Zn元素的添加對Al－Zn－Si鑄造合金微觀組織與力學(xué)性能的影響＊

高碩洪，劉春蓮，崔雪鴻，祝金明

（廣西民族大學(xué) 理學(xué)院，廣西 南寧 530006）

0 引言

鋁擁有一系列比其他有色金屬、鋼鐵和塑料等更優(yōu)良的特性，如密度小，其密度約為銅或鋼的1／3，優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，良好的耐蝕性等.但是純鋁的力學(xué)性能并不高，不適合做承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件，為了提高鋁的力學(xué)性能，生產(chǎn)中常在純鋁中加入某些元素，制成鋁合金，鋁合金仍保持純鋁的密度小和耐蝕性好的特點且力學(xué)性能比純鋁高很多.鋁合金中常加入的元素有銅、鋅、鎂、硅、錳以及稀土元素等，這些合金元素在固態(tài)鋁中的溶解度一般都是有限的，所以鋁合金的組織中除了形成鋁基固溶體外，還有第二相出現(xiàn)，以鋁為基的二元合金基本上都按共晶相圖結(jié)晶［1］.加入的合金元素不同，在鋁基固溶體中的極限溶解度也不一樣，固溶度隨溫度的變化以及合金共晶點的位置也各不相同.Cu是重要的合金元素，可以形成銅原子富集區(qū)，有一定的固溶強化作用，但是Cu的含量要在適當(dāng)范圍之內(nèi)，過量的銅會使鑄造時的合金直接斷裂.鋅在鋁中有很大的溶解度，極限溶解度為31.6%，在鋁鋅合金中Zn含量可達(dá)13%，而且在鑄造冷卻時不發(fā)生分解，可以得到較大的固溶強化效果，故鋁鋅合金具有較高的強度，其主要缺點是耐蝕性差［2］.鎂對鋁有較強的強化作用，硅可以提高熔鑄過程的流動性，減少鑄造縮孔，但會致使合金的塑性下降［3］.錳能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒，從而提高合金強度［4］.而在鋁合金中加入適量稀土元素，可以顯著改善鋁合金的金相組織，細(xì)化晶粒，去除鋁合金中氣體和有害雜質(zhì)，減少鋁合金的裂紋源，從而提高鋁合金的強度，改善加工性能，還能改善鋁合金的耐熱性、可塑性以及可鍛性，提高硬度、增加強度和韌性［5］.

鑄造鋁合金作為有色金屬材料，具有獨特的高強度和耐腐蝕性，而鑄造鋁鋅合金還具有較好的減震性能.由于鋁合金具備一系列的優(yōu)良性能，故被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車、機械等各行業(yè).隨著科學(xué)與經(jīng)濟的發(fā)展、現(xiàn)代工業(yè)及鑄造技術(shù)的不斷進步，鑄造鋁合金的使用量越來越多［6］.目前國內(nèi)外對鋁鋅合金的研究主要集中于熱處理、半固態(tài)熱處理和變質(zhì)處理對鋁鋅合金組織和性能的影響，以及通過添加合金元素、稀土元素來改善鋁鋅合金的綜合性能，并對其耐磨性耐蝕性進行詳細(xì)的研究［7］.本文以代號為ZL401的Al－Zn系ZAlZn11Si7鑄造鋁合金為研究對象，探討微觀組織結(jié)構(gòu)對ZAlZn11Si7鑄造鋁合金對其硬度、顯微組織及室溫靜載荷下所能承受的拉應(yīng)力等進行相應(yīng)的測量或分析，探討其組織對力學(xué)性能的影響，為進一步改善鑄造鋁合金的綜合性能提出建議，并對鋁鋅硅鑄造合金的生產(chǎn)給出一些建議.

