李 丹，何順榮，李 偉

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009)

?

Mn對ZA40合金微觀組織和性能的影響

李 丹，何順榮，李 偉

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009)

文章以ZA40合金為研究對象，通過對其添加不同含量的Mn來研究Mn元素對ZA40合金微觀組織、硬度以及摩擦磨損性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，只需加入微量的Mn，合金組織的基體晶粒就會得到明顯的細(xì)化，富錳硬質(zhì)點(diǎn)在組織中呈點(diǎn)狀和顆粒狀分布。當(dāng)Mn含量達(dá)到0.75%時，合金中開始有富錳相出現(xiàn)；此后，如果繼續(xù)加大Mn含量，富錳相開始聚集并呈條狀和塊狀集中于晶界；當(dāng)Mn含量達(dá)到1.5%時，富錳相呈片狀組織貫穿晶界。在0～0.75%范圍內(nèi)，合金硬度隨著Mn元素含量的增加而顯著提高。但是，當(dāng)Mn元素含量超過1.0%之后，增加Mn元素含量對合金硬度的影響就變得不明顯了。此外，在合金中加入少量的Mn元素即可顯著地提高其耐磨性。當(dāng)Mn含量為1.0%時，合金的摩擦磨損性能最好。

ZA40合金；硬度；摩擦磨損性能；耐磨性

鋅鋁合金以其優(yōu)良的力學(xué)性能、良好的鑄造性能以及成本低、熔煉工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。與錫青銅、鋁青銅系列中的減磨耐磨材料相比，鋅鋁合金的優(yōu)勢非常明顯[1]。同時，鋅鋁合金的強(qiáng)度高、硬度大、摩擦磨損性能優(yōu)秀[2]。我國銅資源相對匱乏，而鋅鋁資源則很豐富,因此，開發(fā)和利用鋅鋁合金具有很好的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。鋅鋁合金系中ZA8、ZA12、和ZA27等高強(qiáng)度合金，具有良好的力學(xué)性能和耐磨性能。這些合金隨鋁含量增加，合金收縮率增大，密度低，耐磨性好，延伸率、沖擊值、硬度及抗蠕變性高，因此被廣泛應(yīng)用于制作滑輪、軸襯、各種管接頭以及各類受沖擊和耐磨損鑄件。

目前國內(nèi)外研究人員采用合金化、變質(zhì)、塑性變形、振動及電磁攪拌等各種技術(shù)處理鋅鋁合金，均獲得了理想效果[3-4]。然而，傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋅基合金存在摩擦系數(shù)偏高、耐磨性不夠理想、可使用溫度低的缺點(diǎn)，這是由于合金中缺乏硬質(zhì)點(diǎn)等原因。按照沙爾濱減摩理論，軸承合金的組織應(yīng)該是在軟基體上分布著硬質(zhì)點(diǎn)。根據(jù)金屬學(xué)理論可知，在鋅鋁合金中加入一定量的Si或Mn元素，可以達(dá)到增加組織中硬質(zhì)點(diǎn)數(shù)量的目的，從而強(qiáng)化合金性能，提高耐磨性，擴(kuò)大此類合金的應(yīng)用范圍[5]。有鑒于此，本文研究添加Mn對ZA40合金微觀組織、硬度、摩擦磨損性能等的影響，試圖改善此類合金的力學(xué)性能以及摩擦性能，使鋅鋁合金鑄件能夠勝任工作條件更苛刻的應(yīng)用場合。

1 材料制備與試驗(yàn)方法

為了較為系統(tǒng)全面地考察錳元素在鋅鋁合金中的分布、形態(tài)以及對鋅鋁合金微觀組織和性能的影響，其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)合金化學(xué)成分(wt.%)Tab.1 Chemical composition of tested alloy

本實(shí)驗(yàn)采用純度高于99.7%的鋅錠，純度高于99.95%的鋁錠，純度高于99.98%的鎂錠以及純度高于99.5%的Al∶Cu=1∶1(wt.%)的鋁銅中間合金和Al-10%Mn中間合金配料。爐料按照熔化難易程度順序加入坩堝，最先加入鋁錠，再加入鋁銅和鋁錳；升溫至600～650℃，待先加入的鋁錠、鋁銅和鋁錳合金全部熔化后加入鋅錠。爐溫繼續(xù)升溫至690～700℃待鋅錠完全熔化后，壓入用鋁箔包好的純鎂。

在完成合金熔煉過程之后，首先將金屬液澆注成長100mm、寬50mm、高20mm的長方體鑄錠。截取熔煉后試樣測試其直讀光譜中各元素含量，如表2所示，所得結(jié)果與理論數(shù)據(jù)基本無偏差。

