亚共晶锌‑铝合金中初生η‑Zn晶粒的细化方法

摘要

本发明公开了一种亚共晶锌‑铝合金中初生η‑Zn晶粒的细化方法，包括以下步骤：制备含钽中间合金；将亚共晶锌‑铝合金熔化，得到锌‑铝合金熔体；在锌‑铝合金熔体中加入含钽中间合金和纯锌，保温，充分搅拌，得到锌‑铝‑钽合金熔体；将锌‑铝‑钽合金熔体浇注至模具中，凝固后得到含有细小初生η‑Zn晶粒的锌‑铝合金。该细化方法向合金熔体中加入钽元素，不会在含有Zr、Cr元素的合金中因与这些元素发生反应而使细化效果下降，为亚共晶锌‑铝合金的晶粒细化提供了新的可选择方法。

说明书

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，尤其涉及一种亚共晶锌-铝合金中初生η-Zn晶粒的细化方法。

背景技术

亚共晶锌-铝合金（含铝量小于5wt.%）基体由初生η-Zn晶粒和共晶组织构成，具有很好的铸造流动性和充型能力、机械加工工艺性能，在一些领域应用较多。此类合金凝固时首先在熔体中生成初生η-Zn晶粒，生长速度较快，最终发展成分枝复杂、尺寸较大的树枝晶。在合金材料基体中生成树枝晶易带来一系列问题，如：易生成缩孔、缩松、气孔，产生微观成分偏析和表面质量问题，导致力学性能、耐腐蚀性能下降及塑性加工成品率下降。因此，对合金进行晶粒细化，消除树枝晶或减小晶粒尺寸是生产中的一项重要工艺步骤。

对于铝合金与锌-铝合金中的α-Al晶粒目前已经出现了较多的添加中间合金的晶粒细化方法。但对于亚共晶锌-铝合金中的初生η-Zn晶粒目前已知的用中间合金晶粒细化的方法并不太多。实际生产中，二元锌-铝合金中往往含有各种杂质元素且需要添加其它各种各样的化学元素以获得更理想的力学和物理、化学性能。不同的元素可能会与加入的中间合金发生干涉作用而产生不利效果，导致细化效果消失或下降。如：含有B元素的中间合金加入到含有Zr、Cr元素的锌-铝合金中时会产生细化“中毒”问题。因此，要适应于不同类型亚共晶锌-铝合金的晶粒细化要求，需要寻求不同的晶粒细化方法或中间合金细化剂。

发明内容

本发明提供了一种亚共晶锌-铝合金中初生η-Zn晶粒的细化方法，用以解决上述问题。

本发明提供的亚共晶锌-铝合金中初生η-Zn晶粒的细化方法，包括以下步骤：

（1）制备含钽中间合金；

（2）将亚共晶锌-铝合金熔化，得到锌-铝合金熔体，所述亚共晶锌-铝合金的含铝量小于5%；

（3）在所述锌-铝合金熔体中加入所述含钽中间合金和纯锌，保温，充分搅拌，得到锌-铝-钽合金熔体，其中，所述锌-铝-钽合金熔体中钽的质量百分含量为0.075-0.45%，所述锌-铝-钽合金熔体锌和铝的质量比例与所述亚共晶锌-铝合金中锌和铝的质量比例相同；

（4）将所述锌-铝-钽合金熔体浇注至模具中，凝固后得到含有细小初生η-Zn晶粒的锌-铝合金。

可选地，所述含钽中间合金为铝-钽中间合金时，步骤（2）中将亚共晶锌-铝合金熔化至液相线以上100-300℃；步骤（3）中保温时间为25-50分钟；步骤（4）中浇注时所述锌-铝-钽合金熔体需降低至液相线以上30-150℃。

可选地，所述含钽中间合金为锌-铝-钽中间合金时，步骤（2）中将亚共晶锌-铝合金熔化至液相线以上30-150℃；步骤（3）中保温时间为10-23分钟。

可选地，所述铝-钽中间合金中含钽量为15%。

可选地，所述铝-钽中间合金由以纯铝和K₂TaF₇为原料制备。

可选地，所述锌-铝-钽中间合金中含钽量为15%，含铝量为25%。

可选地，所述锌-铝-钽中间合金以纯锌、纯铝和K₂TaF₇为原料制备。

本发明提供的亚共晶锌-铝合金中初生η-Zn晶粒的细化方法，将含钽中间合金加入亚共晶锌-铝合金熔体中进行保温，使中间合金中的钽元素在合金熔体中直接释放或通过反应生成TaAl_3-xZn_x（0＜x＜3）化合物粒子，然后在合金凝固时充当初生η-Zn晶粒的异质形核核心，大量的TaAl_3-xZn_x化合物粒子使更多的初生η-Zn晶粒生成，从而产生晶粒细化作用。该细化方法向合金熔体中加入钽元素，不会在含有Zr、Cr元素的合金中因与这些元素发生反应而使细化效果下降，为亚共晶锌-铝合金的晶粒细化提供了新的可选择方法。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为未经晶粒细化处理的Zn-3.5Al合金的光学显微镜组织结构图；