1 實驗過程

1.1 樣品制備

1.1.1 配料

試驗所用合金采用純度為99.9wt.%左右的單質(zhì)Al、Zn、Si和 Mg按質(zhì)量比進行配制.合金在熔鑄過程中會有燒損，因此必須考慮每個合金的燒損率，根據(jù)公式（1）［8］

計算出各合金原料的重量（如表1所示），其中α為合金元素所占的原始質(zhì)量百分比，ε為合金元素的燒損率（wt.%），M為原始原料的總重量（500g）.先用鋼刷除去金屬表面的氧化膜，再利用精密電子天平稱出所需合金組元的質(zhì)量，再用石油醚和無水乙醇進行超聲波清洗，除去金屬表面的油污及在配料過程中附著的雜質(zhì).

表1 合金原料重量（g）Tab.1 Weight of alloy materials（g）

1.1.2 合金鑄造

按合金化學(xué)成分表的順序用電阻坩鍋爐進行熔煉，其過程可以概述為：檢查電阻坩堝爐是否正常→接通電源→熔鑄原材料的準(zhǔn)備→檢查并預(yù)熱坩堝至發(fā)紅→加入小塊的鋁塊盡快形成熔池→添加塊度較大的鋁錠→先后加入硅、鋅、鎂等金屬塊→于450℃預(yù)熱模具30min→升溫至720℃待鋁錠全部熔化→添加覆蓋劑→熔畢后充分?jǐn)嚢琛窃珶挸龤狻窃俅翁砑痈采w劑→靜置→扒渣→澆鑄.

1.2 實驗分析方法

檢查樣品表面是否有明顯的縮孔或裂紋等缺陷，選擇合適的樣品，去除毛刺與飛邊，鋸掉冒口處樣品突出的多余部分，同時用銼刀把斷面磨平，鋸下合適厚度的端塊用以測量硬度，同時鋸下合適厚度的合金端塊用以制作金相試樣，將處理好的樣品放置待用.

1.2.1 金相組織觀察

將合金端塊鑲嵌成金相樣品，經(jīng)400＃～2000＃砂紙多道次磨平后，用氧化鋁拋光粉進行拋光至表面沒有劃痕為止，再進行腐蝕，采用的腐蝕劑配方如下：氫氟酸0.5ml；鹽酸：1.5ml，硝酸：2.5ml，蒸餾水：95.5ml，腐蝕時間為15s，溫度：室溫［9］，腐蝕之后用無水乙醇清洗并用電風(fēng)吹風(fēng)干，然后在金相顯微鏡上進行觀察.

1.2.2 X－射線衍射（XRD）分析

X－射線衍射分析是確定樣品結(jié)構(gòu)的常用方法.不同樣品的X－射線衍射實驗是在國產(chǎn)XD－3粉末衍射儀（Cu－K輻射，波長1.54056nm）上完成的.掃描范圍為10°～85°，速度為2°／min，步長為0.02°，功率為12kW.XRD衍射數(shù)據(jù)使用Jade5.0分析，經(jīng)處理后得到衍射圖譜.

1.3 性能表征

1.3.1 力學(xué)性能檢測

拉伸試驗在WDW－100E微機控制電子式萬能試驗機上進行，標(biāo)定試樣的長度為110mm，位移速率為2mm／min.用Oring 8.0處理拉伸數(shù)據(jù)得出應(yīng)力－應(yīng)變曲線.

1.3.2 顯微硬度試驗

將準(zhǔn)備好的合金端塊正反兩橫截面經(jīng)200＃～2000＃砂紙磨平后，用5mm的鋼珠壓頭，在2452N力的載荷下，加載15s進行測量，正反兩面均測量3次后取平均直徑，參照標(biāo)準(zhǔn)得出最終的硬度值.所用設(shè)備為HB－3000型布氏硬度計.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

