化學成分對Al—Zn—Mg系模具材料組織和性能的影響分析

摘 要：對常用的鑄造Al-Zn-Mg系合金通過實驗研究和金相分析，分析Mg、Zn元素及其它元素對合金的組織和性能的影響，為塑料成型模具材料的選材提供了參考依據。只有掌握了每種化學元素對合金組織和性能的影響，以及各元素之間的相互作用，才能制出更加符合要求的Al-Zn-Mg系模具材料，發揮鋁合金的最大使用性能。

關鍵詞：Al-Zn-Mg合金；組織；材料性能；分析

近年來，隨著工業的高速發展，塑料成型加工量越來越大，在生產中塑料成型模具得到了廣泛的運用，并在模具生產中占據了比重較大的地位。鋁合金作為一種應用較早的鑄造合金，以其力學性能好，加工性能優良，容易加工與制造，具有表面質量高等優點，成為塑料成型模具優先選用的材料。

研究常用元素對鋁合金的組織和性能的影響，使塑料成型模具對合金成分在選材時具有規律可循。以目前常用的Al-Zn-Mg系鑄造鋁合金為研究對象，研究Mg、Zn等化學元素對鋁合金性能和組織的影響。

1 塑料成型模具的性能要求

1.1 具有一定的綜合力學性能

塑料成型模具材料同其它模具材料一樣，應適應工作要求，要具有一定的強度、硬度、塑性、韌性，和一定的耐磨性，同時在工作過程中要承受高溫、侵蝕等惡劣工作條件。

1.2 切削加工性好

塑料模具形狀多變，結構復雜，在模具生產過程中不利于切削加工的實施，切削加工成本常占到模具成本2/3以上，為便于加工，降低成本，模具材料要求具有良好切削性和圖案蝕刻性。

1.3 材料具有良好的導熱性和低的熱膨脹系數。

2 化學成分對Al-Zn-Mg系合金組織的影響

2.1 Al-Zn-Mg系鑄造鋁合金的化學成分

Al-Zn-Mg系鑄造鋁合金以Al元素為主，含有一定的Mg、Zn元素，少量的Cu元素，和微量雜質元素Si和Fe。

2.2 Mg、Zn元素的作用

Al-Zn-Mg合金中的Zn、Mg是主要添加合金元素，作為獨立組元存在時， Zn和Mg在Al中的溶解度較高，Zn固溶在Al基體中，起到固溶強化作用，Zn使合金保持適度的耐磨性和潤滑性，Zn含量過低，合金的耐磨性和抗咬合性能差；Zn含量過高時，韌性變差，加大了應力腐蝕的傾向。Mg是一種強化元素，有Zn、Si存在時能提高合金的強度和疲勞強度，但Mg作為獨立組元存在時，如含量過高，加大了合金的脆性，降低合金的韌性，惡化加工性。從上分析，獨立的Zn和Mg對合金性能的提高作用偏弱，還存在應力腐蝕、易開裂等傾向。

Zn、Mg共存時， 則形成一系列新相，如α（Mg5Al8）、η（MgZn2）、T相（Al2Mg3Zn3） 等。能顯著提高強度、硬度， 同時降低合金材料的塑性、韌性、抗應力腐蝕性能。WZn=4%～6%和WMg=2%～4%的合金淬火時的臨界冷卻速度較小，在空氣中淬火將導致合金強度降低，并有很高的應力腐蝕傾向。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。同時Al-Zn-Mg合金在溫度升高時會發生軟化， 容易產生應力腐蝕和分層腐蝕。為了保證Al-Zn-Mg合金具有高的強度和穩定的抗腐蝕性能，因此鋁鋅合金中鋅元素的含量也必須控制在一定范圍內，含量控制在WznMg<7. 5%， 該合金就具有較好的抗應力腐蝕性能。

2.3 Si、Fe元素的作用

Si元素的加入，改善了合金的流動性，和Al 形成共晶相或Si相，硬度高，形成硬質點，呈硬顆粒狀，彌散分布在Al基體中，在合金內表現為強化相，可提高合金的抗拉強度、硬度和耐磨性，以及高溫的抗拉強度，同時降低了合金的塑性和韌性。隨著Si含量的增加，合金形成富Si粒子，Si相的數量增多，Si顆粒聚集長大，且分布不均勻性，生長成灰色針狀或片狀枝晶，使合金的切削性變差。Fe在合金中主要以不溶的FeAl3的形式存在， 顯著降低合金的斷裂韌性，在Al-Zn-Mg系合金中，一般把Fe和Si視為雜質存在，在7***系鋁合金中Fe和Si等雜質的含量一般控制在0.1%以下。

3 改善Al-Zn-Mg合金的措施

從以上分析，簡單的Al-Zn-Mg合金難以滿足模具材料的高性能要求，為使Al-Zn-Mg模具材料達到使用性能要求，延長模具的使用壽命，通過改善Al-Zn-Mg模具合金的化學成分，改變合金的組織和性能，達到塑料成形模具的要求，通常添加以下有益元素來實現。

3.1 Cu元素的作用

Cu對提高鋁合金的強度具有重要的意義，Cu固溶在Al基體中能有效的提高合金的強度和硬度，增強耐磨性，同時改善沉淀相的彌散度，提高抗腐蝕能力及塑性、韌性和抗疲勞性，提高模具的使用壽命。

Cu的存在，大幅提高了合金的熱強性，當Zn、Mg含量少時，Cu含量不宜過高，否則基體會硬而脆，韌性和耐蝕性能降低。

3.2 其它元素對Al-Zn-Mg系合金組織的影響

添加少量的Mn、Cr元素，對合金的組織形態和力學性能有明顯的提高，經熱處理能產生彌散狀態的質點，可提高合金組織的力學性能和改善組織結構，提高了再結晶溫度，具有較好的抗應力腐蝕性能，尤其是Cr元素。

Ti元素對鑄態時的晶粒有較好的細化作用。當鋁合金中加入少量的Ti 時，和Mn、Cr元素一樣，能提高材料的綜合力學性能，特別在合金的強度、韌性、耐磨性、抗疲勞性能及熱穩定性等方面尤為突出。

如果需要，可以在合金中加入適量的Zr、Sc元素，進一步提高鋁合金的使用性能，除了在強度和塑性提高之外，在再結晶溫度、高溫穩定性、抗應力腐蝕性能等方面均有所改善。

4 結束語

通過掌握各種組元在合金中的作用及相互之間的作用，調整合金成分，改變合金的組織和性能，使普通的鋁合金達到塑料成形模具的使用要求，對于材料的選用，模具的成本控制具有重要的意義。

參考文獻

[1]劉曉濤，崔建忠.Al-Zn-Mg-Cu系超高強鋁合金的研究進展[J].材料導報，2005（03）.

[2]王少卿，于化順，張振亞等.粉末熱擠壓Al-Zn-Mg-Cu系合金的熱處理工藝[J].材料熱處理學報，2009（06）. [3]王勝強，王少華，馬志峰等.一種新型Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的變形行為研究[J].材料工程，2012（06）.

[3] 倪培相.Al-Zn-Mg系合金研究現狀[J].輕合金加工技術，2007（35）.

作者簡介：燕金華（1975- ），男，山東廣饒縣人，山東省東營職業學院石油裝備與機電工程學院，講師、碩士、高級鉗工技師，主要從事機械設計與制造方面的教學。