鋅鋁合金熱處理硬度不足失效分析
2015-08-13 瀏覽量：4034
1.背景介紹
某型鋅鋁合金是客戶新開發的材料，用N型代替，圖1、圖2分別為用N型鋅鋁合金材料制造的手機蓋產品正反面。技術要求熱處理后硬度145HV以上。送檢前，客戶采用120～220°C區間的各種溫度時效12小時試驗，結果硬度都低于145HV，無法正常生產，需分析原因，失效分析。
2 檢查分析
2.1 來樣硬度檢查
對熱處理前、后的產品切片檢驗硬度，熱處理前的產品硬度檢測結果為：147～148HV0.2，接近技術要求的下限值；經188°Cx12h熱處理后的產品硬度檢測結果為：89.5～96.5HV0.2，硬度下降，硬度值低于技術要求。
2.2 化學成分分析
采用硫碳分析儀+ICP檢查來樣材料化學成分，結果見表1，主要成分為Al/Zn/Cu/Si/Fe，沒有檢測到C和S含量。與ZA50型鋅鋁合金元素含量[1]對比，確定N型鋅鋁合金實際上屬于ZA50型系列鋅鋁合金成分。
2.3 金相檢查
圖3是熱處理前組織，可以觀察到枝晶形態，是鑄造組織。失效分析，結合相圖[2]分析得出：金相組織為初生的α相（白色）和α相之間（α+β）共析體（黑色）及第二相質點。初生相α中析出較多顆粒狀共析組織，說明鑄造冷卻速度較慢。
圖4是經188°C x 12h時效處理后的組織。已看不出樹枝晶，析出相增多，形狀改變，顆粒聚集，并開始變得粗大，是過時效組織。失效分析，過時效組織硬度較低[3]。
2.4 SEM + EDS分析
圖5是客戶熱處理前樣件3000X電鏡圖片， 在晶界析出片狀組織為共析組織；而圖6，同樣3000X下觀察188°C x 12h時效處理后的組織，已看不到片狀共析組織。晶界白色顆粒聚集長大。
圖7、圖8是在5000X下熱處理前后組織，用EDS探測圖7中熱處理前微區成分1～4，圖9～12分別是微區1～4的能譜圖，探測結果如表2所示。其中的F含量應該是組織腐蝕液中含有HF酸的原因，在表3中不再列出。
失效分析，EDS分析結果表明，灰色區域1和黑色的背景3都是固溶有Zn的富Al固溶體，白色的3和4是共析組織，分別析出在а初生相的晶界和晶內，與金相分析結果一致。
圖13～16分別是對圖8中1～4微小區域內， 即188°C x 12h時效處理后的微觀組織所對應的能譜探測圖，表3是EDS分析結果。與熱處理前的EDS結果比較，不難看出：共析組織（微區2和4）形狀由細片狀改變為粗大顆粒狀，并且隨著Si、Cu、Mn等強化元素[2][4]的析出、合金相的聚集，基體硬度下降，產生過時效。失效分析，Fe元素以針狀形態分別，是有害元素[4]，含量輕微時，對材料性能影響不大。
N型鋅鋁合金成分屬于Z-A50型系列鋅鋁合金，是在Z-A50型鋅鋁合金的基礎上增加少量Al，Si而來的。提高Al含量，有助于提高合金的力學性能；鋅鋁合金中添加2～8%Si可以大大改善合金的耐磨性，而且有利于提高長期時效下的尺寸穩定性[5]。
N型鋅鋁合金可以通過熱處理調節鑄件的性能，適當熱處理可以穩定組織，改善合金的尺寸穩定性。
對未熱處理來料硬度檢查結果為147～148HV，表明N型鋅鋁合金在金屬型鑄態時就具有較高的硬度，接近于技術要求的下限值。在過時效條件下，隨時效溫度的提高，時效時間的延長，強度、硬度下降，延伸率及沖擊韌性增加。
失效分析，表4中序號1試驗結果表明，當N型鋅鋁合金采用金屬型鑄造（不做固溶處理）+（200°C x 1.5h）時效處理，硬度為90～106HV，強度、硬度下降，低于客戶要求的145HV，伸長率則會提高。根據試驗結果分析，N型鋅鋁合金固溶化雖可提高合金的硬度，但后續的時效硬度峰值出現早，如果時效溫度高，時效時間長，硬度下降。在保證硬度技術要求的前提下，適當過時效可以獲得良好的綜合性能。如果過時效嚴重，硬度則會低于技術要求。
如果不經固溶處理做人工時效12小時，即使是在120～188°C的低溫下時效，也會產生過時效，導致熱處理后硬度顯著下降。失效分析，因此溫度和時間是時效處理的兩個關鍵因素。
4 熱處理驗證試驗
表4是熱處理驗證試驗數據，硬度測試是在熱處理后48小時測定的。用未經熱處理的來料做固溶處理，硬度可升高到180HV0.2，即使是固溶后空冷，硬度也達到175HV，高于未經熱處理來料。隨后的時效熱處理，在100°C保溫50分鐘，升高到193HV的峰值。當保溫時間延長到70分鐘，硬度為185～190HV，硬度開始下降。失效分析，證實，N型合金即使是在100°C時效，保溫50分鐘左右就可以達到硬度峰值。時效時間再延長，硬度下降。
比較不同熱處理工藝驗證下的金相組織（如圖17～20），固溶水冷后未時效的金相組織中，晶界合金相析出少，初生а相顏色灰白，晶內析出少；固溶空冷后未時效的金相組織，初生а相顏色灰色，晶界析出相增加不明顯，與固溶水冷后未時效的金相組織差別不大；固溶水冷+100°C時效50分鐘，晶界析出相與固溶水冷后相同，初生а相顏色灰白色，晶內合金相彌散析出；固溶水冷+100°C時效70分鐘，晶界黑色二次相開始聚集，初生а相內析出相明顯增多。
失效分析，熱處理驗證試驗結果與理論分析一致。
5 結論
失效分析：熱處理硬度低的原因是產品未經固溶處理，隨后的熱處理溫度高，保溫時間長，產生過時效。
6 建議
（1）根據產品特性及硬度高于145HV的技術要求，建議采用“固溶后空冷+100～120°C時效”的熱處理工藝。固溶處理組織越好，時效時間可以相應延長。在保證硬度技術要求的前提下，時效越充分，綜合性能越好；
（2）對于熱處理后硬度低于145HV的產品，可以按照“固溶+人工時效”的方法做返修處理。
參考文獻：
[1] 呂振林，黃積榮，王智民等. ZA50合金高溫摩擦、磨損與斷裂性能研究[J]. 鑄造技術,1995,4:41.
[2] 湯宏群，曾建民，李會玲等.Zn-Al系二元相圖的研究[J].特種鑄造及有色合金,2006,26(6):387.
[3] 江河，楊國斌，張啟文,等.汽車發動機氣缸蓋變形原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(10):777.
[4] 程巨強. 金屬型鑄造ZA50合金的力學性能和組織[J].特種鑄造及有色合金,2006,26(7):452.
[5] Savaskan T，Murphy S.Mechanical Properites and Lubricated Wear of Zinc-25%Al[J]. Wear,1987,(116):211～224.
***報告結束***
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