林高用，王 莉，張 銳，雷玉霞，賀家健，宋佳勝

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙，410083；2.中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙，410083)

我國銅資源日趨貧乏，但鋅資源卻相對(duì)較豐富，因此，研究開發(fā)出在合適的領(lǐng)域替代貧乏的銅合金的變形鋅合金，受到越來越多材料工作者和產(chǎn)業(yè)界的重視[1-4]。近年來，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了高強(qiáng)變形鋅合金的研制及其熱處理、表面處理及焊接技術(shù)等方面的研究，并取得了一定的研究成果[5-7]。近年來，隨著高強(qiáng)易切削鋅合金應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)其性能要求也越來越高。在成分和各種加工工藝不變的情況下，要獲得優(yōu)良的性能，制定合適的熱處理工藝是一個(gè)有效的途徑。一些專家學(xué)者研究了熱處理對(duì)鋅合金組織和性能的影響，并指出鋅合金經(jīng)過一定溫度的退火處理后，促進(jìn)ε相(CuZn4)的析出，從而提高了合金強(qiáng)度和塑性[8-12]。

在易切削黃銅替代材料研究方面，近年來以本文作者為主的課題組開展了一系列較深入的工作[13-14]。通過添加 Bi、Sn等元素，開發(fā)了一種高強(qiáng)度易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金擠壓型材，用于制作手表鏈、皮帶扣、衛(wèi)浴間配件等。其抗拉強(qiáng)度為335MPa，伸長率為9.7%，已接近擬取代的HPb59-1鉛黃銅的力學(xué)性能指標(biāo)(σb=440 MPa，δ=3%)，其切削性能也達(dá)到鉛黃銅切削率的 70%～90%。本文作者通過系統(tǒng)的試驗(yàn)，深入研究了固溶-時(shí)效熱處理對(duì)自制易切削試驗(yàn)合金擠壓態(tài)組織和性能的影響，為材料的后續(xù)加工成形提供理論指導(dǎo)。國內(nèi)除本文作者外，目前還沒有關(guān)于以鋅代銅用鋅合金組織、切削性能及其固溶-時(shí)效熱處理的其它研究報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)

本研究所用試驗(yàn)材料是自行研制的高強(qiáng)易切削變形Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金。將鑄錠鋸尾、車皮后在 3150kN立式擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，擠壓工藝參數(shù)如下：模具預(yù)熱溫度192 ℃，擠壓筒預(yù)熱溫度200℃，鑄錠加熱溫度250～260 ℃；擠壓比λ=11.9 (d50 mm鑄錠→d14.5 mm擠制棒材)。根據(jù)Zn-Al合金相圖及鋅合金相關(guān)文獻(xiàn)資料[1,4,7]，對(duì)該合金進(jìn)行固溶-時(shí)效熱處理試驗(yàn)。第一步研究合金高溫工藝，使合金中的非平衡β相發(fā)生共析反應(yīng)。首先研究保溫時(shí)間均為30 min時(shí)，加熱溫度分別為300、325、350和375 ℃時(shí)合金硬度的變化，根據(jù)硬度測(cè)試結(jié)果再研究當(dāng)溫度一定時(shí)，保溫時(shí)間分別為15、30、45和60 min時(shí)合金硬度的變化，從而確定鋅合金較佳固溶工藝。第二步研究合金低溫時(shí)效工藝，使合金中的過飽和固溶體發(fā)生充分的脫溶分解。固溶后的合金首先在100 ℃進(jìn)行時(shí)效處理，保溫時(shí)間分別為10 min、30 min、1 h、3 h、5 h、8 h、12 h和24 h，通過合金硬度測(cè)試結(jié)果和組織觀察，確定合金較佳的時(shí)效時(shí)間，然后研究在時(shí)間一定時(shí)，不同時(shí)效溫度對(duì)合金硬度的影響，從而確定合金較佳的時(shí)效工藝。

