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   摘  要：針對(duì)某型鋅鋁合金時(shí)效處理后硬度低問題，經(jīng)來料硬度檢查、化學(xué)成分分析、金相檢查、SEM+EDS分析、材料熱處理性能分析、熱處理驗(yàn)證試驗(yàn)等方法，確認(rèn)該合金是在ZA50型系列鋅鋁合金的基礎(chǔ)上開發(fā)得到，并找出該型合金的熱處理規(guī)律，針對(duì)具體的硬度需求，提出改善措施。

 

1  背景介紹

 

      某型鋅鋁合金用N型代替。技術(shù)要求熱處理后硬度145HV以上。送檢前，客戶采用120～220°C區(qū)間的各種溫度時(shí)效12小時(shí)試驗(yàn)，結(jié)果硬度都低于145HV，無法正常生產(chǎn)，需分析原因。

 

2  檢查分析

 

2.1  來樣硬度檢查

 

      對(duì)熱處理前、后的產(chǎn)品切片檢驗(yàn)硬度，熱處理前的產(chǎn)品硬度檢測(cè)結(jié)果為：147～148HV0.2，接近技術(shù)要求的下限值；經(jīng)188°Cx12h熱處理后的產(chǎn)品硬度檢測(cè)結(jié)果為：89.5～96.5HV0.2，硬度下降，硬度值低于技術(shù)要求。

 

2.2  化學(xué)成分分析

 

      采用硫碳分析儀+ICP檢查來樣材料化學(xué)成分，結(jié)果見表1，主要成分為Al/Zn/Cu/Si/Fe，沒有檢測(cè)到C和S含量。與ZA50型鋅鋁合金元素含量對(duì)比，確定N型鋅鋁合金實(shí)際上屬于ZA50型系列鋅鋁合金成分。

 

表1：化學(xué)元素分析結(jié)果 (Wt%)

 

 

2.3  金相檢查

 

      圖1是熱處理前組織，可以觀察到枝晶形態(tài)，是鑄造組織。結(jié)合相圖分析得出：金相組織為初生的α相（白色）和α相之間（α+β）共析體（黑色）及第二相質(zhì)點(diǎn)。初生相α中析出較多顆粒狀共析組織，說明鑄造冷卻速度較慢。

 

      圖2是經(jīng)188°C x 12h時(shí)效處理后的組織。已看不出樹枝晶，析出相增多，形狀改變，顆粒聚集，并開始變得粗大，是過時(shí)效組織。過時(shí)效組織硬度較低。

 

 

圖1. 熱處理前 （ 熱處理前1000X）       

 

 

圖2. 熱處理后 （1000X）

 

2.4  SEM + EDS分析

 

      圖3是客戶熱處理前樣件3000X電鏡圖片， 在晶界析出片狀組織為共析組織；而圖4，同樣3000X下觀察188°C x 12h時(shí)效處理后的組織，已看不到片狀共析組織。晶界白色顆粒聚集長大。

 

      圖5、圖6是在5000X下熱處理前后組織，用EDS探測(cè)圖5中熱處理前微區(qū)成分1～4，圖7～10分別是微區(qū)1～4的能譜圖，探測(cè)結(jié)果如表2所示。其中的F含量應(yīng)該是組織腐蝕液中含有HF酸的原因，在表3中不再列出。

 

      EDS分析結(jié)果表明，灰色區(qū)域1和黑色的背景3都是固溶有Zn的富Al固溶體，白色的3和4是共析組織，分別析出在а初生相的晶界和晶內(nèi)，與金相分析結(jié)果一致。

 

      圖11～14分別是對(duì)圖8中1～4微小區(qū)域內(nèi)， 即188°C x 12h時(shí)效處理后的微觀組織所對(duì)應(yīng)的能譜探測(cè)圖，表3是EDS分析結(jié)果。與熱處理前的EDS結(jié)果比較，不難看出：共析組織（微區(qū)2和4）形狀由細(xì)片狀改變?yōu)榇执箢w粒狀，并且隨著Si、Cu、Mn等強(qiáng)化元素的析出、合金相的聚集，基體硬度下降，產(chǎn)生過時(shí)效。Fe元素以針狀形態(tài)析出，是有害元素，含量輕微時(shí)，對(duì)材料性能影響不大。

 

 

圖3. 熱處理前（3000X）

 

 

圖4. 熱處理后（3000X）

 

 

圖5. 熱處理前 （5000X）

 

 

圖6. 熱處理后 （5000X）

 

 

圖7. 熱處理前1         

 

 

圖8.熱處理前2

 

 

圖9. 熱處理前3   

 

 

  圖10. 熱處理前4

 

表2: 熱處理前樣品EDS測(cè)試結(jié)果 (Wt%)

 

 

 

圖11. 熱處理后1 

 

 

    圖12. 熱處理后2

 

 

圖13. 熱處理后3   

 

 

 圖14. 熱處理后4

 

