ZrB2/ Al-Si合金復(fù)合材料微觀組織分析研究

黃文杰

（常德煙草機(jī)械有限責(zé)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(dòng)性能、耐腐蝕性能和耐磨性能等得到提高，線性膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)減小，但是，隨著硅含量的增加，合金中初晶硅的尺寸和數(shù)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(dǎo)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(duì)刀具的磨損量增大，材料的加工性能變差。對(duì)于含硅量較高的Al-Si合金，如A390過共晶Al-Si合金，需要對(duì)合金內(nèi)部的初晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理，改善合金的切削加工性能和綜合力學(xué)性能。目前最常用的初晶硅變質(zhì)處理為P變質(zhì)處理。

經(jīng)過變質(zhì)后的過共晶Al-Si合金，組織內(nèi)部粗大的初晶硅明顯有所細(xì)化，尖角也會(huì)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(shù)量也會(huì)有所增加，使得合金具有耐磨、耐熱、線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使過共晶Al-Si合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)等能量傳輸部件上具有良好的應(yīng)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(wěn)定存在。二硼化鋯（ZrB2）晶體結(jié)構(gòu)為六方體晶型，固態(tài)下為灰色結(jié)晶或粉末，相對(duì)密度5.8，熔點(diǎn)為3040℃。具有耐高溫、耐熱震性、電阻小、高溫下抗氧化等優(yōu)點(diǎn)。

ZrB2是六方晶系準(zhǔn)金屬結(jié)構(gòu)化合物，晶格常數(shù)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(jià)鍵，ZrB2的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵決定了其高熔點(diǎn)，高硬度等本質(zhì)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(yīng)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(duì)塊狀的合金加工取樣，在金相鑲嵌機(jī)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(xì)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(diǎn)為1800℃左右，由于溫度過高，在向Al-6B中間合金添加Zr時(shí)，會(huì)出現(xiàn)燒損情況。化合物的成分配比發(fā)生變化，同時(shí)高頻爐在高溫下無法對(duì)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(duì)Al-10Zr-6B中間合金進(jìn)行XRD分析，由XRD的峰值初步確定生成了ZrB2。

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)合金的相進(jìn)行組織觀察和成分分析。當(dāng)Zr含量為10%時(shí)，生成較多條狀的ZrB2化合物，尺寸不均一，其長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)150μm；Zr含量增加到20%時(shí)，條狀ZrB2化合物大量減少，細(xì)小顆粒狀硼化物大量生成，同時(shí)伴有少量的細(xì)長(zhǎng)多余的ZrAl3化合物；當(dāng)Zr含量為30%時(shí)，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(shí)生成形狀不規(guī)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(duì)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(zhǎng)到20μm左右；形狀由顆粒過渡到細(xì)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(duì)Al-Zr-B中間合金選擇合適區(qū)域進(jìn)行能譜分析，以此確定相的具體成分圖。對(duì)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(cè)，形成的ZrB相估推測(cè)為ZrB2。

4 ZrB2/Al-Si復(fù)合材料微觀組織觀察

選取合適的區(qū)域，對(duì)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(shù)量較多，初晶硅分布彌散，數(shù)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(duì)一個(gè)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(jù)組織圖選擇合適的區(qū)域進(jìn)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(jù)得到的原子百分比，可以確定其成分為ZrAl3。據(jù)此推測(cè)，有一部分ZrB2化合物分解，Zr與Al結(jié)合形成ZrAl3。繼續(xù)選擇另一個(gè)相進(jìn)行成分分析。對(duì)單獨(dú)存在的塊狀相成分分析，可以確定為ZrB相，根據(jù)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(qiáng)A390復(fù)合材料的斷口組織觀察分析，初晶硅斷裂，在斷裂處發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)大于初晶硅，受到壓力作用時(shí)，初晶硅會(huì)被ZrB2壓碎。

圖2 ZrB2增強(qiáng)A390復(fù)合材料SEM圖

5 結(jié)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(guī)則，形狀由顆粒過渡到細(xì)條狀，最后為粗大的扁平狀，尺寸由平均5μm左右最終長(zhǎng)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(cè)今后ZrB2/Al-Si合金在耐高溫及高溫抗氧化方面有應(yīng)用的前景。