硅﹑鋅元素對鋁鋅合金組織與性能的影響

黃 韋 ，周運海，陳文珂

（合肥工業大學，安徽合肥 230009）

硅﹑鋅元素對鋁鋅合金組織與性能的影響

黃 韋 ，周運海，陳文珂

（合肥工業大學，安徽合肥 230009）

本文采用鑄造法制備了Al-Zn-Si-Mg系和Al-Zn-Mg系兩種Al-Zn合金，研究了硅﹑鋅元素含量對其顯微組織和布氏硬度的影響。結果表明，隨著硅和鋅元素的增加，基體中硅相分布變得很不均勻，且組織較為粗大。同時，合金的布氏硬度也得到一定程度提高。

Al-Zn合金；硅元素；鋅元素；顯微組織；布氏硬度

隨著家電行業的高速發展，特別是家電產品的快速更新，市場對塑料成型模具的需求量越來越大，而且質量要求越來越高。鋁鋅合金作為一種應用較早的鑄造鋁合金，力學性能優良，作為塑料成型模具材料具有加工性能優良和表面質量高的特點。目前國內外研究者對鋁鋅合金組織細化、阻尼行為和電化學行為做了不少研究[1-3]。然而對鋁鋅合金作為塑料成型模具的合金成分、組織及其性能的研究非常匱乏，致使在實際生產中，合金成分的選擇沒有規律可循。目前常用的鑄造鋁鋅合金主要有Al-Zn-Si-Mg系和Al-Zn-Mg系，Al-Zn-Si-Mg系含硅量為5%～8%，含鋅量為9%～13%，另外含有少量的Mg，而Al-Zn-Mg系合金不含Si，但含有少量的Cr和Ti[4,5]。因此本文研究的不同含量的硅、鋅元素對鋁鋅合金顯微組織和布氏硬度的影響具有非常重要的意義。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗主要材料為ZL102(12%Si,余量為鋁)、AlTi5、AlCr10、純鋅、純鋁、純鎂，精煉劑為六氯乙烷。

1.2 鋁鋅合金的制備

對于A l-Z n-S i-M g系，鋅和硅的含量如表1所示，其中硅以Z L 1 0 2的形式加入，Mg元素的加入量為0.2%，余量為鋁。共計9組，8個成分。對于Al-Zn-Mg系，鋅元素依次變化為5%、6.5%，其他元素依次為Mg0.6%,Cr0.5%,Ti0.2%，其中Ti和Cr都以中間合金形式加入。

表1 Al-Zn-Si-Mg系中鋅和硅元素的含量（%）

一般的加料次序是先加低熔點的鋅、鋁硅合金，再加熔點較高的鋁錠、Al-Ti、Al-Cr中間合金,待全部熔化后，溫度降至680℃左右，加入Mg錠，攪拌均勻即可進行精煉。爐前質量檢測合格后，澆注鑄件。切取各組鑄件的中部制作試樣，經砂輪機、金相砂紙磨平后拋光，再經0.5%的HF腐蝕，無水乙醇洗凈吹干后，即可在金相顯微鏡下觀察顯微組織。同時用布氏硬度計測定其硬度。

2 實驗結果與分析

2.1 硅元素對Al-Zn-Si-Mg系合金組織的影響

通常鑄態下Al-Zn-Si-Mg系合金的相組成為：α、Si和Mg2Si，當有Fe雜質時，形成β(Al9Fe2Si2)等[5]。如圖1為含Zn量為11%，含Si量分別為5%、6%、7%、8%的鋁鋅合金顯微組織。其中，α固溶體呈灰白色，Si相呈灰色針狀或片狀，Mg2Si相呈黑色樹叉狀。硅元素的加入，改善了合金的流動性，但結晶時易形成硬點，使合金的切削性變差，故硅的含量必須控制在一定范圍內。此外，硅可改善合金抗拉強度、硬度以及高溫時強度，而使延伸率降低[6]。從圖1可以看出隨著硅含量的增加，合金形成的富硅粒子、硅相的數量增多，硅相尺寸增大，鋁相不能很好地穩固硅相，從而出現顆粒分布的不均勻性[7]。同時隨著Si含量的增加，樹枝晶也愈來愈發達，這是由于Si的存在，抑制鋁鋅合金固溶體形核，促進其擇優生長，生長成發達樹枝晶。

圖1 不同Si含量的Al-Zn-Si-Mg系合金顯微組織

2.2 鋅元素對Al-Zn-Si-Mg系合金組織的影響

鋅單獨加入鋁中，對鋁合金強度的提高十分有限，同時存在應力腐蝕、開裂傾向，因而限制了它的應用。在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強化相MgZn2，對合金產生明顯的強化作用。當Mg和Zn含量較多時，即使在高溫下也難以全部溶入α固溶體，這些化合物分布在晶界上將顯著降低合金的力學性能和抗蝕性能。因此鋁鋅合金中鋅元素的含量也必須控制在一定范圍內。如圖2為含硅量為7%，含鋅量依次為9%﹑10%﹑11%﹑12%﹑13%的鋁鋅合金顯微組織。