表2 試樣實(shí)際成分測試結(jié)果(wt.%)Tab.2 Test results of actual composition of samples

然后在各合金鑄錠的相同部位截取大小金相試樣，采用5vol.%硝酸酒精腐蝕拋光表面，侵蝕時間為5s。試樣準(zhǔn)備好之后使用光學(xué)顯微鏡觀察腐蝕表面，放大倍數(shù)為100倍。

測試硬度所用的儀器為HB-3000型布氏硬度測試機(jī)，使用直徑為5mm的鋼球，測試載荷250kg，保壓30s。

根據(jù)國標(biāo)GB/T12444-2006[6]對合金摩擦磨損性能測試的規(guī)定，計(jì)算試樣的磨損體積。計(jì)算公式為:

式中，V為磨損體積，mm3；D為試環(huán)半徑，mm；b為磨痕平均寬度，mm；t為試塊寬度，mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Mn元素對合金微觀組織的影響

根據(jù)鋅鋁合金二元相圖所示(圖1)，當(dāng)鋁含量為40%時，隨著合金熔體溫度的下降，首先進(jìn)行勻晶轉(zhuǎn)變，從液相中析出富鋁α相(Al含量為68.4%)，L→α；之后α相調(diào)幅分級為α′相，α→α′；緊接著發(fā)生包析反應(yīng)：α+α′→α+β。

隨溫度進(jìn)一步下降，發(fā)生共析反應(yīng)：

室溫時，鋅鋁合金的組織為初生的α相和(α+η)共析體。

圖1 鋅鋁二元合金相圖

圖2是不同Mn含量的鋅鋁合金金相組織照片。從圖2(a)中可以發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)鋅鋁組織中有粗大的白色α樹枝晶結(jié)構(gòu)，而樹枝晶周圍圍繞著(α+η)共析體。枝晶間有亮白的ε相(富Cu相)。

加入Mn后，枝晶變短，且得到明顯的細(xì)化，二次枝晶間距減小，如圖2(b)所示。此時，Mn除部分固溶以外，其余形成富錳硬質(zhì)點(diǎn)，在組織中呈點(diǎn)狀和顆粒狀分布。錳元素含量達(dá)到0.5%時，晶粒細(xì)化程度提高，硬質(zhì)點(diǎn)數(shù)量大幅增加，且分布均勻、彌散粒度小。當(dāng)Mn達(dá)到0.75%時，如圖2(d)所示，隨著硬質(zhì)點(diǎn)的不斷聚集，開始有富錳相出現(xiàn)，富錳相分布于晶界或者晶界附近。當(dāng)Mn達(dá)到1.0%時，富錳相開始大量聚集，呈條狀和塊狀集中于晶界。隨Mn含量繼續(xù)增加，富錳相呈片狀組織貫穿晶界，如圖2(g)所示，此時容易造成應(yīng)力集中，割裂基體。

圖2 鑄態(tài)鋅鋁合金的金相組織照片

2.2 ZA40的XRD、SEM及EDS成分分析

經(jīng)XRD測試，合金組織中含有CuZn5化合物和MnAl6化合物，這兩種化合物均為硬化相(圖3)。

Mn在基體中的固溶度低，約為0.15%，其余形成富錳硬質(zhì)點(diǎn)，硬質(zhì)點(diǎn)聚集就出現(xiàn)富錳相。借助于SEM及EDS成分分析可知，硬化相主要是由富銅相(CuZn5)和富錳相(以MnAl6為基的固溶體)構(gòu)成。

圖4顯示ZA40-0.25Mn合金中沒有硬化相，Mn含量經(jīng)EDS測得約為0.15%，即Mn元素在ZA40合金中的固溶度約為0.15%。

圖5顯示ZA40-0.75Mn合金中出現(xiàn)少量硬化相，基體處Mn含量約為0.15%，硬化相處Mn含量約為3.1%。

圖6顯示ZA40-1.0Mn合金中出現(xiàn)少量硬化相，基體處Mn含量約為0.15%，硬化相處Mn含量約為3.0%。

圖7顯示ZA40-1.5Mn合金中出現(xiàn)大量硬化相，基體處Mn含量約為0.15%，硬化相處含量為3.5%。

2.3 Mn元素對ZA40合金硬度的影響

從圖8中不難看出，添加錳元素后，合金硬度顯著提高，且在0%～1.5%Mn范圍內(nèi)一直提高。添加0.25%后，相比未添加的，其布氏硬度由106HBS上升至111HBS，提高了4.7%；而當(dāng)Mn含量由0.25%增加至0.75%時，合金的硬度值由111HBS上升至124HBS，兩次平均提高了5.8%。說明添加微量的Mn就能起到明顯提高合金硬度的效果。這是由于

