含鉭鑄造鋅-鋁合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含有微量鉭元素的鋅-鋁合金及其制備方法，屬于金屬合金材料
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鑄造鋅_鋁合金具有很好的鑄造工藝、機(jī)械加工工藝性能及較好的力學(xué)性能，應(yīng) 用較為廣泛。實(shí)際生產(chǎn)中，往往采用不同方法對(duì)二元鋅-鋁合金進(jìn)行處理以改善其組織結(jié) 構(gòu)、達(dá)到進(jìn)一步提高力學(xué)性能的目的。這些方法主要有熱處理、晶粒細(xì)化、合金化等。合金 化是在二元鋅-鋁合金的基礎(chǔ)上添加適量其它元素得到以鋅-鋁為基體的多元合金。已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)在鋅-鋁合金中加入少量銅和鎂元素可以提高鋅-鋁合金性能，這主要得益于兩方面 作用：（1)銅和鎂元素能夠固溶于合金的a-Al晶粒中，從而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用；（2)這兩 種元素與鋁形成化合物粒子，產(chǎn)生粒子強(qiáng)化作用。然而，當(dāng)銅、鎂含量超過(guò)一定臨界值時(shí)， 合金的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能增加緩慢或者下降。如，文獻(xiàn)"田長(zhǎng)文，等，山東省科學(xué)院院刊， 1989, 2 (1):21-26"的研究結(jié)果表明：Zn-40A1合金中的銅含量在超過(guò)2wt. %時(shí)抗拉強(qiáng)度的 提高幅度明顯變緩慢，當(dāng)超過(guò)4wt. %時(shí)抗拉強(qiáng)度開(kāi)始下降；鎂含量超過(guò)0. 02wt. %時(shí)抗拉強(qiáng) 度隨鎂含量提高而稍微下降。因此，用銅、鎂元素對(duì)鋅_鋁合金進(jìn)行合金化對(duì)力學(xué)性能的提 高受到了限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種含鉭鑄造鋅-鋁合金，本 發(fā)明在含有銅和鎂元素的鋅-鋁合金中添加微量鉭元素進(jìn)行合金化，通過(guò)微量鉭元素對(duì) 鋅-鋁基體和銅元素的影響，綜合改善合金的組織結(jié)構(gòu)，達(dá)到進(jìn)一步提高力學(xué)性能的目的。
[0004] 本發(fā)明還提供了該合金的制備方法。
[0005] 本發(fā)明是通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)的： 一種含鉭鑄造鋅-鋁合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：Ta 0.035-0.40%，Mg 0.015-0.025 %，Cu 1.8-2. 5 %，A1 26-31%，余量為 Zn; 所述的Ta元素以原子形式固溶于鋅-鋁合金的a-Al晶粒中，或者以1&41,^11 ：!化合 物粒子的形式鑲嵌于鋅-鋁合金基體中，其中2. 4 < y < 3, 0. 05 < x < 0. 25。
[0006] 上述含鉭鑄造鋅-鋁合金，優(yōu)選的，由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：Ta 0? 035-0. 4%，Mg 0? 02 %，Cu 2. 2 %，A1 27%,，余量為 Zn。
[0007] 上述含鉭鑄造鋅-鋁合金，優(yōu)選的，由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：Ta 0.035-0.4%，Mg 0.02 %，Cu 2 %，A1 30%，余量為 Zn。
[0008] 上述含鉭鑄造鋅-鋁合金中，所述的TaAly ^^化合物粒子為球形或多面體狀，粒 子外徑尺寸為〇. 1-4 y m ; 上述含鉭鑄造鋅-錯(cuò)合金中，所述的TaAl3 xZnx化合物粒子為體心四方晶體結(jié)構(gòu)。
[0009] 本發(fā)明含鉭鑄造鋅-鋁合金的制備方法，包括以下步驟： 1) 按Ta，Mg，Cu，Al和Zn的配比取鋅-鋁-鉭合金、鋁-鎂合金、鋁-銅合金、鋁和鋅； 2) 將鋅、鋁和鋁-銅合金同時(shí)放入熔化爐內(nèi)熔化至660-720 °C，得鋅-鋁合金熔體； 3 )將鋁-鎂合金和鋅-鋁-鉭合金加入步驟2 )鋅-鋁合金熔體中，于660-720 °C保溫 5-10min，然后攪拌，再將合金熔體澆注至模具中，合金熔體凝固后即得含鉭鑄造鋅-鋁合 金。
[0010] 所述的，步驟1)中，鋅的純度彡99. 99wt.%，鋁的純度彡99. 7wt.%，鋁-鎂 合金成分為Al-10wt. %Mg，錯(cuò)-銅合金成分為Al-50wt. %Cu，鋅-錯(cuò)-鉭合金成分為 Zn-27wt. %Al-7wt. %Ta〇
[0011] 所述的，步驟3)中，攪拌轉(zhuǎn)速為60-150轉(zhuǎn)/分鐘。