從圖1可以看出合金的微觀組織由白色基體相α、附著于基體的粒狀β相、分散存在的灰色條狀η相三個相組成.結(jié)合XRD衍射圖譜可知α相為富鋁的固溶體，β相是富鋅的固溶體，η相是硅以單質(zhì)形態(tài)分布于鋁鋅基體上.添加的Zn元素可以無限固溶于鋁基體，增強基體強度的同時與鋁基體形成軟質(zhì)相，起減摩和耐磨作用.其中1號樣品的η相相對較少且短小，2號樣品與4號樣品的η相出現(xiàn)了部分的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，3號樣品的η相較粗大且較長，對比1～3、4～6號樣品可得出η相的變化規(guī)律，即η相隨著鋅含量的增加而變粗大，進而影響合金的性能.1～3號樣品中2號樣品的β相分布較密集，而由兩大組不同化學(xué)成分的樣品的β相比較可知，第一大組的β相分布普遍比第二大組（即添加鎂與不添加鎂）的密集，即析出更多的β相.可見鎂的加入可以促進固溶體的析出.

圖1 合金金相顯微組織Fig.1Alloys microstructure

圖2 合金的XRD衍射圖譜Fig.2XRD diffraction pattern of the alloy

2.2 力學(xué)性能分析

拉伸試樣數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可得出各個樣品的“應(yīng)力－應(yīng)變曲線”（圖4），得出樣品的抗拉強度，經(jīng)過分析和運算可得出其伸長率.合金的力學(xué)性能測試結(jié)果如表2，合金正交試驗性能評價指標(biāo)主要考慮材料的強度、韌性方面，強度指標(biāo)的評價依據(jù)是材料的抗拉強度和硬度，材料的韌性指標(biāo)為伸長率［10］.

表2 合金樣品的力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.2 Mechanical performance test results of alloy sample

在第一大組的合金試樣中，2號樣品抗拉強度最大，而第二大組中4號樣品抗拉強度最大，觀察這兩個樣品的金相圖樣可看到其顯微組織中都出現(xiàn)了網(wǎng)狀的η相，故其組織穩(wěn)定性增加，不易變形，從而不易被拉斷.由此可知組織中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以使合金的抗拉強度增大.添加了鎂的合金η相變得粗大，其表面硬度明顯升高，而且隨著添加的鎂的含量增加，硬度值也隨之升高，其抗拉強度也明顯比沒有添加鎂的1～3號合金更大.其中1號合金樣品的伸長率于第一大組中最大，3號樣品的伸長率最小；4號合金樣品伸長率于第二大組中最大，由此可知試樣的韌性隨著添加的鋅含量的增加而降低，相同鋅含量的兩組有無鎂元素的伸長率對比可知添加了鎂元素的試樣都比沒添加的要小.

從拉伸試樣的斷口（圖3）可以看出，試樣基本沒有收縮現(xiàn)象，斷口較平整，相當(dāng)于脆斷.由此可見無論是添加鎂的鋁鋅硅合金，還是沒有鎂的鋁鋅硅合金，其塑性都較差.

圖3 試樣拉伸斷口：（a）2＃，（b）5＃Fig.3Sample tensile fracture：（a）2＃ ，（b）5＃

圖4 拉伸試樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4Stress（Mpa）－Strain（%）

3 結(jié)論

該研究通過對Al－Zn－Si鑄造合金的成分、澆注過程、顯微組織以及力學(xué)性能的研究，分析了它們之間的關(guān)系，得出了以下結(jié)論：

1）鑄造鋁鋅硅合金的過程需嚴(yán)格按照各項要求進行，澆注溫度控制在720℃～750℃之間為宜.

2）Al－Zn－Si合金的顯微組織由α枝晶相、共析相和相對較少量分散分布在基體中的Si相組成.其中α枝晶相是以鋁單質(zhì)和鋁鋅化合物為主的基體相，共析相中主要是鋅化物.顯微組織中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以提高合金的抗拉強度.

3）鎂在鋁鋅硅鑄造合金中可促進固溶體的析出，使組織更加均勻.鎂能夠增加鋁鋅硅鑄造合金的硬度及強度，但同時也會使合金的韌性有所下降，故在生產(chǎn)中應(yīng)適當(dāng)添加鎂或其他對澆注與性能改善有利的合金元素，其中鎂的最佳含量為0.3wt.%.

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