熱處理對高鋁鋅基合金組織與性能的影響

李倩韻 鐘鳴 楊途才 楊丹 陳林

摘要：采用傳統的重力鑄造的方法，通過金相顯微鏡、電子布氏硬度計以及萬能拉伸試驗機等檢測設備，研究了熱處理對高鋁鋅基合金組織與性能的影響。實驗結果表明：熱處理能夠有效地細化合金晶粒，改善ZA45Si3Cu合金的組織和力學性能。當固溶溫度為360℃+保溫時間5h，時效溫為150℃+保溫時間為5h時，ZA45Si3Cu合金顯微組織的細化效果最佳，粗大的樹枝晶組織均勻、細小的形狀，合金抗拉強度達到224MPa，伸長率為3.33%。

關鍵詞：熱處理;高鋁鋅基合金;組織與性能

1 前言

高鋁鋅基具有較好的力學性能，較好的耐磨性能，優異的鑄造性能，優異的減震性能，因其性能良好，價格相對便宜，自出現以來就一直備受人們所關注。同時，它的原料資源豐富，制造成本低廉，生產熔化耗能低，熔煉工藝簡單，對環境的污染小，因此高鋁鋅基合金被大量應用于機械制造、冶金、汽車制造等多個領域。因為這些合金擁有良好的綜合力學性能，在金屬材料界引起熱烈反響，使人們對鋅鋁合金的研究達到前所未有的熱潮，比如用新型高鋁鋅基合金替代貴金屬做為耐磨材料、模具材料、減震材料等，解決了我國銅資源的短缺問題，也使資源得到優化配置，符合我國綠色發展的道路，為以后的高鋁鋅基合金研究發展打下了堅實的基礎。

蘇楓[1]通過對高鋁鋅基合金涂層的耐蝕機理研究，結果表明，Zn-15Al合金由于結合了鋅的犧牲陽極作用和鋁良好的耐蝕性，具有良好的電化學保護作用和優異的耐鹽霧腐蝕性能，因而在鋼鐵材料的腐蝕保護中應用廣泛。紀嘉明、邵紅紅等[2]對新型高鋁鋅基合金組織及性能的試驗研究，通過合金成分的改變并加入0.05%富鑭混合稀土制備了新型高鋁鋅基合金，并對該合金鑄態條件下顯微組織、力學性能、熱膨脹系數進行了試驗研究。結果表明：新型高鋁鋅合金具有比傳統的ZA27更細小的顯微組織，更高的強度、硬度和較小的熱膨脹系數;稀土的加入不僅對合金強度、硬度和熱膨脹系數而且對合金塑性改善均有有益作用。沈陽工業大學的徐向陽[3]等通過Zr對ZA27進行變質處理，發現加入一定量的Zr元素會使合金產生亞穩Al3Zr相，析出Al2ZnZr（LI2）相，抑制合金的再結晶，得到非再結晶組織，相當于細化晶粒，同時，合金的硬度、拉伸性能也得到了提高。趙靜[4]等研究了Er、Zr對ZA43合金進行復合變質處理，發現添加0.2%Er和0.1%Zr時合金的微觀組織由粗大的樹枝狀變為細小的花瓣狀，抗拉強度比沒經過變質處理時提高了26.7%。

通過國內外對高鋁鋅基合金的研究可知，對高鋁鋅基合金進行熱處理可以改善合金的微觀組織，提高綜合力學性能。而且，我國鋅資源豐富，但銅資源則相對較少，為了更好的發揮本國的資源優勢，研發銅類合金的鋅鋁合金替代產品，可以有效的解決我國銅資源緊缺的問題，在金屬材料領域極具研究意義。

2 實驗材料以及方法

2.1 實驗材料

實驗所用材料為高鋁鋅基合金（ZA45Si3Cu）合金，其成分如表1所示。為了避免雜質元素所造成的實驗誤差，采用了工業高純鋁（99.9%），純鋅（99.9%），鋁硅合金和Al-Cu中間合金為原料，按照配比（其中Al的含量為45%，Si的含量為3%，Cu的含量為1%，其余的為Zn）配制而成。熱處理工藝如表2所示。