圖3 ZA40合金的XRD圖

圖4 ZA40-0.25Mn的SEM及EDS

圖5 ZA40-0.5Mn的SEM及EDS

圖6 ZA40-1.0Mn的SEM及EDS

圖7 ZA40-1.5Mn的SEM及EDS

Mn溶解在基體中，起固溶強(qiáng)化的作用。繼續(xù)添加Mn至1.0%對其硬度提高的效果同樣明顯，這是由于硬質(zhì)點(diǎn)數(shù)量增加的原因。但是在1.0%～1.5%這個階段，硬度提升效果并不顯著，這是由于生成的硬化相呈條狀和塊狀集中于晶界，此時容易造成應(yīng)力集中，割裂基體。

Mn對鋅鋁合金硬度的影響主要原因是，Mn在ZA合金中產(chǎn)生了硬度較高的硬質(zhì)點(diǎn)相(經(jīng)測試，硬質(zhì)點(diǎn)相的顯微硬度約達(dá)HV340)，該相在合金基體中分布均勻、彌散粒度小。Mn在ZA40合金的基體中固溶度為0.15%，且經(jīng)測試，基體即富鋁α相和共析體的硬度均有一定程度的提高。因此，Mn的固溶度雖然很低，但其固溶強(qiáng)化作用對硬度提高也起到了一定程度的作用。

圖8 鋅鋁合金硬度隨錳元素含量變化曲線

2.4 Mn元素對ZA40合金摩擦磨損性能的影響

由圖9可見，摩擦系數(shù)隨測試時間逐漸變小并最后趨于穩(wěn)定。合金試樣表面與摩擦副剛開始接觸時，試樣表面和摩擦副之間的配合很粗糙，微凸體之間互相擠壓切削。新微凸體產(chǎn)生的同時，舊微凸體被磨掉，摩擦接觸面積不斷改變，因而摩擦系數(shù)不斷變化。隨著摩擦磨損的慢慢磨合，摩擦過程變得穩(wěn)定，新舊微凸體的出現(xiàn)和消失變得平衡，摩擦接觸面積不變，摩擦系數(shù)也就趨于穩(wěn)定。另外，硬度較高的微凸體對軟基體的切削作用，試樣表面漸漸形成了可以儲存潤滑油的溝槽，進(jìn)而形成一定的油膜，導(dǎo)致摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低并直至穩(wěn)定。不含Mn的鋅鋁合金最初的摩擦系數(shù)最低，但隨著時間的推移，與其它加了Mn元素的幾組合金相比，其最終穩(wěn)定后的摩擦系數(shù)還是較高。

圖9 不同Mn含量鋅鋁合金摩擦系數(shù)隨測試時間變化曲線

錳元素也是通過影響鋅鋁合金中試樣和摩擦副的接觸面積以及液膜形成能力和狀態(tài)來影響摩擦系數(shù)的。鋅鋁合金軟硬結(jié)合的組織有利于減小摩擦系數(shù)，主要是較軟的共析體儲存潤滑油，保持油膜的連續(xù)性，而硬度較高的α相起支撐和骨架作用。在添加錳元素之后，在鋅鋁合金中形成了高硬度的鋁錳硬質(zhì)相。另外，錳的固溶強(qiáng)化作用，使得α相和共析體的硬度均上升。錳元素加入量較低時，雖提高了兩種基體的硬度，但沒有對組織形態(tài)和數(shù)目產(chǎn)生太大影響，因而導(dǎo)致合金的摩擦系數(shù)變化不大(Mn元素含量在0%～0.5%)；錳元素含量較高時，晶粒細(xì)化程度提高，硬質(zhì)點(diǎn)數(shù)量大幅度增加，且分布均勻、彌散粒度小，這使摩擦磨損利于承載硬質(zhì)點(diǎn)的摩擦運(yùn)動，摩擦系數(shù)的大小下降至測試結(jié)果的最低點(diǎn)(Mn元素含量在1.0%左右時)。同時分散的富錳硬化相呈條狀和塊狀分布于晶界或者晶界附近，支撐著摩擦磨損接觸面，并使摩擦磨損接觸面積減小，也起到了減小摩擦系數(shù)的作用；但是，繼續(xù)增加錳元素含量時，富錳化合物聚集變大，分布不均勻，形成長條狀、大片狀，對基體的割裂作用增大，從而造成應(yīng)力集中。同時，在富錳相處容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致合金摩擦系數(shù)增加(Mn元素含量在1%～1.5%)。從圖10中可以發(fā)現(xiàn)隨著錳含量的增加，摩擦系數(shù)呈先上升而后下降再增加的趨勢，明顯看出其最低值是在Mn含量為1%的時候。

圖10 不同Mn含量鋅鋁合金穩(wěn)定摩擦系數(shù)