在電子布氏硬度計(jì)上測(cè)定合金不同狀態(tài)的布氏硬度，試驗(yàn)載荷2450 N，鋼球直徑5 mm，載荷保持時(shí)間30 s；將合金擠壓態(tài)、熱處理態(tài)按GB/T 228-2002制成拉伸試樣，在CSS-44100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為 2 mm/min；采用POLYVAR-MET型金相顯微鏡觀察合金金相組織；利用Sirion200場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和Tecnai G220透射電鏡觀察合金微觀組織；在Rigaku D/max 2500型X射線衍射儀上進(jìn)行合金不同狀態(tài)的物相分析；固定進(jìn)刀量及加工速度，在 CD6140A機(jī)床上對(duì)合金進(jìn)行車削加工，比較合金擠壓態(tài)、熱處理態(tài)及HPb59-1鉛黃銅試樣在普通鉆床上的切削性能，鉆削過程中不加切削液，也不加冷卻液，觀察切屑的形貌特點(diǎn)，及切削過程中材料的發(fā)熱、硬度、粘鉆頭和扭斷鉆頭等情況，以定性評(píng)價(jià)該鋅合金在不同狀態(tài)下的切削性能。根據(jù)客戶生產(chǎn)要求，不加切削液條件下較易斷屑且不粘刀即可滿足要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬度測(cè)試結(jié)果與分析

表1所示為試驗(yàn)合金擠壓態(tài)固溶熱處理后硬度隨固溶溫度和固溶時(shí)間的變化。從表1可以看出，當(dāng)固溶時(shí)間為30 min時(shí)，隨著固溶溫度的升高，合金的硬度先增大后減小，固溶溫度為350 ℃時(shí)，合金硬度出現(xiàn)峰值。而當(dāng)固溶溫度為350 ℃時(shí)，合金硬度隨固溶時(shí)間的延長也呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)。經(jīng)(350 ℃，30 min)固溶處理后合金硬度值最高，達(dá)到132.3HB，與合金擠壓態(tài)相比，硬度提高了44%。因此，通過硬度測(cè)試結(jié)果，初步認(rèn)為易切削變形易切削Zn-Al合金采用(350 ℃，30 min)的固溶處理工藝較為適宜。

試驗(yàn)合金擠壓態(tài)經(jīng)(350 ℃，30 min)固溶處理后再進(jìn)行時(shí)效熱處理，合金硬度隨時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間的變化情況如表2所示。從表2可以看出，合金在100 ℃進(jìn)行時(shí)效熱處理，保溫10 min時(shí)，合金硬度出現(xiàn)峰值，達(dá)到132.9 HB，比合金固溶態(tài)硬度增加了3.5%；之后隨著時(shí)效時(shí)間的增加，合金硬度呈下降趨勢(shì)，且一開始急劇下降，時(shí)效時(shí)間為8 h后趨于緩慢；當(dāng)時(shí)效時(shí)間為12 h時(shí)，合金硬度為102.2 HB，比擠壓態(tài)硬度增加了11.3%。當(dāng)時(shí)效時(shí)間均為12 h時(shí)，分別在70、100和140 ℃對(duì)合金進(jìn)行低溫、中溫和高溫時(shí)效，隨著時(shí)效溫度的增加，合金硬度降低；經(jīng)(100 ℃，12 h)中溫時(shí)效的合金硬度，比經(jīng)(70 ℃，12 h)低溫時(shí)效的合金硬度低1.7%，比經(jīng)(140 ℃，12 h)高溫時(shí)效的合金硬度高4.7%。所以，易切削變形易切削Zn-Al合金時(shí)效熱處理的時(shí)間以8 ～12 h較適宜。

表1 易切削 Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金硬度隨固溶溫度和固溶時(shí)間的變化Table 1 Hardness tests results of free-cutting deformation Zn-Al alloys according to temperature and holding time of solid solution treatment

表2 易切削 Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金硬度隨時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度的變化Table 2 Hardness tests results of free-cutting Zn-Al alloys according to temperature and holding time of aging treatment

