高铝锌基合金热膨胀性能的研究 - 文章

高铝锌基合金热膨胀性能的研究

作者：陈美玲陈玉喜

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摘　要　对三种常见的高铝锌基合金ZA12，ZA27，ZA33合金的热膨胀性能进行了试验研究。结果表明：随着合金中Al含量的增加，组织中α固溶体的数量增加，膨胀系数减小；高熔点元素Cu含量的增加，能有效地抑制合金膨胀系数随温度的急剧变化，使使用温度变宽。
关键词：ZA合金　显微组织　膨胀系数

铸造锌基合金(以下简称ZA合金)以其优良的力学性能和低廉的价格越来越受到人们的重视［1，2］。除应用在耐磨零件外，还在模具的生产中占有一席之地［3］。但模具在使用中要求良好的尺寸精度，受外界温度影响时变形量要小，因此探讨ZA合金的热膨胀性对高铝锌基合金在模具上的应用具有重要的意义。

1　试验方法

选择三种常用的ZA合金，其化学成分见表1。

表1　铝锌合金的化学成分(质量分数%)

合　金	Al	Cu	Mg	Zn
ZA12	12	2.0	0.02～0.04	余量
ZA27	27	2.0	0.02～0.04	余量
ZA33	33	3.0	0.02～0.04	余量

硬度在HB3000型硬度计上测量，强度和塑性在WT10型万能试验机上测量，在自制的膨胀系数测定装置上测量膨胀系数(见图1)，并按下式计算膨胀系数［4］。

式中　α——膨胀系数
l——试样原始长度
Δl——试样线膨胀量

图1　膨胀系数测定装置
1. 位移传感器　2. 石英棒　3. 炉盖　4. 电阻炉　5. 热电偶　6. 托架　7. 试样　8. 试样夹

2　试验结果

2.1　力学性能测试结果

三种ZA合金的力学性能如图2所示。

图2　力学性能测试结果

由图2可见，ZA33合金的强度和硬度值最高，伸长率居中。

2.2　膨胀系数测试结果

三种合金的热膨胀系数测试结果见图3，可见三种合金的膨胀系数均随温度升高而增大，且在α-T曲线中均有拐点，在拐点温度以上随温度的升高，膨胀系数急剧增大。但三种合金的拐点温度不同，ZA12和ZA27在150 ℃时出现拐点，而ZA33则在200 ℃时才出现拐点。

图3　膨胀系数测试结果

3　讨　论

3.1　合金元素对显微组织的影响

Al是ZA合金中的主加元素，由于Al溶解Zn的能力很强，虽然是以Zn为基的合金，但显微组织中却以固溶了大量的Zn的富Al的α固溶体为主(见图4)，晶间为(α+β)共析组织。由图4可见，随着合金中Al含量的增加，α固溶体的数量逐渐增加。而在ZA合金中，富Al的α相是强硬相，因此合金表现出较高的强度和硬度。

图4　ZA合金的显微组织　×100

Cu是ZA合金中的主要合金元素。Cu除少量固溶在软的α相中外，大部分以硬质点ε相(即CuZn3相)存在，该硬质点相以弥散的形式分布于软的α基体中，使合金具有很高的耐磨性。随着Cu含量的增加，基体中的ε相明显增多(见图4c)，因而使ZA合金的硬度提高。

3.2　合金元素对膨胀系数的影响

金属热膨胀的实质是组成金属晶体的原子之间产生非线性振动的结果。随着温度的升高，原子振动的振幅加大，原子间距增加，宏观上则表现出金属的热膨胀现象，即随着温度的升高，膨胀系数增大。因此膨胀系数的大小直接反映出原子之间结合能的大小。不同晶格结构类型的金属由于原子间的结合能不同，因而具有不同的膨胀系数，一般是六方晶体结构的金属膨胀系数大于面心立方结构的金属膨胀系数。在ZA合金中，由于富Al的α相是面心立方结构，而富Zn的β相是六方晶体结构，因此随着合金中Al含量的增多，组织中α相数量逐渐增多，其膨胀系数逐渐降低(见图5)。同时随着合金中高熔点元素Cu含量的增加,膨胀系数随温度急剧变大的拐点温度增加(见图3)，这表明，高熔点元素Cu的存在，使原子之间的结合力不那么脆弱，在一定的温度范围内，能有效地阻碍晶格中空位的产生，从而使膨胀系数随温度的变化比较平缓，但在高温下(T=0.6T溶)，这种阻碍作用逐渐消失，晶格中产生大量空位，合金趋于熔化，因而膨胀系数急剧增大。

图5　膨胀系数随Al含量的变化

4　结　论

(1) ZA合金中随着合金元素Al含量的增加，组织中α的数量增加，合金膨胀系数减小。
(2) ZA合金中高熔点元素Cu含量的增加，可以有效地降低合金的膨胀系数，并在一定温度范围内能抑制膨胀系数随温度的急剧变化。

作者单位：大连铁道学院

参考文献
　[1]　谢敬佩，涂益民，朱跃峰等.新型轴承合金材料的研究.特种铸造及有色合金，1992(6):1～4
　[2]　骆灼旋，陈华信，吴春苗等.提高锌铝合金性能的途径.铸造，1992(4):28～32
　[3]　张佩琛.锌基合金铸造铜餐具冷冲压成型模.特种铸造及有色合金，1991(6):24～25
　[4]　田　莳，李季臣，李邦淑.金属物理性能.北京：航空工业出版社，1985.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/12/2005)


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