. 5%、0. 7%、0. 9%、1. 1%、，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性 能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行。通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样 尺寸为长40mm、宽10mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。
[0009] 采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡 具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达 到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温 20°C至210°C之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温 2KTC，水温20°C(流动自来水)。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环 加热时间为120s，入水冷却时间为5s，直至预定循环次数。对于研究热疲劳裂纹萌生的试 样，每循环500次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.Imm作为裂纹 萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数，观察并对裂纹的萌生位置照相。对于研究热疲劳裂 纹扩展的试样，每循环1000次，取下试样，抛光并观察。测量表面裂纹长度。表1为加入不 同复合变质剂对锌铝铜镍钥锰合金裂纹长度的影响。由表1可以看出，复合变质剂加入量 为0. 5%-0. 9%时，锌铝铜镍钥锰合金热疲劳性能最好。
[0010] 表1锌铝铜镍钥锰合金加入不同复合变质剂在20°C-2KTC循环后的的裂纹长度 (mm)
【主权项】
1. 一种提高锌铝铜镍钥锰合金热疲劳性能的复合变质剂，其特征为：成分按重量百 分比计算，Col〇-15%、Sr8-12%、Na8-12%、Ca6-10%、M〇6-10%、Cr3-7%、Ce3-7%、Eul-4%、 Sml-4%、B1-4%、余为铝；所述变质剂为块状灰白色合金，粒度范围0. 5~40mm，熔点范围 70(T100 (rC ;复合变质剂加入量范围为0? 3%-L 1%。2. 根据权利要求1所述一种提高锌铝铜镍钥锰合金热疲劳性能的复合变质剂，成分 可优选为：Col2-13%、Srl〇-ll%、NalO-11%、Ca8-9%、Mo8-9%、Cr5-6%、Ce5-6%、Eu2-3%、 Sm2-3%、B2-3%、余为铝。3. 根据权利要求1所述一种提高锌铝铜镍钥锰合金热疲劳性能的复合变质剂，加入量 优选范围为0. 7%-0. 9%。
【专利摘要】一种提高锌铝铜镍钼锰合金热疲劳性能的复合变质剂，属于锌铝合金制备技术领域，其特征为：成分按重量百分比计算，Co10-15%、Sr8-12%、Na8-12%、Ca6-10%、Mo6-10%、Cr3-7%、Ce3-7%、Eu1-4%、Sm1-4%、B1-4%、余为铝。所述变质剂为块状灰白色合金，粒度范围0.5~40mm，熔点范围700~1000℃。复合变质剂加入量范围为0.3%-1.1%。
【IPC分类】C22C1/06, C22C21/00, C22C30/00, B22D27/20
【公开号】CN105088046
【申请号】CN201410198655
【发明人】李晓薇, 许亮, 许超, 赵罗根, 陆松华
【申请人】镇江忆诺唯记忆合金有限公司
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月13日