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锌铝合金时效后硬度低原因分析

来源:电子制造资讯站发布时间:2023-03-10

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锌铝合金时效后硬度低

原因分析

摘要

摘要：针对某新型锌铝合金时效处理后硬度低的问题，经来料硬度检查、化学成分分析、金相检查、SEM+EDS分析、材料热处理性能分析、热处理验证试验等方法，确认该合金是在ZA50型系列锌铝合金的基础上开发得到，并找出该新型合金的热处理规律，根据其硬度需求，提出改进措施。

背景介绍

本文图1、图2分别为用新型锌铝合金材料制造的产品正反面。该产品技术要求为：热处理后硬度145HV以上。当采用120～220℃区间的各种温度时效12h试验后，发现结果硬度都低于145HV，无法正常生产，需分析原因。

图1. 样品正面

图2. 样品背面

检查分析

2.1 来样硬度检查

对热处理前、后的产品切片检验硬度，热处理前的产品硬度检测结果为：147～148HV_0.2，接近技术要求的下限值；经188℃×12h热处理后的产品硬度检测结果为：89.5～96.5HV_0.2，硬度下降，硬度值低于技术要求。

2.2 化学成分分析

采用CS分析仪+ICP检查来样材料化学成分，结果见表1，主要成分为Al/Zn/Cu/Si/Fe，没有检测到C和S含量。与ZA50型锌铝合金元素含量^【1】对比，确定该新型锌铝合金实际上属于ZA50型系列锌铝合金成分。

表1：化学元素分析结果 (Wt%)

2.3 金相检查

图3是热处理前组织，可以观察到枝晶形态，是铸造组织。结合相图^【2】分析得出：金相组织为初生的α相（白色）和α相之间（α+β）共析体（黑色）及第二相质点。初生相α中析出较多颗粒状共析组织，说明铸造冷却速度较慢。

图4是经188℃×12h时效处理后的组织。无明显枝晶，析出相增多，形状改变，颗粒聚集，并开始变得粗大，为过时效组织。过时效组织硬度较低^【3】。

图3. 热处理前（1000×）

图4. 热处理后（1000×）

2.4 SEM + EDS分析

图5是热处理前样件3000X电镜图片，在晶界析出片状组织为共析组织；而图6，同样3000X下观察188°C x 12h时效处理后的组织，已看不到片状共析组织。晶界白色颗粒聚集长大。

图5. 热处理前（3000×）

图6. 热处理后（3000×）

图7、图8是在5000X下热处理前后组织，用EDS探测图7中热处理前微区成分1～4，图9～12分别是微区1～4的能谱图，探测结果如表2所示。其中的F含量应该是组织腐蚀液中含有HF酸的原因，在表3中不再列出。

EDS分析结果表明，灰色区域1和黑色的背景3都是固溶有Zn的富Al固溶体，白色的3和4是共析组织，分别析出在а初生相的晶界和晶内，与金相分析结果一致。

图7. 热处理前（5000×）

图8. 热处理后（5000×）

图9. 热处理前1

图10.热处理前2

图11. 热处理前3

图12. 热处理前4

表2: 热处理前样品EDS测试结果 (Wt%)

图13～16分别是对图8中1～4微小区域内，即188°℃×12h时效处理后的微观组织所对应的能谱探测图，表3是EDS分析结果。与热处理前的EDS结果比较，不难看出：共析组织（微区2和4）形状由细片状改变为粗大颗粒状，并且随着Si、Cu、Mn等强化元素^{【2】【4】}的析出、合金相的聚集，基体硬度下降，产生过时效。Fe元素以针状形态分别，是有害元素^【4】，含量轻微时，对材料性能影响不大。

图13. 热处理后1

图14. 热处理后2

图15. 热处理后3

图16. 热处理后4

表3: 热处理后样品EDS测试结果 (Wt%)

材料热处理性能分析

该新型锌铝合金成分属于Z-A50型系列锌铝合金，是在Z-A50型锌铝合金的基础上增加少量Al，Si而来的。提高Al含量，有助于提高合金的力学性能；锌铝合金中添加2～8%Si可以大大改善合金的耐磨性，而且有利于提高长期时效下的尺寸稳定性^【5】。

该新型锌铝合金可以通过热处理调节铸件的性能，适当热处理可以稳定组织，改善合金的尺寸稳定性。

对未热处理来料硬度检查结果为147～148HV，表明该新型锌铝合金在金属型铸态时就具有较高的硬度，接近于技术要求的下限值。在过时效条件下，随时效温度的提高，时效时间的延长，强度、硬度下降，延伸率及冲击韧性增加。

表4中序号1试验结果表明，当该新型锌铝合金采用金属型铸造（不做固溶处理）+（200℃× 1.5h）时效处理，硬度为90～106HV，强度、硬度下降，低于客户要求的145HV，伸长率则会提高。根据试验结果分析，该新型锌铝合金固溶化虽可提高合金的硬度，但后续的时效硬度峰值出现早，如果时效温度高，时效时间长，硬度下降。在保证硬度技术要求的前提下，适当过时效可以获得良好的综合性能。如果过时效严重，硬度则会低于技术要求。

如果不经固溶处理做人工时效12h，即使是在120～188℃的低温下时效，也会产生过时效，导致热处理后硬度显著下降。因此温度和时间是时效处理的两个关键因素。

热处理验证试验

表4是热处理验证试验数据，硬度测试是在热处理后48h测定的。用未经热处理的来料做固溶处理，硬度可升高到180HV_0.2，即使是固溶后空冷，硬度也达到175HV，高于未经热处理来料。随后的时效热处理，在100℃保温50min，升高到193HV的峰值。当保温时间延长到70min，硬度为185～190HV，硬度开始下降。证实，该新型锌铝合金即使是在100℃时效，保温50min左右就可以达到硬度峰值。时效时间再延长，硬度下降。

表4: 热处理验证试验数据 (HV_0.2)

比较不同热处理工艺验证下的金相组织（如图17～20），固溶水冷后未时效的金相组织中，晶界合金相析出少，初生а相颜色灰白，晶内析出少；固溶空冷后未时效的金相组织，初生а相颜色灰色，晶界析出相增加不明显，与固溶水冷后未时效的金相组织差别不大；固溶水冷+100℃时效50min，晶界析出相与固溶水冷后相同，初生а相颜色灰白色，晶内合金相弥散析出；固溶水冷+100℃时效70min，晶界黑色二次相开始聚集，初生а相内析出相明显增多。

热处理验证试验结果与理论分析一致。