Zn在Al中的溶解度極大，鑄造時Zn過飽和地溶入α固溶體中，時效過程中Zn以彌散質點析出[4-6]。隨著鋅含量的增加，鋁的消耗量越多，和硅的共晶反應就減少，共晶硅減少，初晶硅增多。從圖中可以看出，隨著鋅含量的增多細小的共晶硅逐漸減少，特別是當鋅含量達到13%時，硅相分布很不均勻，組織變得比較粗大。

2.3 鋅元素對Al-Zn-Mg系合金組織的影響

通常情況下，當合金中含有少量雜質Fe和Si時，Al-Zn-Mg系合金在鑄態下的相組成為α固溶體、Al7Cr、Al3Ti、Mg2Si和Al12（Cr、Fe）3Si等[5]。圖3給出了不同鋅含量的Al-Zn-Mg系合金顯微組織，其中Mg2Si相呈黑色樹叉狀，Al12（Cr、Fe）3Si呈淺灰色骨骼狀。在一般鑄造冷卻條件下，常獲得過飽和的α固溶體，若在較高溫度下使用，或經冷加工后，α固溶體很容易分解形成MgZn2相，高的內應力促進晶間應力腐蝕。微量Cr的加入，會生成新的彌散相，這些細小的金屬間化合物，在α固溶體分解時，可作為結晶核心，促進MgZn2相質點在晶粒內部出現，有效阻止了MgZn2相在邊界上的分解，從而提高了力學性能和抗晶間應力腐蝕性能。合金中Mg、Zn起固溶強化作用，Ti能細化晶粒，改善合金的鑄造性能和力學性能[4]。 2.4 硅、鋅元素對鋁鋅合金布氏硬度的影響

圖3 不同Zn含量的Al-Zn-Mg系合金顯微組織

硬度測試實驗在HB3000型布氏硬度機上進行，實驗載荷為250kg，保壓時間為30s，壓頭直徑為5mm。卸載后通過讀數顯微鏡讀出壓痕直徑，通過下式計算出布氏硬度HB值。

式中，P為試驗載荷，D為壓頭直徑，d為壓痕直徑。如圖4為試樣的硬度隨硅和鋅元素含量變化的曲線。

從圖中曲線可以看出對于Al-Zn-Si-Mg系合金，隨著硅元素的增加，合金的硬度有一定程度的提高，隨著鋅元素的增加，合金的硬度開始呈增加趨勢，當鋅含量為11%時達到最大值，之后呈下降趨勢，當鋅含量為13%時，達到另一峰值。對于Al-Zn-Mg系合金，鋅元素的變化對合金硬度的影響更為明顯，鋅元素含量提高1.5%，合金的硬度提高了25.78%。這是因為隨著硅元素的增加，結晶析出的硬點增多，同時硅與鎂形成M g2S i強化相，提高了合金硬度。而鋅元素的加入，可以與Mg形成強化相MgZn2，對合金起強化作用，但Mg和Zn的含量超過一定值時，就會形成應力腐蝕。圖4(b)顯示鋅元素的多少與合金硬度之間沒有簡單的增加或減少關系，而是在一定范圍內波動。通常，影響合金硬度的因素是多方面的，如化學成分、晶粒大小、組織結構，乃至雜質等[8]。

圖4 Si和Zn對Al-Zn合金布氏硬度的影響

3 結論

（1）隨著硅元素的增加，鋁鋅合金中硅相的數量增多、硅相尺寸增大，組織分布不均勻。

（2）隨著鋅元素的增加，Al-Zn-Si-Mg系合金中共晶硅數量減少，且硅相分布不均勻，組織變得粗大。對于Al-Zn-Mg系合金極大地提高了其硬度。

（3）隨著硅元素的增加，Al-Zn-Si-Mg系合金的硬度也得到一定程度的提高，而鋅元素的增加，對其硬度的影響要復雜很多，當鋅為11%時，合金硬度達到最高，隨后開始下降，在13%時又達到另一峰值。

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[3] 張忠明，王錦程，等.ZL401合金的阻尼行為研究[J].材料熱處理學報，2004,25(1):36-40.

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[5] 劉伯操等.鑄造手冊（鑄造非鐵合金）[M].北京：機械工業出版社，2003.

[6] 陸文華，李隆盛，等.鑄造合金及其熔煉 [M]北京：機械工業出版社，2007.

[7] 楊伏良，甘衛平，陳招科.硅含量對高硅鋁合金材料組織及性能的影響[J].材料導報，2005,19(2):99.

[8] 張建華.硅含量對SiP/ZA40復合材料力學性能的影響[J].材料熱處理技術，2011,40(8):104-105.

Effect of Chemical Composition Si and Zn on Micro-structure and Performance of Al-Zn Alloy

HUANG Wei, ZHOU YunHai, CHEN WenKe

(Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui China)

Two kinds of Al-Zn alloys as Al-Zn-Si-Mg system and Al-Zn-Mg system have been prepared. The impact of silicon, zinc content on the microstructure and Brinell hardness has been studied, resulting in that with the increase of silicon and zinc, distribution of silicon phase in matrix has been very uneven and microstructur been coarser and at the same time, brinell hardness of the alloy been improved to a certain degree.

Al-Zn alloy; Silicon; Zinc; Microstructure; Brinell hardness

TG146.2+1；

A；

1006-9658（2012）05-0017-3

2012－06－04

稿件編號：1206－060

黃 韋（1987-），男，在讀碩士，研究方向：新型材料及成型過程控制技術