新型高強高韌Al-Zn鑄造鋁合金的組織與性能

林順巖，姚 勇，周志軍

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

高強度鑄造鋁合金，主要應用于制造承受較大載荷的航空、航天及其它民用機械構件的鑄造鋁合金。鑄造鋁合金一般分為Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金和Al-Zn合金四個系列[1，2]。其中，Al-Cu合金是典型的高強韌鑄造鋁合金，但必須進行T5或T6熱處理，才能獲得較高的強度和塑性。鑄造鋁合金的強韌化主要途徑為合金化、純凈化和晶粒細化。合金化仍然是目前獲得高強韌鑄造鋁合金材料的主要途徑之一，包括固溶強化和第二相強化等。純凈化就是要降低材料中氣體的含量、減少夾雜物、控制雜質元素的含量。合金的晶粒尺寸對力學性能有著極其顯著的影響，晶粒尺寸越小，強度越高[3-5]。

鑄造鋁合金具有制備工藝簡單、投資少見效快和成本低廉等優點，廣泛應用于交通運輸、體育用品、3C通訊和機械設備等領域。生產制造各種鞋類鞋底的模具，大多采用鑄造鋁合金。7075變形鋁合金T6或T651狀態厚板生產的鞋模，制造成本高，且高溫性能差。目前，鋁合金鞋模主要采用Al-Cu鑄造鋁合金和Al-Zn鑄造鋁合金。但在鑄態時合金的強度和硬度較低，塑性也較差，在180℃左右的溫度下使用，合金硬度下降很快，極大地降低了鋁合金鞋模的使用壽命，不能滿足鋁合金鞋模的使用要求。因此，急需研制開發出一種高強高韌且耐高溫的高性能、低成本鑄造鋁合金。由西南鋁業（集團）有限責任公司研制生產的新型Al-Zn鑄造鋁合金，強度高，表面硬度高，塑性韌性好，高溫性能好，無需進行任何熱處理，生產成本較低，是一種很有應用前景的新型鑄造鋁合金。

1 試驗材料和方法

將稱量好的純Al錠、中間合金裝爐，裝料順序為中間合金Al-Ti等和純Zn錠放在熔煉爐的中層，純Al錠放在底部和上層，然后開始加熱熔化。待爐料化平后用熔劑粉覆蓋。熔體升溫至720～740℃時，攪拌、扒渣。熔體精煉采用轉子高純氬氣精煉除氣，在熔體溫度為730～750℃時精煉，精煉時間為40min，然后扒去熔體表面浮渣。在熔體溫度為720～730℃時加Al-Ti-B塊，細化劑加入熔煉爐時必須壓入或埋入熔體。然后靜置8～10min，準備澆鑄。

將已制作好的石膏型鞋模在400℃的溫度下烘烤，除去石膏型鞋模中的水分。將石膏型鞋模安放在澆鑄平臺上，四周用鑄鐵條塊緊固，圍成一個鞋模型腔錠模。

澆鑄時采用帶過濾的錐型漏斗勺配合熔體大舀勺澆注，以降低熔體落差，避免夾渣和熔體紊流。在熔體溫度在690～710℃時，直接將鋁合金熔體澆鑄在錠模內。待錠模熔體充滿后，放下喇叭型上蓋板，在喇叭型澆注口添加補縮的合金熔體。澆鑄完成后在室溫冷卻，待熔體完全凝固后脫模水冷，脫模時模錠溫度在320℃左右。由此獲得約長400mm、寬300mm、高250mm的中空鋁合金鞋模鑄錠。

將水冷至室溫的鋁合金鞋模鑄錠機加工切除澆口部喇叭形鑄塊，直接在模錠上取力學性能、表面硬度和高倍組織試樣，分析檢測合金鑄態室溫力學性能、表面硬度和顯微組織。將表面硬度試樣在箱式電阻爐分別進行180℃/8h、16h、32h和320℃/30min加熱處理后，檢測合金的組織和表面硬度。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織及能譜分析

鋁及其合金在熔煉過程中，鋁熔體中存在夾雜物、氣體等，影響熔體純凈度，導致鑄錠易產生氣泡、氣孔、夾雜、疏松、裂紋等缺陷，對鑄件性能或鑄錠后續加工產品的強度、塑性、疲勞、抗蝕性、陽極氧化性和外觀品質等均有顯著影響。夾雜物的存在會增加鋁熔體粘度，降低鋁合金的鑄造性能，促進疏松的形成等。采用重力澆鑄時極易破壞鋁液表面的氧化膜，造成鑄件氧化夾雜和疏松缺陷，影響產品的綜合性能。因此，合金熔煉時應加強熔體精煉除氣，盡可能地除去熔體中的夾雜物和氫氣；同時，在澆鑄時輔以陶瓷過濾板過濾熔體，以獲得優質的鑄造鋁合金鑄錠。合金鑄錠組織見圖1，斷口形貌及能譜分析見圖2。