2.2 X射線衍射分析

試驗(yàn)合金擠壓態(tài)經(jīng)固溶-時(shí)效熱處理后的XRD譜如圖1所示，衍射角 2θ選擇 35°～47°，掃描速度1(°)/min，不考慮低熔點(diǎn)的Bi和SnBi相，僅研究合金在固溶-時(shí)效熱處理過程中的相變。從圖1(a)可以看出，試驗(yàn)合金擠壓態(tài)主要包括η相(以鋅為基的固溶體，HCP結(jié)構(gòu))、α相(以鋁為基的固溶體，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu))。從圖1(b)中不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)固溶處理后，合金中的α相減少，結(jié)合Zn-Al二元相圖可知，合金固溶態(tài)主要包括η相、β相(以Al為基的固溶體或以ZnAl為基的有序固溶體，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu))。由于β相為亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，時(shí)效后將析出富鋁α相和富鋅η相的層片狀、胞狀或粒狀組織。β相分解速度很快，從圖1(c)可以看出，試驗(yàn)合金經(jīng)(100 ℃，10 min)時(shí)效，β相的分解已基本完成。而合金經(jīng)過(100 ℃，30 min)時(shí)效或更長時(shí)間的時(shí)效，XRD譜中還可以分析出含有少量的ε相(CuZn4)(見圖1(d))，而擠壓態(tài)和固溶態(tài)由于Cu固溶到基體中，沒有析出或僅極少的析出ε相。本研究試制的易切削變形易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金由于Cu含量較少，不超過2%，因此，ε相含量很少，經(jīng)過100 ℃長時(shí)間時(shí)效，也不會(huì)發(fā)生使合金體積膨脹的α+ε→T′+η四相反應(yīng)，而根據(jù)參考文獻(xiàn)[4,11-12]可知，四相反應(yīng)在Cu含量較高的ZA27、ZnAl7Cu3時(shí)效過程中可以明顯觀察到。

2.3 顯微組織分析

對(duì)試驗(yàn)合金擠壓態(tài)進(jìn)行顯微組織分析，包括掃描電鏡觀察、透射電鏡觀察及微區(qū)成分分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，合金擠壓態(tài)組織均勻且非常細(xì)小，主要包括富鋅η相、α+η層片狀、胞狀及粒狀組織、非平衡β相、彌散分布的低熔點(diǎn) Bi相及SnBi相；低熔點(diǎn)Bi相及SnBi相以白色點(diǎn)狀彌散分布在基體中，在合金機(jī)加工時(shí)起到斷屑作用，從而改善鋅合金切削性能。從圖2 (b)可以明顯觀察到試驗(yàn)合金擠壓態(tài)微觀組織中的α+η層片狀組織；參考圖2(b)中的微區(qū)A、B和C進(jìn)行成分分析可知，微區(qū)A為η相，微區(qū)B為α相，微區(qū)C為非平衡的過飽和β相；從圖(c)～(e)可以觀察到試驗(yàn)合金擠壓態(tài)微觀組織中的α+η胞狀、粒狀組織以及合金加工過程中形成的位錯(cuò)纏結(jié)現(xiàn)象。

合金經(jīng)固溶后得到熱力學(xué)上不穩(wěn)定的或亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，由于是不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的，存在自發(fā)分解的趨勢(shì)，因此，固溶后需要對(duì)合金再進(jìn)行時(shí)效熱處理。過飽和β固溶體的分解在Zn-Al合金相變研究中占有很重要的地位[4]。已有的研究認(rèn)為，隨著Zn含量的提高，過飽和β固溶體的分解速度增大；過飽和β固溶體時(shí)效過程中的分解較為復(fù)雜，在平衡沉淀相出現(xiàn)之前會(huì)出現(xiàn)一種或多種亞穩(wěn)定的組織。過飽和β固溶體時(shí)效沉淀的一般序列有如下幾種：β→GP區(qū)→R相合金過飽和β固溶體時(shí)效沉淀包括連續(xù)沉淀和不連續(xù)沉淀，其中不連續(xù)沉淀可分為3種不同類型的反應(yīng)：1)傳統(tǒng)的胞狀反應(yīng)；2)自催化的胞狀反應(yīng)；3)β相的粒狀沉淀。通過胞狀反應(yīng)，β固溶體分解為富鋁的α相和富鋅η相相間排列的層片狀組織；在較低的溫度下，不連續(xù)沉淀反應(yīng)可得到與胞狀反應(yīng)截然不同的粒狀沉淀組織；傳統(tǒng)的胞狀沉淀可以與連續(xù)的 Spinodal分解同時(shí)進(jìn)行；粒狀沉淀也可在 Spinodal基體上發(fā)生[1,15]。

圖1 易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金固溶-時(shí)效后的XRD譜Fig.1 XRD patterns of free-cutting Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn alloy after solution and aging treatment: (a)As-extruded; (b)Solid solution (350 ℃, 30min); (c)Solution and aging (350℃, 30min)+(100 ℃, 10min); (d)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100℃, 15 min); (e)Solution and aging (350 ℃, 30min)+(100 ℃, 30 min); (f)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 1 h);(g)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 3 h); (h)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 5 h); (i)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 8 h); (j)Solution and aging (350 ℃, 30 min)+(100 ℃, 12 h)

