锌铝合金热处理硬度不足失效分析
2015-08-13 浏览量：3451
1.背景介绍
某型锌铝合金是客户新开发的材料，用N型代替，图1、图2分别为用N型锌铝合金材料制造的手机盖产品正反面。技术要求热处理后硬度145HV以上。送检前，客户采用120～220°C区间的各种温度时效12小时试验，结果硬度都低于145HV，无法正常生产，需分析原因，失效分析。
2 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：147～148HV0.2，接近技术要求的下限值；经188°Cx12h热处理后的产品硬度检测结果为：89.5～96.5HV0.2，硬度下降，硬度值低于技术要求。
2.2 化学成分分析
采用硫碳分析仪+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N型锌铝合金实际上属于ZA50型系列锌铝合金成分。
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。失效分析，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°C x 12h时效处理后的组织。已看不出树枝晶，析出相增多，形状改变，颗粒聚集，并开始变得粗大，是过时效组织。失效分析，过时效组织硬度较低[3]。
2.4 SEM + EDS分析
图5是客户热处理前样件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。
失效分析，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13～16分别是对图8中1～4微小区域内， 即188°C x 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。失效分析，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。
N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]。
N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N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。
失效分析，表4中序号1试验结果表明，当N型锌铝合金采用金属型铸造（不做固溶处理）+（200°C x 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，N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12小时，即使是在120～188°C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。失效分析，因此温度和时间是时效处理的两个关键因素。
4 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48小时测定的。用未经热处理的来料做固溶处理，硬度可升高到180HV0.2，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°C保温50分钟，升高到193HV的峰值。当保温时间延长到70分钟，硬度为185～190HV，硬度开始下降。失效分析，证实，N型合金即使是在100°C时效，保温50分钟左右就可以达到硬度峰值。时效时间再延长，硬度下降。
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°C时效50分钟，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°C时效70分钟，晶界黑色二次相开始聚集，初生а相内析出相明显增多。
失效分析，热处理验证试验结果与理论分析一致。
5 结论
失效分析：热处理硬度低的原因是产品未经固溶处理，随后的热处理温度高，保温时间长，产生过时效。
6 建议
（1）根据产品特性及硬度高于145HV的技术要求，建议采用“固溶后空冷+100～120°C时效”的热处理工艺。固溶处理组织越好，时效时间可以相应延长。在保证硬度技术要求的前提下，时效越充分，综合性能越好；
（2）对于热处理后硬度低于145HV的产品，可以按照“固溶+人工时效”的方法做返修处理。
参考文献：
[1] 吕振林，黄积荣，王智民等. ZA50合金高温摩擦、磨损与断裂性能研究[J]. 铸造技术,1995,4:41.
[2] 汤宏群，曾建民，李会玲等.Zn-Al系二元相图的研究[J].特种铸造及有色合金,2006,26(6):387.
[3] 江河，杨国斌，张启文,等.汽车发动机气缸盖变形原因分析[J].理化检验-物理分册,2014,50(10):777.
[4] 程巨强. 金属型铸造ZA50合金的力学性能和组织[J].特种铸造及有色合金,2006,26(7):452.
[5] Savaskan T，Murphy S.Mechanical Properites and Lubricated Wear of Zinc-25%Al[J]. Wear,1987,(116):211～224.
***报告结束***
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