高鋁鋅基合金強化機制研究進展

摘要：文章綜述了近年來高鋁鋅基合金的研究進展及應用，闡述了鋁含量對高鋁鋅基合金性能影響的研究，論述了通過變質合金化處理、晶粒細化機制、熔體熱速處理等方法和措施改善高鋁鋅基合金性能的研究現狀，并在此基礎上對高鋁鋅基合金的進一步發展提出了建議。

關鍵詞：高鋁鋅基合金；變質合金化；晶粒細化機制；熱速處理；強化機制 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG292 文章編號：1009-2374（2016）07-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.07.013

高鋁鋅基合金一般指鋁含量不少于22%（質量分數）的鋅鋁合金，是20世紀70年代逐漸發展起來的一種新型多元系列的鑄造合金。該系列具有低熔點、合金密度小、機械性能良好、耐摩特性、工藝性能優越等優點，但也容易產生蠕變、熱膨脹系數大、尺寸不穩定、嚴重的成分偏析、底縮、耐磨性和鑄件質量問題。以上問題在很大程度上限制了Zn-Al合金的開發與應用。為了提高鋅鋁合金的力學性能，拓寬它的應用領域，國內外研究者通過優化合金中的鋁含量，分別采用變質、合金化及熱速處理等方法對高鋁鋅基合金進行處理，并取得了一定的成效。

1 鋁含量對高鋁鋅基合金性能的影響

研究發現鋁含量的不同對高鋁鋅基合金的高溫力學性能有影響。無論是高溫（100℃～200℃），還是室溫（20℃）下，隨著含鋁量的增加，鋅鋁合金的硬度、抗拉強度、延伸率呈逐漸增加的趨勢，室溫時ZA45合金的綜合力學性能最佳，而在高溫時ZA50合金最佳。研究發現，隨含鋁量的增加，鋅鋁合金的耐磨性也有所增強。研究還發現，在高速重載的情況下，隨鋁含量的增加，高鋁鋅基合金的耐磨性也明顯增強，這是由于隨著鋁成分的增大，高鋁鋅基合金中α枝晶增多，使合金的硬度增強，從而使其耐磨性也得到提高，另外在合金的摩擦表面生成了Al2O3膜，使耐磨性得到提高。

2 高鋁鋅基合金的變質合金化

在Zn-Al系合金中，通常通過添加變質合金元素來改善其微觀組織結構，從而提高力學性能。常用的變質劑有Si、Sb、Mn、Ti、稀土等。

在高鋁鋅基合金中添加Si元素后，在合金組織中形成（Si+α）共晶硅相，同時析出多邊形塊狀結構的初晶硅，這些初晶硅相不易與基體結合，從而導致合金抗拉強度和延伸率降低，但是硅是硬質相，能夠承受主要的摩擦載荷，還能夠提高合金的熱穩定性，因此合金在添加硅元素后耐磨性能和高溫性能會有所提高。張成華等研究了不同Si含量對ZA27合金耐磨性能的影響，試驗發現，Si元素的加入可以使材料中硬質點的數量增加，從而起到了防止黏著磨損發生的作用，使材料在重載條件下的耐磨性，明顯高于普通ZA27合金材料。

趙海瑞等人通過向高鋁鋅基合金中添加元素Sb，發現Sb的加入可以提高合金的尺寸穩定性和耐磨性，但是在含量較高的情況下又有加重合金晶間腐蝕的傾向。

何順榮等在參考文獻[4]中，研究了鑭鈰混合稀土（RE）變質對ZA40合金組織、力學性能及耐磨性能的影響，表明添加適量混合鑭鈰稀土可以細化晶粒組織，起到抑制共晶硅生長的作用，當添加0.15%的RE時，合金的力學性能顯著升高，其中稀土對合金的硬度影響最大，最大值為150.2HBS，提高了40.6%，拉伸斷面由脆性斷裂向韌脆性混合斷裂轉變，合金在干摩擦條件下耐磨性也得到了一定的提高。

趙玉珍等人通過向合金中添加Ti、RE變質元素，使結晶形核率和固液界面處的成分過冷度得到了顯著的提高，從而細化了初生相和共晶組織，改善了合金的微觀組織結構。參考文獻[6]研究表明，添加0.8%的稀土元素Er可以與合金中的Al生成A12Er相，有效抑制合金中樹枝晶長大，使晶粒細化，提高鑄態鋅鋁合金的抗拉強度。

3 晶粒細化機制

晶粒大小直接影響合金的力學性能。通常合金組織的晶粒越細小，其強度和硬度越高，塑性和韌性也越好。因此為了獲得合金優良的力學性能，往往通過細晶強化的方法得到細晶組織。

3.1 形變處理細化法

形變處理細化法是指在加工過程中通過諸如擠壓、鍛造等各種塑性變形工藝，配合溫度、應變、應變速率等，通過再結晶和相變控制晶粒的尺寸。其中被認為是細化常規材料至亞微米級甚至納米級最具有工業化應用前景的等徑角擠壓法（Equal-Channel Angular Extrusion/Pressing，簡稱ECAE/ECAP）技術制備超細晶材料已成為材料領域的一個研究熱點。

