热处理工艺对低温挤压Zn－15Al锌合金组织及性能的影响

孙世能，王利卿，任玉平，杨波，秦高梧

(东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳110819)



热处理工艺对低温挤压Zn－15Al锌合金组织及性能的影响

孙世能，王利卿，任玉平，杨波，秦高梧

(东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳110819)

摘要:采用拉伸试验和扫描电镜分析技术手段，研究了不同冷却速度对200℃挤压Zn－15Al锌合金的微观组织和室温力学性能的影响.结果表明:经320℃处理1 h后，变形态细小的α( Al)相发生了粗化.经水淬后α( Al)相发生了连续析出，形成了α( Al) +η( Zn)细小的粒状组织，使其强度稍有提高，塑性明显降低.而经空冷后α( Al)相发生了共析分解，形成了细片层状组织，导致其强度提高约1倍，塑性下降约80%.这意味着能够通过热处理工艺来调整变形态Zn－15Al锌合金的力学性能，以满足不同应用领域的要求.

关键词:Zn－15Al锌合金;热处理;微观组织;力学性能

锌铝合金由于具有良好耐腐蚀性能和超塑性而得到广泛研究［1～4］.由于在锌铝合金中具有连续析出、不连续析出、不连续粗化等组织特征，从而使其力学性能在一定范围内可以调控［5～7］.Zn －22Al锌合金作为典型的超塑性合金，唐巍，王经涛等人［8］研究了挤压温度对其组织性能的影响，结果表明在200℃挤压时具有粒状组织，其抗拉强度为125 MPa，延伸率为200%，而在350℃挤压时获得层片状组织，其抗拉强度为300 MPa，延伸率为25%.另一方面，Zn－15Al锌合金作为热喷涂防护材料，张阳明等人［9］研究了280℃挤压Zn－15Al锌合金经300℃固溶10 h后炉冷到室温，获得了片层状组织，其抗拉强度为260 MPa，延伸率为25%.而本文作者［10］对低温挤压Zn－15Al锌合金组织性能进行了研究，获得细小的粒状组织，其抗拉强度为110 MPa，延伸率为170%，远远低于当前热喷涂丝材的力学性能.为了进一步改善其组织性能，以满足不同领域的要求，本文研究了200℃挤压Zn－15Al锌合金后不同冷却方式对其强度和塑性的影响，为更好地理解Zn－15Al锌合金组织和性能的关系提供参考.

1　实验材料和方法

本实验合金原料为纯锌( 99.99 %)和纯铝( 99.99 %).采用石墨坩埚，在720℃完全熔化纯Al后加入纯Zn，待全部熔化后降至500℃保温10 min，然后浇注到直径为60 mm的圆柱形水冷铁模中.铸锭经350℃均匀化处理5 h后水淬.最终在200℃反向挤压成12 mm棒材，挤压比为16.试样在320℃保温1 h水淬或空冷至室温.

不同状态的Zn－15Al锌合金微观组织观察样品经200～2000#水磨砂纸机械研磨和抛光，最终在JSM－6510型扫描电子显微镜上进行组织观察.将不同状态的Zn－15Al锌合金按照GB/T 228.1－2010标准的要求加工成标距为25 mm，标距处直径为5 mm的拉伸试样，在AG－X型万能试验机上进行室温拉伸实验，应变速率为10－3·s－1，并对其断口形貌进行观察.

2　结果与讨论

2.1力学性能

图1表明不同状态Zn－15Al锌合金的工程应力－应变曲线.200℃挤压的Zn－15Al锌合金抗拉强度相当于冷变形纯Zn的抗拉强度，但室温延伸率达到160%以上，具有明显的室温超塑性.经320℃保温1 h水淬和空冷后Zn－15Al锌合金的抗拉强度提高，延伸率降低，但其抗拉强度随着冷却速率的降低而显著提高.相比于挤压态，水淬后的抗拉强度稍有提高即从110 MPa提高到132 MPa，而塑性由170%降低至78%.空冷后其抗拉强度显著提高，塑性明显下降，抗拉强度增加至220 MPa，塑性降低到38%.

2.2微观组织

图2是Zn－15Al锌合金挤压前后的背散射电子形貌.挤压前Zn－15Al锌合金组织存在两种形貌，粗大的初晶富铝α相在凝固过程中通过共析转变产生的片层状组织以及由粗大富锌η相基体上分布α相组成的离异共晶体(图2a).经200℃挤压后粗大的初晶富铝α相尺寸从20 μm下降到1 μm，而富锌η相也发生细化(图2b).这种组织的形成可能是其获得低强高塑的主要原因.

图1　不同状态的Zn－15Al锌合金工程应力应变曲线Fig.1 Engineering stress－strain curves of Zn－15Al alloy with different state

在320℃保温1 h，经不同冷却方式获得的Zn－15Al锌合金，其微观组织如图3所示.经320℃保温1 h后，变形态细小的粒状α相发生了聚集长大，从1 μm增加至10 μm，但其相尺寸小于挤压前组织中的初晶α相，其粗大的富锌η相发生了细化且其内部的弥散分布α相消失.这是其强度相对挤压态合金提高的一个因素.同时由于热处理后得到的热力学不稳定的或亚稳定的过饱和固溶体，在水淬后中并没有抑制α相分解，而发生了连续析出形成了以富Zn相为基体的弥散分布低Zn含量的粒状α相.在空冷后α相发生共析分解形成片层的低Zn含量α相和富锌η相组成的双相组织.这种片层组织形貌的形成可能是Zn－15Al锌合金产生高强低塑的主要原因.

