ZrB2/ Al-Si合金復合材料微觀組織分析研究

黃文杰

（常德煙草機械有限責任公司，湖南 常德 415000）

1 背景

過共晶Al-Si合金中由于硅含量較高，使合金流動性能、耐腐蝕性能和耐磨性能等得到提高，線性膨脹系數和體積膨脹系數減小，但是，隨著硅含量的增加，合金中初晶硅的尺寸和數量也隨之增加，特別是過共晶Al-Si合金中，大板塊狀的初晶硅導致材料的脆性增加，并且由于初晶硅的硬度較高，使得合金在切削加工過程中對刀具的磨損量增大，材料的加工性能變差。對于含硅量較高的Al-Si合金，如A390過共晶Al-Si合金，需要對合金內部的初晶硅進行變質處理，改善合金的切削加工性能和綜合力學性能。目前最常用的初晶硅變質處理為P變質處理。

經過變質后的過共晶Al-Si合金，組織內部粗大的初晶硅明顯有所細化，尖角也會有所鈍化，使得合金的性能有很大程度的提高，又基于含Si量較高的Al-Si合金中初晶硅和共晶硅數量也會有所增加，使得合金具有耐磨、耐熱、線膨脹系數小等優點。這些優點使過共晶Al-Si合金在汽車發動機和液壓馬達等能量傳輸部件上具有良好的應用前景。

鋯能與硼形成多種化合物，其中二硼化鋯能在高溫下穩定存在。二硼化鋯（ZrB2）晶體結構為六方體晶型，固態下為灰色結晶或粉末，相對密度5.8，熔點為3040℃。具有耐高溫、耐熱震性、電阻小、高溫下抗氧化等優點。

ZrB2是六方晶系準金屬結構化合物，晶格常數為a=3.169?，b=3.533?。Zr-B之間為原子鍵，Zr-Zr和B-B之間為共價鍵，ZrB2的晶體結構和化學鍵決定了其高熔點，高硬度等本質屬性。

2 工藝路線

中間合金Al-6B與海綿鋯按Zr含量分別占10%，20%，30%及Zr：B=1∶2配料，放入到石墨坩堝在SP-15B高頻感應加熱裝置中加熱，在1700℃～1800℃左右熔煉，攪拌后澆注到凹型鐵模中，凝固冷卻后得到4組試樣。對塊狀的合金加工取樣，在金相鑲嵌機用電木粉做輔料鑲嵌得到試樣，得到的金相試樣用砂紙粗磨和細磨后，再用拋光布及金剛石拋光劑拋光，得到完好的金相試樣。

3 Al-Zr-B中間合金微觀組織分析

由相圖可以知道Zr的熔點為1800℃左右，由于溫度過高，在向Al-6B中間合金添加Zr時，會出現燒損情況。化合物的成分配比發生變化，同時高頻爐在高溫下無法對溫度精確控制，因此Al-Zr-B中間合金存在多種成分：ZrAl3化合物，AlB12化合物，ZrB2化合物，AlZrB2化合物。

對Al-10Zr-6B中間合金進行XRD分析，由XRD的峰值初步確定生成了ZrB2。

利用場發射掃描電鏡對合金的相進行組織觀察和成分分析。當Zr含量為10%時，生成較多條狀的ZrB2化合物，尺寸不均一，其長度最長可達150μm；Zr含量增加到20%時，條狀ZrB2化合物大量減少，細小顆粒狀硼化物大量生成，同時伴有少量的細長多余的ZrAl3化合物；當Zr含量為30%時，可以看到粗大的條狀物為多余的ZrAl3化合物，寬度約為10μm，同時生成形狀不規則，大小不一的ZrB2化合物，尺寸從1μm到10μm不等。

在高倍鏡條件下對Al-Zr-B中間合金ZrB2化合物的組織形貌觀察。圖1顯示，亮色的組織為ZrB2相，隨著Zr含量增加，ZrB2相的尺寸變大，由平均5μm左右逐漸長到20μm左右；形狀由顆粒過渡到細條狀，最后是粗大的扁平狀。

圖1 Al-Zr-B中間合金中ZrB相SEM圖

對Al-Zr-B中間合金選擇合適區域進行能譜分析，以此確定相的具體成分圖。對含Zr量為10%的Al-Zr-B中間合金能譜分析，從原子含量百分比推測，形成的ZrB相估推測為ZrB2。

4 ZrB2/Al-Si復合材料微觀組織觀察

選取合適的區域，對初晶硅周圍的組織觀察，如圖2所示。（a）為在低倍條件下的組織相圖，圖中顯示條狀共晶硅數量較多，初晶硅分布彌散，數量較少，平均尺寸大約為20um，大量的ZrAl3相分布在初晶硅周圍。（b）在高倍條件下對一個初晶硅相周圍組織觀察，可以看到少量的Al-Zr相及大量的ZrB2依附在初晶硅上。

根據組織圖選擇合適的區域進行成分分析，來確定ZrB化合物在合金中的去向。選擇初晶硅周圍的Al-Zr相分析，根據得到的原子百分比，可以確定其成分為ZrAl3。據此推測，有一部分ZrB2化合物分解，Zr與Al結合形成ZrAl3。繼續選擇另一個相進行成分分析。對單獨存在的塊狀相成分分析，可以確定為ZrB相，根據原子百分比，此ZrB相中的Zr與B的原子的含量比與中間Al-Zr-B中Zr：B=1∶2相比，大大減少。

ZrB2增強A390復合材料的斷口組織觀察分析，初晶硅斷裂，在斷裂處發現了少量ZrB2。ZrB2加入A390合金中后，ZrB2顆粒依附在初晶硅上，由于ZrB2的硬度遠大于初晶硅，受到壓力作用時，初晶硅會被ZrB2壓碎。

圖2 ZrB2增強A390復合材料SEM圖

5 結論

（1）在1700℃以上，中間合金Al-6B與Zr能生成ZrB2，隨著Zr含量的增加，ZrB2的形狀變得不規則，形狀由顆粒過渡到細條狀，最后為粗大的扁平狀，尺寸由平均5μm左右最終長到10μm左右。

（2）在ZrB2/Al-Si合金中，一部分Zr與Al形成AlZr相（主要為ZrAl3），ZrB相以顆粒狀依附在初晶硅上。一部分Zr與Al形成AlZr相（主要為ZrAl3），ZrB2以顆粒狀依附在初晶硅上。

（3）通過Al-Zr-B合金的微觀組織觀察，可以推測今后ZrB2/Al-Si合金在耐高溫及高溫抗氧化方面有應用的前景。