图2为本发明实施例一制备的含有细小初生η-Zn晶粒Zn-3.5Al合金的光学显微镜组织结构图；

图3为本发明实施例二制备的含有细小初生η-Zn晶粒Zn-3.5Al合金的光学显微镜组织结构图；

图4为本发明实施例二制备的含有细小初生η-Zn晶粒Zn-3.5Al合金的扫描电镜组织结构图；

图5为图4中1处的扫描电镜能谱图；

图6为图4中2处的扫描电镜能谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述，需要说明的是，下述实施例仅是为了解释本发明，并不对发明内容进行限定。

实施例一

亚共晶Zn-3.5Al合金（该合金中Al的质量百分含量为3.5%）中初生η-Zn晶粒的细化方法，具体步骤如下。细化过程中所使用的纯锌的纯度为99.99wt.%或以上，纯铝的纯度为99.7wt.%或以上，K₂TaF₇的纯度为99.7wt.%或以上。以下实施例皆选用上述原料。

（1）以纯锌、纯铝和K₂TaF₇为原料，根据现有技术，制备Zn-25Al-15Ta中间合金。

（2）将Zn-3.5Al合金在500℃（液相线上约110℃）下熔化，得到Zn-3.5Al合金熔体。

（3）在Zn-3.5Al合金熔体中加入Zn-25Al-15Ta中间合金和纯锌，保温10分钟，充分搅拌，得到锌-铝-钽合金熔体，其中，锌-铝-钽合金熔体锌和铝的质量比例与Zn-3.5Al合金中锌和铝的质量比例相同（96.5：3.5）；Zn-25Al-15Ta中间合金的质量百分含量为0.5%，使钽的质量百分含量为0.075%。

（4）将步骤（3）得到的锌-铝-钽合金熔体浇注至模具中，凝固后得到含有细小初生η-Zn晶粒的亚共晶Zn-3.5Al合金。

图1为未经晶粒细化处理的Zn-3.5Al合金的光学显微镜组织结构图，图中形成了尺寸可达300μm以上的分支复杂的树枝状晶体，平均尺寸在150μm左右；利用实施例一方法处理的Zn-3.5Al合金的光学显微镜组织结构图示于图2中，图中为多面体状初生η-Zn晶粒，较为分散，并未形成具有复杂分支的枝晶结构，尺寸为50-100μm，平均尺寸为80μm。对比图1和图2可知，实施例一中添加少量Ta至亚共晶Zn-3.5Al合金中，对其中的初生η-Zn晶粒进行晶粒细化，得到含有细小初生η-Zn晶粒的Zn-3.5Al合金，效果明显。

实施例二

亚共晶Zn-3.5Al合金中初生η-Zn晶粒的细化方法，具体步骤如下：

（1）以纯锌、纯铝和K₂TaF₇为原料，根据现有技术，制备Zn-25Al-15Ta中间合金。

（2）将Zn-3.5Al合金在500℃（液相线上约110℃）下熔化，得到Zn-3.5Al合金熔体。

（3）在Zn-3.5Al合金熔体中加入Zn-25Al-15Ta中间合金和纯锌，保温23分钟，充分搅拌，得到锌-铝-钽合金熔体，其中，锌-铝-钽合金熔体锌和铝的质量比例与Zn-3.5Al合金中锌和铝的质量比例相同（96.5：3.5）；Zn-25Al-15Ta中间合金的质量百分含量为3%，使钽的质量百分含量为0.45%。

（4）将步骤（3）得到的锌-铝-钽合金熔体浇注至模具中，凝固后得到含有细小初生η-Zn晶粒的Zn-3.5Al合金。

利用实施例二方法处理的Zn-3.5Al合金的光学显微镜组织结构图示于图3中，图中为多面体状初生η-Zn晶粒，较为分散，并未形成具有复杂分支的结构，尺寸为30-120μm，平均尺寸为60μm。对比图1和图3可知，实施例二中添加少量Ta至亚共晶Zn-3.5Al合金中，对其中的初生η-Zn晶粒进行晶粒细化，得到含有细小且明显分散的初生η-Zn晶粒，效果明显。

图4是利用实施例二方法处理的Zn-3.5Al合金的扫描电镜图，图中2处的深色物相为初生η-Zn晶粒，1和3处的浅色粒子为初生η-Zn晶粒的形核基底粒子。图5为图4中1处的扫描电镜能谱图，表明该粒子由Zn、Al、Ta三种元素构成，定量分析表明分子式为TaAl_2.64Zn_0.36，3处白色粒子的能谱结果类似。经过对图4中类似于1和3处粒子的能谱分析，发现Ta元素主要以TaAl_3-xZn_x（0＜x＜3）化合物粒子的形式存在。