图3　热处理后不同冷却速率的Zn－15Al锌合金微观组织Fig.3 Scanning electron microstructure of heattreated with different cooling rate Zn－15Al alloys( a)—水淬; ( b)—空冷

图4为Zn－15Al锌合金的断口形貌;断口具有明显的韧窝，表现出韧性断裂特征.而挤压后经过320℃保温1 h后合金韧窝较200℃挤压态粗大得多并且随着冷却速度的降低，合金韧窝的直径逐渐变大.因此，挤压态合金塑性最好，320℃保温1 h后经较慢速度冷却的合金塑性最差.这可能是在320℃保温1 h的过程中造成大量的微裂纹迅速传播所致.

3　结论

( 1)变形态Zn－15Al锌合金经320℃保温1 h后，其α( Al)相尺寸由1 μm增加到10 μm.

( 2)长大的α( Al)相经水淬后发生了连续析出，形成了细小的粒状双相组织，使得其强度从110 MPa提高到132 MPa，塑性从170%降低到78%.

( 3)α( Al)相经空冷后发生了共析分解，形成了α( Al) +η( Zn)细片层状组织，导致其强度从110 MPa提高到220 MPa，塑性从170%下降到38%.

图4　不同状态Zn－15Al锌合金的拉伸断口Fig.4 Fracture morphology of Zn－15Al alloy( a)—挤压态; ( b)—水淬; ( c)—空冷

参考文献:

［1］Kawasaki M，Ahn B，Langdon T G.Microstructural evolution in a two－phase alloy processed by high－pressure torsion［J］.Acta Materialia，2010，58 ( 3) : 919－930.

［2］Demirtas M，Purcek G，Yanar H，et al.Improvement of high strain rate and room temperature superplasticity in Zn－22Al alloy by two－step equal－channel angular pressing［J］.Materials Science and Engineering A，2015，620 ( 3) : 233 －240.

［3］Tanaka T，Kohzu M，Takigawa Y，et al.Low cycle fatigue behavior of Zn－22mass% Al alloy exhibiting high－strainrate superplasticity at room temperature［J］.Scripta Materialia，2005，52 ( 3) : 231－236.

［4］Jun J H，Seong K D，Kim J M，et al.Strain－induced microstructural evolution and work softening behavior of Zn－15% Al alloy［J］.Journal of Alloys and Compounds，2007，434－435: 311－314.

［5］Massalski T B.Binary alloy diagrams［M］.Second Edition.OH 44073，USA: ASTM International，1990.240.

［6］Rastegari H，Kermanpur A，Najafizadeh A，et al.Warm deformation processing maps for the plain eutectoid steels［J］.Journal of Alloys and Compounds，2015，626: 136－144.

［7］Zheng Chengsi，Li Longfei，Yang Wangyue，et al.Microstructure evolution and mechanical properties of eutectoid steel with ultrafine or fine ( ferrite + cementite) structure［J］.Materials Science and Engineering A，2014，599: 16－24.

［8］唐巍.Zn－22 wt.% Al合金在雷管延期体中的可行性应用研究［D］.南京:南京理工大学，2012.( Tang Wei.Feasibility study about Zn－22 wt.% Al eutectoid alloy used as delay detonator body［D］.Nanjing: Nanjing University of Science and Technology，2012.)

［9］Zhang Yangming，Yang Lijing，Zeng Xuduo，et al.The mechanism of anneal－hardening phenomenon in extruded Zn －Al alloys［J］.Materials and Design，2013，50: 223－229.

［10］孙世能，王利卿，任玉平，等.挤压比对低温挤压ZA15锌合金组织和力学性能的影响［J］.东北大学学报(自然科学版) (已接受) ( Sun Shineng，Wang Liqing，Ren Yuping，et al.Effect of extrusion ratio on microstructure and mechanical property of ZA15 Zn alloy extruded at lower temperature［J］.Journal of Northeastern University ( Natural Science)，( accepted).)

Effects of heat treatment on microstructure and mechanical property of extruded Zn－15Al Zn alloy at lower extrusion temperature

Sun Shineng，Wang Liqing，Ren Yuping，Yang Bo，Qin Gaowu
( Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials ( Ministry of Education)，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Abstract:The influences of cooling rates during heat treatment on the microstructure and mechanical properties of the extruded Zn－15Al Zn－alloy at 200℃have been investigated by tensile test and scanning electron microscopy.The results show that the fine α( Al) phase of extruded Zn－15Al Zn－alloy at 200℃occurred coarsening by heated treatment at 320℃for 1 h.The tensile strength of extruded Zn－15Al Zn－alloy increased slightly，while the elongation of extruded Zn－15Al Zn－alloy decreased significantly after water quenching，because the α( Al) phase is transformed into α( Al) +η( Zn) fine granular structure though continuous precipitation.After air cooling，the tensile strengthen were increased by about 1 times and the elongation decreased by about 80%，Owing to the α( Al) phase formed a fine lamellar structure decomposition by eutectoid transformation.It is implied that the different mechanical properties can be obtained in the extrusion Zn－15Al Zn alloy manufactured by heat treatment，and the mechanical properties can be satisfied the requirements of different applications.

Key words:Zn－15Al Zn alloy; heat treatment; microstructure; mechanical property

通讯作者:秦高梧( 1970—)，男，教授，博士生导师，E－mail: qingw@ smm.neu.edu.cn.

作者简介:孙世能( 1987—)，男，博士研究生，E－mail: 83290252@163.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目( 51171043，51371046)，教育部新世纪优秀人才( NECT－12－0109)，东北大学基本科研业务费资助项目( N130610002).东北大学优秀博士学位论文培育项目A类.

收稿日期:2015-11-23.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.011

中图分类号:TG 146.13

文献标识码:A

文章编号:1671-6620( 2016) 01-0058-03