2.2試驗方法

根據合金成分設計，稱量實驗所用原料，把預先稱量好的純鋁原料預熱，放入熔煉爐內，緩慢加熱到750℃。待加入的純鋁完全熔化后，再把稱量好的Al-Si和Al-50%Cu合金經預熱后放入熔煉爐。待Al-Si和Al-50%Cu完全熔化后，放入預熱的鋅錠，待鋅錠完全熔化后，充分攪拌，將熔內溫度設置到720℃，靜置0.5小時后，將爐液澆入到預熱200℃的拉伸模具中，得到拉伸棒，工藝流程圖2所示。澆鑄前在模具內壁，攪拌棒、扒渣勺等工具表面均勻的涂一層氧化鋅與水玻璃的混合溶液（水玻璃+水+氧化鋅，體積比為1：4：1）。拉伸試樣尺寸如圖3所示。

3 試驗分析

3.1 金相顯微試驗分析

熱處理工藝不同，對ZA45Si3Cu合金的晶粒細化作用是不同的。ZA45Si3Cu合金經熱處理后，可以形成LI2型的 Al2ZnZr相，Al2ZnZr粒子可以起到形核的作用，達到細化晶粒的效果。

圖4為鑄態下的高鋁鋅基合金金相顯微圖，組織由初生樹枝α（Al）相、（α+η）共析體、少量ε（CuZn4）相和硅相組成，其中粗大枝晶為初生α相，是鋅溶于鋁形成的固溶體。由于該合金鋁含量較高，組織中α相枝晶比較發達，在鑄態條件下，存在嚴重的非平衡偏析組織。晶粒粗大，分布不均勻，所以韌性很低。

圖5為合金在固溶溫度為350℃+保溫時間5h，時效溫為150℃+保溫時間為5h時的金相圖，初生的α相組織由粗大樹枝晶組織向花狀結構組織和少量的團聚狀組織轉變，二次枝晶組織也有數量降低，此時晶界共晶體組織變化不大，晶粒粗大。

圖6為合金在固溶溫度為360℃+保溫時間5h，時效溫為150℃+保溫時間為5h時的金相圖，合金中幾乎看不到α相粗大的樹枝晶組織和花朵狀組織，轉變為團絮狀組織，并且分布比較均勻，晶界非平衡共晶組織也有減少并變得細小。

圖7為合金在固溶溫度為370℃+保溫時間5h，時效溫為150℃+保溫時間為5h時的金相圖，合金中的團絮狀組織尺寸相對于圖3-3略有增大。

高鋁鋅基合金由于含鋁量較高，所以組織中α相枝晶比較發達，鑄態條件下存在嚴重晶內偏析，金相組織分布不均勻，晶粒粗大，韌性低。經過鋯變質處理后，原來粗大的樹枝狀組織變得細小、致密，晶粒得到細化，韌性得到提高。特別是添加Zr的含量為0.3%時細化效果最好。

3.2 力學試驗分析

表3的數據是經不同的熱處理后的高鋁鋅基合金的力學性能。由表3的實驗數據可以清楚地看出，熱處理能夠有效地細化合金晶粒，改善ZA45Si3Cu合金的組織和力學性能。當固溶溫度為360℃+保溫時間5h，時效溫為150℃+保溫時間為5h時，ZA45Si3Cu合金顯微組織的細化效果最佳，粗大的樹枝晶組織均勻、細小的形狀，合金抗拉強度達到246MPa，伸長率為3.4%。熱處理對合金的硬度影響不是特別明顯。

4結論

（1）熱處理能夠有效地細化合金晶粒，改善ZA45Si3Cu合金的組織和力學性能。

（2）當固溶溫度為360℃+保溫時間5h，時效溫為150℃+保溫時間為5h時，ZA45Si3Cu合金顯微組織的細化效果最佳，粗大的樹枝晶組織均勻、細小的形狀，合金抗拉強度達到246MPa，伸長率為3.4%。

參考文獻

[1]蘇楓. 高鋁鋅基合金涂層的耐蝕機理研究[D].南京航空航天大學，2018.

[2]紀嘉明，邵紅紅，孟國萃，顧冬青.新型高鋁鋅基合金組織及性能的試驗研究[J].熱加工工藝，2014，43（02）：61-63+66.

[3]徐向陽. 微量Sc、Zr對ZA27合金組織與性能的影響[D]. 沈陽工業大學，2009.

[4]趙靜. 微量元素Er和Zr復合合金化對鋅鋁合金組織及性能的影響[D]. 沈陽工業大學. 2012.

*通訊作者：楊途才（1992-），男，漢，廣西來賓人，本科，助理工程師，研究方向：高性能鋁合金

基金資助：2019年百色學院自治區級大學生創新創業訓練計劃項目：《熱處理對高鋁鋅基合金組織與性能的影響》（項目編號201910609083）