表3: 熱處理后樣品EDS測(cè)試結(jié)果 (Wt%)

 

 

3  材料熱處理性能分析

 

      N型鋅鋁合金成分屬于Z-A50型系列鋅鋁合金，是在Z-A50型鋅鋁合金的基礎(chǔ)上增加少量Al，Si而來的。提高Al含量，有助于提高合金的力學(xué)性能；鋅鋁合金中添加2～8%Si可以大大改善合金的耐磨性，而且有利于提高長期時(shí)效下的尺寸穩(wěn)定性。

 

      N型鋅鋁合金可以通過熱處理調(diào)節(jié)鑄件的性能，適當(dāng)熱處理可以穩(wěn)定組織，改善合金的尺寸穩(wěn)定性。

 

      對(duì)未熱處理來料硬度檢查結(jié)果為147～148HV，表明N型鋅鋁合金在金屬型鑄態(tài)時(shí)就具有較高的硬度，接近于技術(shù)要求的下限值。在過時(shí)效條件下，隨時(shí)效溫度的提高，時(shí)效時(shí)間的延長，強(qiáng)度、硬度下降，延伸率及沖擊韌性增加。

 

      表4中序號(hào)1試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)N型鋅鋁合金采用金屬型鑄造（不做固溶處理）+（200°C x 1.5h）時(shí)效處理，硬度為90～106HV，強(qiáng)度、硬度下降，低于客戶要求的145HV，伸長率則會(huì)提高。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，N型鋅鋁合金固溶化雖可提高合金的硬度，但后續(xù)的時(shí)效硬度峰值出現(xiàn)早，如果時(shí)效溫度高，時(shí)效時(shí)間長，硬度下降。在保證硬度技術(shù)要求的前提下，適當(dāng)過時(shí)效可以獲得良好的綜合性能。如果過時(shí)效嚴(yán)重，硬度則會(huì)低于技術(shù)要求。

 

      如果不經(jīng)固溶處理做人工時(shí)效12小時(shí)，即使是在120～188°C的低溫下時(shí)效，也會(huì)產(chǎn)生過時(shí)效，導(dǎo)致熱處理后硬度顯著下降。因此溫度和時(shí)間是時(shí)效處理的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

 

4  熱處理驗(yàn)證試驗(yàn)

 

      表4是熱處理驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)，硬度測(cè)試是在熱處理后48小時(shí)測(cè)定的。用未經(jīng)熱處理的來料做固溶處理，硬度可升高到180HV0.2，即使是固溶后空冷，硬度也達(dá)到175HV，高于未經(jīng)熱處理來料。隨后的時(shí)效熱處理，在100°C保溫50分鐘，升高到193HV的峰值。當(dāng)保溫時(shí)間延長到70分鐘，硬度為185～190HV，硬度開始下降。證實(shí)，N型合金即使是在100°C時(shí)效，保溫50分鐘左右就可以達(dá)到硬度峰值。時(shí)效時(shí)間再延長，硬度下降。

 

表4: 熱處理驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù) (HV0.2)

 

 

 

      比較不同熱處理工藝驗(yàn)證下的金相組織（如圖15～18），固溶水冷后未時(shí)效的金相組織中，晶界合金相析出少，初生а相顏色灰白，晶內(nèi)析出少；固溶空冷后未時(shí)效的金相組織，初生а相顏色灰色，晶界析出相增加不明顯，與固溶水冷后未時(shí)效的金相組織差別不大；固溶水冷+100°C時(shí)效50分鐘，晶界析出相與固溶水冷后相同，初生а相顏色灰白色，晶內(nèi)合金相彌散析出；固溶水冷+100°C時(shí)效70分鐘，晶界黑色二次相開始聚集，初生а相內(nèi)析出相明顯增多。

 

熱處理驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

 

 

圖15. 固溶水冷未時(shí)效 (1000X)

 

 

圖16. 固溶空冷未時(shí)效 (1000X)  

 

 

圖17. 固溶水冷+100°C時(shí)效50分鐘

 

 

圖18. 固溶水冷+100°C時(shí)效70分鐘

 

5  結(jié)論

 

      熱處理硬度低的原因是產(chǎn)品未經(jīng)固溶處理，隨后的熱處理溫度高，保溫時(shí)間長，產(chǎn)生過時(shí)效。

 

6  建議

 

      （1） 根據(jù)產(chǎn)品特性及硬度高于145HV的技術(shù)要求，建議采用“固溶后空冷+100～120°C時(shí)效”的熱處理工藝。固溶處理組織越好，時(shí)效時(shí)間可以相應(yīng)延長。在保證硬度技術(shù)要求的前提下，時(shí)效越充分，綜合性能越好；

 

      （2） 對(duì)于熱處理后硬度低于145HV的產(chǎn)品，可以按照“固溶+人工時(shí)效”的方法做返修處理。

 

參考文獻(xiàn)：

 

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