圖1 合金鑄態時的高倍組織

試驗結果表明，合金高倍組織為典型的Al-Zn合金鑄態組織，合金晶粒較為細小，分布均勻。在合金晶界處存在有少量的共晶組織和呈不規則的塊狀化合物。共晶組織和粗大的化合物在晶界分布的越多，合金鑄態的塑性就越差。

合金斷口形貌和能譜分析表明，合金斷口主要以韌窩斷裂為主，表明合金有著較好的塑性。但在合金局部存在有含Ti的粗大化合物。粗大的含Ti化合物對合金塑性影響很大，降低合金鑄態時的延伸率。

元素 重量 原子百分比 百分比/%/%A l 5 7.8 7 7 0.9 1 T i 4 2.1 3 2 9.0 9總量1 0 0.0 0

圖2 合金鑄態的斷口形貌及能譜分析結果

2.2 力學性能及硬度

降低和控制產品生產成本，才能更好地獲得市場化應用。因此，在對鞋模鑄造鋁合金不做任何熱處理時的室溫力學性能至關重要。理想狀態時的合金要求強度高、硬度高和韌性好。新型鞋模鑄造鋁合金根據Al-Zn鑄造鋁合金的特點，優化設計了合金化學成分，以達到合金高強韌性能配合。合金在不同自然時效時間時的力學性能、表面硬度檢測結果分別見表1和表2。

表1 鋁合金鑄態時的室溫力學性能和硬度（自然時效24h）

表2 鋁合金鑄態時的室溫力學性能和硬度（自然時效72h）

力學性能和硬度檢測分析表明，合金具有較強的自然時效效應。在自然時效72h后，鑄態試樣的合金硬度上升較快，力學性能小幅上升，延伸率略為下降。總體來說，合金在鑄態時有較高的塑性、強度和硬度。

2.3 高溫性能及組織

鑄造鋁合金鞋模需在180℃左右的溫度下間斷地工作，要求鞋模鋁合金具有較好的高溫力學性能；同時，為提高鞋模表面的光潔度，鞋模需在320℃下進行表面涂層固化處理。熱處理可強化的鋁合金有較高的強度和硬度，但在高溫時強度和硬度下降很快，縮短了鞋模的使用壽命。新型Al-Zn鞋模鑄造鋁合金，根據主要合金元素的性質特點和合金化強化機理，優化了合金成分設計和生產工藝，具有較好的高溫力學性能。不同加熱溫度和加熱時間時鞋模合金的表面硬度見表3，高溫時合金的組織如圖3所示。

表3 不同加熱溫度和加熱時間下的表面硬度

圖3 合金鑄態180℃/32h加熱后的高倍組織

高溫試驗結果表明，在180℃加熱保溫后，合金晶界析出相粗化聚集，晶界弱化，合金固溶強化減弱，因此，在180℃加熱保溫8h后，合金硬度下降較快；但在繼續加熱保溫16h和32h后，合金硬度仍然保持在78HBa（87HB）的硬度，說明合金鑄態的高溫性能穩定良好。在320℃加熱短時保溫后，合金硬度依然保持在85HBa（120HB）較高的硬度，說明合金具有較好的高溫性能。

3 結論

（1）新型高強高韌Al-Zn鑄造鋁合金，具有強度高、韌性好、耐高溫、制備成本低，性能穩定優良等優點，其綜合性能遠高于目前常用的鑄造鋁合金。

（2）新型高強高韌Al-Zn鑄造鋁合金，不需進行任何熱處理，在室溫自然時效72h后，合金鑄態時抗拉強度375MPa、屈服強度300MPa、延伸率6.0%以上，合金的硬度為132HB或90HBa。

（3）新型高強高韌Al-Zn鑄造鋁合金，在180℃加熱保溫32h后，合金硬度仍然保持在78HBa（87HB）；經過320℃/30min加熱處理后，合金硬度為85HBa（120HB），有著良好的高溫性能。

（4）新型高強高韌Al-Zn鑄造鋁合金，可采用重力鑄造和壓力鑄造等方式生產，鑄造工藝簡單，制造成本低廉，是一種很有應用前景的新型高強高韌鑄造鋁合金。