[0012] 本發(fā)明含有微量鉭元素的含鉭鑄造鋅-鋁合金，鉭元素對(duì)合金產(chǎn)生的有益效果 為：一，形成TaAl y xZnx (2. 5 < y彡3, 0. 05 < x < 0. 25)化合物粒子（圖3、圖4 )，在合 金凝固過(guò)程中為a-A1晶粒提供大量的結(jié)晶形核基底，產(chǎn)生顯著的晶粒細(xì)化作用，提高合 金強(qiáng)度；二，通過(guò)晶粒細(xì)化作用，使固溶的銅和鎂元素在a-A1晶粒中分布更趨均勻，減少 其偏析，同時(shí)也使銅鋁金屬間化合物粒子在合金基體中分布更均勻；三，細(xì)小的TaAl y xZnx (2. 5 < y < 3, 0. 05 < x < 0. 25)化合物粒子會(huì)產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用；四，以原子方式固溶于 a-A1晶粒中，與固溶的銅原子共同起到固溶強(qiáng)化作用。由于微量的鉭元素對(duì)含銅、鎂元素 的鋅-鋁合金組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，因而使鋅-鋁合金力學(xué)性能能得到明顯提高。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為對(duì)比例1所制鋅_鋁合金的光學(xué)顯微鏡組織結(jié)構(gòu)圖； 圖2為實(shí)施例2所制含鉭鋅-鋁合金的光學(xué)顯微鏡組織結(jié)構(gòu)圖； 圖3為實(shí)施例3所制含鉭鋅-鋁合金的掃描電鏡組織結(jié)構(gòu)圖； 圖4為圖3 a-A1中心部位白色化合物粒子的掃描電鏡能譜圖，圖中右上角為粒子成 分及含量； 圖5為實(shí)施例4所制含鉭鋅-鋁合金的光學(xué)顯微鏡組織結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述，需要說(shuō)明的是，下述實(shí)施例僅是 為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)
【發(fā)明內(nèi)容】
進(jìn)行限定。
[0015] 為了進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比，用本發(fā)明的合金制備方法制備了兩種不含鉭元素的鑄造 鋅-鋁合金(對(duì)比例1和2)。對(duì)比例和實(shí)施例中所制備的合金化學(xué)成分及抗拉強(qiáng)度值列于 表1中。
[0016] 對(duì)比例1 一種鑄造Zn-27Al-2. 3Cu-0. 02Mg合金，制備過(guò)程如下： (1)按所欲制備鋅_鋁合金的質(zhì)量及化學(xué)成分準(zhǔn)備原材料：鋅(純度99. 99%)、鋁(純度 99. 7%)、Al-10wt. %Mg 合金、Al-50wt. %Cu 合金和 Zn-27wt. %Al-7wt. %Ta 合金； (2 )將鋅、鋁、鋁-銅合金三種原料加入電爐內(nèi)熔化之后，得到溫度在660-720 °C范圍內(nèi) 的鋅-鋁合金熔體； (3)將Al-lOwt. %Mg合金加入上述合金熔體中保溫lOmin，然后用碳棒對(duì)熔體以100轉(zhuǎn) /分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，再澆注合金熔體至模具中，凝固后得到鑄造Zn-27Al-2. 3Cu-0. 02Mg 合金。
[0017] 對(duì)比例1所制鋅-鋁合金的光學(xué)顯微鏡組織結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。
[0018] 實(shí)施例1 一種含鉭鑄造Zn-27Al-2. 5Cu-0. 022Mg-0. 035Ta鋅-鋁合金，制備過(guò)程如下： (1) 按所欲制備鋅_鋁合金的質(zhì)量及化學(xué)成分準(zhǔn)備原材料：鋅(純度99. 99%)、鋁(純度 99. 7%)、Al-10wt. %Mg 合金、Al-50wt. %C 合金和 Zn-27wt. %Al-7wt. %Ta 合金； (2) 將鋅、鋁、鋁-銅合金三種原料加入電爐內(nèi)熔化，得到溫度在660-720°C范圍內(nèi)的 鋅-鋁合金恪體； (3 )將Al-10wt. %Mg合金和Zn-27wt. %Al-7wt. %Ta合金加入步驟2 )鋅-鋁合金熔體中， 于660-720°C保溫5min，然后用碳棒對(duì)恪體以60轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，再饒注合金恪體 至模具中，凝固后得到本實(shí)施例含鉭鑄造鋅-鋁合金，即Zn-27Al-2. 5Cu-0. 022Mg-0. 035Ta 合金。
[0019] 實(shí)施例2 一種含鉭鑄造Zn-27Al-2. 2Cu-0. 02Mg-0. 07Ta鋅-鋁合金，制備過(guò)程如下： (1) 按所欲制備鋅_鋁合金的質(zhì)量及化學(xué)成分準(zhǔn)備原材料：鋅(純度99. 99%)、鋁(純度 99. 7%)、Al-10wt. %Mg 合金、Al-50wt. %C 合金和 Zn-27wt. %Al-7wt. %Ta 合金； (2) 將鋅、鋁、鋁-銅合金三種原料加入電爐內(nèi)熔化，得到溫度在660-720°C范圍內(nèi)的 鋅-鋁合金恪體； (3) 將Al-10wt. %Mg合金和Zn-27wt. %Al-7wt. %Ta合金加入步驟2)鋅-鋁合金熔體 中，于660-720°C保溫5min，然后用碳棒對(duì)恪體以60轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，再饒注合金恪 體至模具中，凝固后得到本實(shí)施例含鉭鑄造鋅-鋁合金，即Zn-27Al-2. 2Cu-0. 02Mg-0. 07Ta 合金。
[0020] 實(shí)施例2所制含鉭鋅-鋁合金的光學(xué)顯微鏡組織結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。
[0021] 實(shí)施例3 一種含鉭鑄造Zn-27Al-2. 3Cu-0. 02Mg-0. 21Ta鋅-鋁合金，制備過(guò)程如下： (1) 按所欲制備鋅_鋁合金的質(zhì)量及化學(xué)成分準(zhǔn)備原材料：鋅(純度99. 99%)、鋁(純度 99. 7%)、Al-10wt. %Mg 合金、Al-50wt. %Cu 合金和 Zn-27wt. %Al-7wt. %Ta 合金； (2) 將鋅、鋁、鋁-銅合金三種原料加入電爐內(nèi)熔化，得到溫度在660-720°C范圍內(nèi)的 鋅-鋁合金恪體； (3 )將Al-10wt. %Mg合金和Zn-27wt. %Al-7wt. %Ta合金加入步驟2 )