图6 为图4中2处的扫描电镜能谱图，表明该大面积深色物相由Zn、Al两种元素构成，该物相为初生η-Zn晶粒，铝元素以原子形式固溶于其中。此物相周围的细长白色条状物相所在区域为共晶组织。

实施例三

亚共晶Zn-2Al合金中初生η-Zn晶粒的细化方法，具体步骤如下：

（1）以纯锌、纯铝和K₂TaF₇为原料，根据现有技术，制备Zn-25Al-15Ta中间合金。

（2）将Zn-2Al合金在450℃（液相线上约50℃）下熔化，得到Zn-2Al合金熔体。

（3）在Zn-2Al合金熔体中加入Zn-25Al-15Ta中间合金和纯锌，保温15分钟，充分搅拌，得到锌-铝-钽合金熔体，其中，锌-铝-钽合金熔体锌和铝的质量比例与Zn-2Al合金中锌和铝的质量比例相同（98：2）；Zn-25Al-15Ta中间合金的质量百分含量为2%，使钽的质量百分含量为0.3%。

（4）将步骤（3）得到的锌-铝-钽合金熔体浇注至模具中，凝固后得到含有细小初生η-Zn晶粒的Zn-2Al合金。

实施例三制备的Zn-2Al合金的组织结构与图2类似，为多面体状初生η-Zn等轴晶粒，较为分散，并未形成具有庞大分支的结构，平均尺寸为100μm。

实施例四

亚共晶Zn-3.5Al合金中初生η-Zn晶粒的细化方法，具体步骤如下：

（1）以纯铝和K₂TaF₇为原料，根据现有技术，制备Al-15Ta中间合金。

（2）将Zn-3.5Al合金在685℃（液相线上约295℃）下熔化，得到Zn-3.5Al合金熔体。

（3）在Zn-3.5Al合金熔体中加入Al-15Ta中间合金和纯锌，保温40分钟，充分搅拌，得到锌-铝-钽合金熔体，其中，锌-铝-钽合金熔体锌和铝的质量比例与Zn-3.5Al合金中锌和铝的质量比例相同（96.5：3.5）；Al-15Ta中间合金的质量百分含量为3%，使钽的质量百分含量为0.45%。

（4）将步骤（3）得到的锌-铝-钽合金熔体降低至450℃，浇注至模具中，凝固后得到含有细小初生η-Zn晶粒的Zn-3.5Al合金。

实施例四制备的Zn-3.5Al合金的组织结构与图3和图4类似，为多面体状初生η-Zn等轴晶粒，较为分散，并未形成具有庞大分支的结构，平均尺寸为80μm。

实施例五

亚共晶Zn-3.5Al合金中初生η-Zn晶粒的细化方法，具体步骤如下：

（1）以纯铝和K₂TaF₇为原料，根据现有技术，制备Al-15Ta中间合金。

（2）将Zn-3.5Al合金在665℃（液相线上约275℃）下熔化，得到Zn-3.5Al合金熔体。

（3）在Zn-3.5Al合金熔体中加入Al-15Ta中间合金和纯锌，保温25分钟，充分搅拌，得到锌-铝-钽合金熔体，其中，锌-铝-钽合金熔体锌和铝的质量比例与Zn-3.5Al合金中锌和铝的质量比例相同（96.5：3.5）；Al-15Ta中间合金的质量百分含量为0.5%，使钽的质量百分含量为0.075%。

（4）将步骤（3）得到的锌-铝-钽合金熔体降低至450℃，浇注至模具中，凝固后得到含有细小初生η-Zn晶粒的Zn-3.5Al合金。

实施例五制备的Zn-3.5Al合金的组织结构与图2类似，为多面体状初生η-Zn等轴晶粒，较为分散，并未形成具有庞大分支的结构，平均尺寸为100μm。

实施例六

亚共晶Zn-4Al合金中初生η-Zn晶粒的细化方法，具体步骤如下：

（1）纯铝和K₂TaF₇为原料，根据现有技术，制备Al-15Ta中间合金。

（2）将Zn-4Al合金在680℃（液相线上约295℃）下熔化，得到Zn-4Al合金熔体。

（3）在Zn-4Al合金熔体中加入Al-15Ta中间合金和纯锌，保温50分钟，充分搅拌，得到锌-铝-钽合金熔体，其中，锌-铝-钽合金熔体锌和铝的质量比例与Zn-3.5Al合金中锌和铝的质量比例相同（96：4）；Al-15Ta中间合金的质量百分含量为1%，使钽的质量百分含量为0.15%。

（4）将步骤（3）得到的锌-铝-钽合金熔体降低至435℃，浇注至模具中，凝固后得到含有细小初生η-Zn晶粒的Zn-4Al合金。

实施例六制备的Zn-4Al合金的组织结构与图3和图4类似，为多面体状初生η-Zn等轴晶粒，较为分散，并未形成具有庞大分支的结构，平均尺寸为100μm。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。