材料硬度越高，磨損量越小，耐磨性就越好。這是因?yàn)椴牧嫌捕扔绊懥四Σ两佑|面上各微凸體的互相壓入深度，從而決定摩擦力的機(jī)械分量。同時，硬度大小還影響了實(shí)際接觸面積與參與塑性變形的材料體積。另外，由于Mn的加入，增加了共析體這種相對于α相和富錳相來說較軟的組織，有利于摩擦性能的提高。所以當(dāng)Mn含量在0%～1.0%時，合金硬度越大，其磨損量就越??；但是超過1.0%時，合金組織中富錳化合物分布不均勻，對基體的割裂作用增大，造成應(yīng)力集中，且該處產(chǎn)生裂紋，造成摩擦系數(shù)升高，磨損量隨之變大，耐磨性降低。由圖11可以看出，加入少量Mn元素后，對合金的摩擦磨損性能有了較大提高，直到Mn含量為1.0%時，磨損量最低，此時具有最佳的摩擦磨損性能。當(dāng)繼續(xù)提高M(jìn)n含量時，磨損量又逐漸增大了，摩擦磨損性能下降。綜上所述，當(dāng)Mn含量為1.0%時，合金的摩擦磨損性能最好。

圖11 不同Mn含量鋅鋁合金磨損體積

3 結(jié)論

(1)在鋅鋁合金中加入少量Mn元素，可以使合金基體的枝晶變短，且得到明顯的細(xì)化，使得二次枝晶間距減小，同時產(chǎn)生少許的富錳硬質(zhì)點(diǎn)；

(2)Mn含量較少時，Mn除部分固溶，其余形成點(diǎn)狀和顆粒狀的富錳硬質(zhì)點(diǎn)，均勻分布在組織中。當(dāng)Mn含量達(dá)到0.75%時，開始有富錳相出現(xiàn)；隨著Mn含量繼續(xù)增加，富錳相開始聚集，呈條狀和塊狀集中于晶界；當(dāng)Mn含量達(dá)到1.5%時，富錳相呈片狀組織貫穿晶界；

(3)添加微量Mn后，合金硬度顯著提高。繼續(xù)添加Mn至0.75%時，對其硬度提高的效果同樣明顯，但是當(dāng)Mn含量超過1.0%之后，合金硬度隨Mn含量的增加而上升的效果變得不顯著；

(4)在鋅鋁合金中加入Mn元素，能提高合金的耐磨性，改善合金的摩擦學(xué)特性。當(dāng)Mn含量為1.0%時，合金具有最低的磨損量，摩擦磨損性能最好。

[1] 江宇，何順榮，汪興娟等. 銅元素對Zn-40Al合金組織和摩擦磨損性能的影響[J]. 鑄造技術(shù)，2013，34(7)：797-799．

[2] B. MIROSLAV，A. VENCL，S. MITROVIC′, et al．Influence of T4 Heat Treatment on Tribological Behavior of Za27 Alloy Under Lubricated Sliding Condition[J]．Tribology Letters，2009，36(2)：125-134．

[3] 劉敬福，李榮德，白彥華.ZA合金凝固技術(shù)的研究進(jìn)展[J].鑄造，2012，61(7)：727-732.

[4] 王懷慶，司乃潮，司松海，等.Ni對ZA27合金組織及磨損性能的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2013,33(1)：57-64.

[5] 許亮，司乃潮，劉光磊，等.錳對鑄造Zn-38Al-2.2Cu合金組織和熱疲勞性能的影響[J].有色金屬(冶煉部分)，2013(11)：55-60.

[6] 李久林、高恰斐、陳召寶、董莉.GB/T 12444-2006．金屬材料、磨損試驗(yàn)方法：試環(huán)-試塊滑動磨損試驗(yàn)[S]．

Effects of Mn Addition on Microstructure and Properties of ZA40 Alloy

LI Dan, HE Shunrong, LI Wei

(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The paper studied effects of Mn addition on microstructure, hardness, and friction and wear properties of ZA40 alloy. The results showed that matrix grain refinement became obvious by adding trace amounts of Mn while Mn-rich hard spots distributed in dotted and granular form. Mn-rich phase was observed in alloy with Mn content of 0.75%; with the increase of Mn content, the phase was seen to gather and concentrate in strip-like and blocky within grain boundary, and it was in the shape of flake across grain boundary with Mn content of 1.5%; when Mn content was kept at 0～0.75%, alloy hardness increased obviously with the increase of Mn content; however, when Mn content exceeded 1.0%, the increase in Mn content had low impact on hardness; furthermore, wear resistance was improved significantly with small amount of Mn and optimal friction and wear properties were to keep Mn content at 1.0%.

ZA40 alloy; hardness; friction and wear properties; wear resistance

2015-01-06

李丹(1992-)，男，碩士研究生，主要從事新型耐磨材料的制備及應(yīng)用研究。

TG146.21

A

1671-6795(2015)05-0017-06