對(duì)經(jīng)過(350 ℃，30 min)固溶處理后，再經(jīng)過(100℃，12 h)人工時(shí)效的試驗(yàn)合金進(jìn)行微觀組織觀察，結(jié)果如圖3所示。合金(100 ℃，12 h)時(shí)效態(tài)組織主要為富鋅η相、α+η層片狀、胞狀及粒狀組織、少量的 ε相(CuZn4)混合物；且α+η胞狀和粒狀組織較擠壓態(tài)明顯增多，層片狀組織減少，合金組織趨于穩(wěn)定。對(duì)圖3(a)中的微區(qū)A、B和C進(jìn)行成分分析可知，微區(qū)A為η相，微區(qū)B為α相，微區(qū)C為ε相(CuZn4)；由于自制易切削Zn-Al合金中Cu含量少，Cu可以部分固溶到基體中，因此，擠壓態(tài)中很難觀察到ε相，而時(shí)效過程中，ε相析出而容易被觀察到，這也與前面 X射線衍射分析結(jié)果相一致。

2.4 室溫力學(xué)性能

自行研制的易切削性能優(yōu)異的 Zn-10Al-1.0CuxBi-ySn合金擠壓態(tài)和經(jīng)(350 ℃，12 h)固溶+(100 ℃，12 h)時(shí)效態(tài)的室溫力學(xué)性能如表3所列。從表3可以看出，熱處理后合金強(qiáng)度稍有下降，但塑性明顯提高。合金擠壓態(tài)抗拉強(qiáng)度為334.39 MPa，熱處理態(tài)抗拉強(qiáng)度為327.05 MPa，后者比前者低2.2%；而擠壓態(tài)伸長率為9.5%，熱處理態(tài)伸長率為20.5%，后者比前者擠高115.8%。這是由于合金擠壓態(tài)組織主要為α+η層片狀組織，而經(jīng)過固溶-時(shí)效熱處理后合金為α+η層片狀和胞狀、粒狀組織混合物，根據(jù)文獻(xiàn)資料[1,15]，Zn-Al合金層片狀組織具有較高的強(qiáng)度，塑性較差。這表明熱處理可能在保持試驗(yàn)合金抗拉強(qiáng)度基本不變的同時(shí)，顯著提高試驗(yàn)合金的塑性，從而提高試驗(yàn)合金的綜合性能。

圖2 Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金擠壓態(tài)顯微組織分析Fig.2 Microstructures of as-extruded Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn alloys: (a)SEM image; (b)-(e)TEM images；(f)EDS pattern of point A; (g)EDS pattern of point B; (h)EDS pattern of point C

圖3 易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金固溶-時(shí)效態(tài)微觀組織分析Fig.3 Microstructures of free-cutting Zn-Al alloys after solution and aging treatment: (a), (b)TEM images; (c)EDS pattern of point A; (d)EDS pattern of point B; (e)EDS pattern of point C

表3 易切削Zn-Al合金力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of free-cutting Zn-Al alloy

2.5 切削性能

試驗(yàn)合金擠壓態(tài)和(350 ℃，12 h)固溶+(100 ℃，12 h)時(shí)效態(tài)的車屑形貌如圖4所示。從圖4可以看出，同擠壓態(tài)一樣，固溶-時(shí)效熱處理后的易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金切削性能仍然非常好，表現(xiàn)為車削加工過程中易斷屑、 不沾刀，車屑細(xì)小呈直條狀。固溶-時(shí)效熱處理不會(huì)降低試驗(yàn)合金的切削性能。

圖4 易切削Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金車屑形貌Fig.4 Photos of cuttings of free-cutting Zn-10Al-1.0CuxBi-ySn alloys: (a)As-extruded; (b)Solution and aging treatment

3 結(jié)論

1)高強(qiáng)易切削 Zn-10Al-1.0Cu-xBi-ySn合金較佳的固溶-時(shí)效熱處理工藝為(350 ℃，30 min水冷)+(100 ℃，12 h空冷)。

2)經(jīng)過合理的固溶-時(shí)效熱處理后，合金中的α+η胞狀和粒狀組織增多，層片狀組織減少，并有少量的ε相(CuZn4)析出。

3)熱處理后合金伸長率為20.5%，較擠壓態(tài)伸長率提高了115.8%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到327.05 MPa，仍具有良好的切削性能，表現(xiàn)出較好的綜合性能。

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