ZnAl合金的应用与激光焊接研究

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1、Zn-Al合金的应用与激光焊接研究安徽机电职业技术学院机械工程系   王立跃   徐道荣     ［摘要］本文综述了Zn-Al合金研究、应用现状及凝固特性，锌-铝合金激光焊接特点及主要问题。     ［关键词］Zn-Al合金；凝固特性；激光焊接      锌-铝系列合金具有良好的力学性能、优良的铸造工艺性能、良好的摩擦磨损特性、较低的原材料成本和熔化能耗低、对环境无污染等特点[1]，它刚一问世，就马上引起了世界各国材料工作者的关注，并很快开拓了应用市场。随着对锌基合金需求的增加，人们对锌-铝合金的研究也越来越深入。 1   锌-铝合金的发展概况       二战初期，由于铜、锡资源

2、紧缺,德国率先开始了重力铸造锌合金代替铜合金的研究。研究发现，含铝较高的重力铸造锌合金的机械性能好，又有较好的自润滑性，代替青铜做轴承具有良好的效果。与青铜相比，锌基合金对油的亲和力较大、摩擦系数较低、力学性能优良，而且具有减振性能[2]。       20世纪70年代中期以来，加拿大Noranda矿业有限公司的魁北克研究中心与美国的Eastern合金公司合作，开始了新型重力铸造高铝锌基合金的研究开发。这最终导致了ZA27和ZA8合金的诞生[3,4]。       锌-铝合金的应用开发是在20世纪80年代，由于其具有高的抗拉强度和硬度、良好的阻尼性、摩擦系数小、摩擦温升低、耐磨性好

3、、原材料与制造成本低廉等优点以及其他一些独特的性能（如碰撞时不产生火花、无磁性等），因此具有很强的市场竞争力,并成为金属材料工程研究的热点之一[5]。       目前全球范围内缺铜，而锌是一种储量大、分布广的金属，锌-铝系列合金可以在大部分的工业领域中取代铜基合金。锌-铝合金在美、加、德、英、日、俄等工业发达国家均得到广泛应用，我国铜资源短缺，锌、铝资源相当丰富，因此大力研究和推广锌铝合金应用具有重要的经济意义[6,7]。2  锌-铝合金的研究及应用现状2.1   化学成分       锌是具有低熔点、低汽化温度及高密度的金属。纯锌具有高塑性和低强度的特点，难以满足工程上的要求,

4、因此在应用中常加入强化元素。锌-铝合金中主要的合金元素为Al、Cu和Mg,有害杂质则是Fe、Pb、Cd，Si和Sb的作用比较独特，当其含量很少时属于杂质，人为加入时为合金元素[7]。其中,铝是锌铝合金中首要的强化元素，铝可以提高锌基合金的流动性，细化晶粒改善铸件的力学性能。锌-铝合金中,随着铝含量的增加，强度提高，韧性下降。铝在锌中固溶度很小，而锌在铝中有很大的固溶度，且随温度变化显著，如共析温度下富铝相的固溶锌含量高，这使得这种合金有很强的固溶强化效果。近年来，锌-铝基合金已成为研究和开发的热点[8]。2.2   性能特点       锌-铝系列合金之所以能在短时间内迅速发展，与

5、其良好的使用性能、加工性能和低廉的成本密切相关。ZA27合金机械性能见表1。2.2.1   锌-铝系列合金具有较高的强度和硬度。其中ZA27合金的强度几乎超过所有的铸造有色合金、铸铁，同时仍保持了良好的塑性和韧性。随着铝含量的增加，“ZA”系列合金收缩率增大，密度降低，伸长率、硬度、冲击值及抗蠕变性增大，耐磨性提高[9]。2.2.2   锌-铝系列合金具有良好的摩擦性能，其摩擦系数低于或相当于锡青铜，但磨损率、磨损表面的温升等均明显低于锡青铜。锌-铝合金具有良好的耐磨性，是铜合金的优良代用材料,这种合金可用于制造滑块、压下螺母、轴瓦、轴套、蜗轮等，使用寿命为铜合金的1~3倍，而铸件

6、成本仅为铜合金的40%~60%，具有显著的经济效益[10]。2.2.3   锌-铝系列合金的气密性优于锡青铜，适于在各种要求密封的场合工作；此外锌-铝合金无磁性，受冲击不产生火花，适于在有防爆的场合工作。锌-铝合金是非磁性材料，本身具有高的阻尼性能，不受磁场影响，有利于电子器件及仪器、仪表的减振降噪[11]。2.2.4   锌-铝合金原材料成本低，熔化耗能低。由于锌的熔点较低，在熔化过程中合金元素烧损少、氧化轻、吸气少，因而熔炼时可以不加熔剂、脱氧剂和精炼剂[11]。2.3   锌-铝合金的凝固特性       研究发现，ZA27合金的结晶温度范围很宽，约为112℃（492~380

7、℃）。这就决定了ZA27合金将以糊状方式进行凝固，而且初生的富铝相具有很强的枝晶生长倾向，故在凝固的中后期,整个凝固区内的剩余合金液将被高度发展的树枝晶分割为互不相通的小熔池。这些小熔池凝固时得不到液态金属的补缩，容易形成分散性缩孔[12]。锌-铝比重的差异和较宽的结晶温度区间导致严重的成分偏析，并由此产生异常的自上而下的凝固顺序，最终形成底缩。通过控制成分偏析、增大温度梯度、改变铸造工艺和降低浇注温度可以减轻或消除底缩现象[13]。       锌-铝合金中，合金化