3.2 物理場細化

目前利用脈沖電流、磁場、超聲波處理方法控制合金晶粒的細化，提高合金質量。脈沖電流通過減少形核勢壘促進了金屬合金形核速率。磁場處理是指正處于凝固態的液態金屬在電磁攪拌的作用下，打碎已經凝固的枝晶結構，增加形核率，抑制晶粒長大。由于該方法無污染、操作簡便，受到了人們的廣泛青睞。合金熔體利用超聲波處理以獲得細小的晶粒是由于聲空化效應和聲流效應的共同作用機制。研究發現，適當的超聲波處理時間和功率可以明顯細化晶粒組織。

3.3 快速冷卻法

晶粒大小與形核率及長大速度有關，而形核率和長大速度又與過冷度密切相關。過冷度越大，晶粒越細小，提高金屬的冷卻速度是提高過冷度的主要方法。因此，在鑄造生產中，為了鑄件的冷卻速度有所提高，可以采用以下方法：如用石墨型或金屬型代替砂型，降低金屬型的溫度，加厚金屬型，局部加冷鐵，采用水冷鑄型等。

3.4 機械物理細化法

通過機械攪拌、機械振動等機械物理方法使鑄型振動或變速轉動從而使晶粒細化。通過攪拌、振動一方面可以給熔體傳遞能量加快形核；另一方面可以使在凝固過程中不斷長大的枝晶破碎，增加晶核數量，起到細化晶粒的作用。

4 合金的熔體特征及熱速處理

4.1 合金的熔體特征

合金的微觀組織決定材料的綜合性能，而微觀組織又源于其液態結構。因此，合金的熔體結構及其變化特征將直接影響鑄件的機械性能和質量。一些專家學者關于液態金屬的過熱溫度，物性與凝固組織和力學性能相關性的研究認為：金屬熔體中的微觀不均勻結構，表現為熔體的非均勻性；液態非均勻結構是溫度和化學成分的函數；在爐料-熔體-鑄件系統中存在明顯的鑄造遺傳特性，并指出微觀不均勻結構實際為一些富集元素的原子團。

熔煉過程中熔體結構狀態的不同會導致合金的最終凝固組織出現差異。因此，關于熔體遺傳特征的研究，對于制定合金的熔煉工藝，提高鑄件的力學性能和質量，都有著重要的理論和指導意義。

4.2 合金熔體的熱速處理

金屬熔體熱速處理工藝的理論基礎源于液態金屬結構具有遺傳性，熔體的熱速處理是指在合金熔煉時，將合金過熱到熔點以上某一溫度，然后采取一定的激冷方式使其快速冷卻到預定澆注溫度進行澆注的鑄造工藝。研究表明熱速處理能夠充分發揮材料的潛力，顯著改善鑄件質量。

研究充分證明熱速處理工藝對改善合金的微觀組織和性能可以起到明顯的效果，此工藝的推廣與應用對提高高鋁鋅基合金的強韌性、改善鑄件的質量提供了一條新的技術途徑。

5 結語

高鋁鋅基合金具有原材料成本低、耗能低、力學性能優良等優點。目前，關于高鋁鋅基合金熔煉工藝及強韌化技術的研究已經取得了一定的成果，這為高鋁鋅基合金的進一步發展與推廣奠定了基礎。但是對于高鋁鋅基合金力學性能的改善、鑄件質量的提高仍需系統而深入的研究。為此，在今后的研究中，為拓寬其應用領域，仍需對合金強韌化技術開展實驗研究，通過熔體熱速處理與添加中間合金元素復合處理等方法，探索新的熔體處理工藝和效果以獲得具有高強度、高耐磨性、較高塑韌性和較好的耐蝕性能的高鋁鋅基合金材料。

參考文獻

[1] 顧春雷，張偉強，金花子，等.鋅及鋅鋁合金研究及應用現狀[J].有色金屬，2003，（11）.

[2] 閏淑卿，謝敬佩，劉忠俠.鋁含量對ZA合金組織及耐磨性的影響[J].金屬鑄鍛焊技術，2008，37（1）.

[3] 宋楊陽.含硅高鋁鋅基合金微觀組織和性能的研究[J].材料熱處理技術，2009，38（5）.

[4] Wang Jianhua，Huang Jianfeng，Su Xuping，Wu Changjun.Effect of reverse modification of Al-5Ti-B master alloy on hypoeutectic ZnAl4Y alloy[J].Materials and Design，2012，（38）.

[5] 何順榮，朱健平，江宇.稀土變質對ZA40合金組織和性能的影響[J].中國鑄造裝備與技術，2012，（2）.

[6] 趙玉珍，高慶，張喜燕.稀土、鈦變質ZA27合金的組織與性能的研究[J].鑄造，2003，52（7）.

[7] 程巨強.Zn-50%Al鑄造合金斷裂與疲勞性能的研究

[J].材料熱處理學報，2005，26（2）.

[8] 孫燁，張寶宏，張娜.堿性二次鋅電極的新進展[J].應用科技，2002，29（2）.

[9] 崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2007.

作者簡介：劉文娣（1986-），女，山東濟寧人，山東濟寧市技師學院建筑與材料工程系助理講師，研究方向：材料科學與工程。

（責任編輯：黃銀芳）