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鋅鋁合金熱處理硬度不足失效分析

2015-08-13  瀏覽量:697

五十路

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。技術要求熱處理後硬度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,結果硬度都低於145HV,無法正常生產,需分析原因,失效分析
 
失效分析
 
2  檢查分析 
2.1  來樣硬度檢查
對熱處理前、後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熱處理後的產品硬度檢測結果為:89.5~96.5HV0.2,硬度下降,硬度值低於技術要求。
 
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於ZA50型系列鋅鋁合金成分。
 
失效分析
 
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時效處理後的組織。已看不出樹枝晶,析出相增多,形狀改變,顆粒聚集,並開始變得粗大,是過時效組織。失效分析,過時效組織硬度較低[3]。
 
失效分析
 
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時效處理後的組織,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下熱處理前後組織,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,與金相分析結果壹致。
圖13~16分別是對圖8中1~4微小區域內, 即188°C x 12h時效處理後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,並且隨著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。
 
失效分析
 
失效分析
 
失效分析
 
失效分析
 
失效分析
 
失效分析
 
N型鋅鋁合金成分屬於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,有助於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,而且有利於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,接近於技術要求的下限值。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,低於客戶要求的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,但後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,硬度則會低於技術要求。
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,導致熱處理後硬度顯著下降。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後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,即使是固溶後空冷,硬度也達到175HV,高於未經熱處理來料。隨後的時效熱處理,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。
 
失效分析
 
比較不同熱處理工藝驗證下的金相組織(如圖17~20),固溶水冷後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;固溶空冷後未時效的金相組織,初生а相顏色灰色,晶界析出相增加不明顯,與固溶水冷後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後相同,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壹致。
 
失效分析
 
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,隨後的熱處理溫度高,保溫時間長,產生過時效。
 
6  建議
(1)根據產品特性及硬度高於145HV的技術要求,建議采用“固溶後空冷+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)對於熱處理後硬度低於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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