熱鍍鋅用Zn-Al-Sb合金凝固組織分析

王 淵，吳秋瑩，杜芳瓊

（1.四川化工職業技術學院，四川 瀘州 646300；2. 精細化工應用技術瀘州市重點實驗室，四川 瀘州 646300）

熱鍍鋅廣泛應用于建筑、輕工、汽車等行業，在鋅浴中加入Al可增加熱鍍鋅層的塑性、韌性和附著性，其耐腐蝕性是常規熱鍍鋅板的2～3倍，Zn-Al合金主要用于耐腐蝕性環境和涂層材料基板；在鋅浴中同時加入一定量的Al和Sb后，制備的Zn-Al-Sb合金不僅具有Zn-Al合金優點外，熱鍍鋅層會形成漂亮的鋅花，鍍層特有的形貌受到用戶的青睞，室外很多熱鍍鋅鋼鐵結構件采用帶有鋅花的鍍層[1]。

目前，國內外對Zn-Al-Sb合金晶體形貌和凝固組織研究的較少，本文對不同Al、Sb含量下的Zn-Al-Sb合金顯微組織進行分析研究，為后續高質量Zn-Al-Sb合金的開發提供了理論依據。

1 實驗材料與方法

1.1 樣品編號及其化學成分

設計和制備了四種Zn-Al-Sb合金樣品，四個樣品的編號及其化學成分見表1，其主要成分區別在于合金元素Al、Sb和Zn含量不同，而Fe、Cu、Pb、Cd等合金元素含量基本相同。

表1 Zn-Al-Sb合金樣品編號及其化學成分（質量分數/%）

1.2 樣品制備及其檢測方法

1.2.1 實驗儀器及用品

PG-2型金相試樣拋光機；KQ-100DE型數控超聲波清洗器；XJP-6A型雙目金相顯微鏡；DX-2700型X射線衍射儀；HITACHI S3400型掃描電子顯微鏡；Inca X-act能譜分析儀；水磨砂紙：200#、400#、600#、800#、1000#和2000#型；水溶性金剛石拋光膏：W5、W3.5、W2.5、W1和W0.5型；金相腐蝕液化學組分：三氧化鉻（AR，500g）、硝酸（AR，500ml）、硫酸鈉（AR，500g）、無水乙醇（AR，500ml）及蒸餾水。

1.2.2 樣品制備

（1）樣品加工。為保證所制備樣品除了可以進行金相和掃描電鏡觀察，還適用于X射線衍射實驗要求，首先對樣品一個端面進行了銑削加工，使樣品檢測面尺寸略小于X射線衍射儀樣品架內孔尺寸（18mm×18mm）。

（2）樣品磨光。首先采用200#砂紙將加工好的樣品檢測面進行倒角 ；再依次用400#、600#、800#、1000#和2000#水磨砂紙對樣品檢測面進行分級預磨。在磨制過程中，確保盡量用力輕微，方向平行于砂紙。每次更換較細砂紙時，均需將試樣旋轉90°，磨至上一道次磨制樣品上的劃痕肉眼看不見為止。每更換一次砂紙，必須清洗試樣表面，防止上一道次粗砂殘留物影響下一道次的細磨效果。

（3）樣品拋光。采用PG-2型金相試樣拋光機，對預磨試樣進行機械拋光?？紤]到合金較軟，拋光布采用絨布。在拋光過程中添加適量金剛石拋光膏，保證拋光效果。拋光膏的使用順序與砂紙相同，由粗到細從W5、W3.5、W2.5、W1和W0.5依次減小。每更換一次拋光膏，拋光盤與拋光布均需清洗干凈，試樣也需旋轉90°，直至拋光表面磨痕消失。拋光完成之后，將樣品小心輕放入加有適量無水乙醇的200ml燒杯中，并將此燒杯置于KQ-100DE型數控超聲波清洗器上，超聲清洗樣品30min，去除樣品觀測面可能殘留的雜質后取出，然后用蒸餾水清洗，進一步去除表面雜質和殘留的乙醇，最后對樣品進行吹風干燥備用。

（4）樣品腐蝕。將拋光清洗干燥好的樣品進行腐蝕。腐蝕液配比為10g CrO3+2.1ml HNO3+0.75g Na2SO4+50ml H2O，待觀察表面沒過腐蝕液面3mm左右來回輕微晃動10s后取出，立即用大量清水沖洗，然后用吹風機吹風干燥備用。

1.2.3 檢測方法

（1）金相檢測。將腐蝕干燥后的合金樣品置于XJP-6A型金相顯微鏡載物臺上，物鏡和目鏡分別為平場消色差PL20/0.35-160和WF12.5×，金相顯微觀察放大倍數為250倍。

（2）形貌及成分檢測。采用日立公司生產的HITACHI S3400型掃描電子顯微鏡，觀察合金試樣的組織形貌。加速電壓為20kV。利用掃描電鏡外接的Inca X-act型能譜分析儀測試合金顯微組織的微區成分。

（3）物相檢測。用DX-2700型X射線衍射儀對合金進行物相分析。樣品下端用支撐物支撐，然后用橡皮泥固定，樣品與鋁空心樣品架保持穩定，并使樣品檢測面平行于鋁空心樣品架表面。采用Cu-Kα輻射（λ=0.154nm），電流為30mA，電壓為40kV，X射線掃描速度10°/min，掃描范圍為10°～80°。

2 結果與分析

2.1 宏觀形貌觀察

腐蝕樣品的宏觀形貌如圖1所示。從中可看出，CS-3-28和R28兩種合金樣品表面偏暗，CS-3-28合金的光亮區比R28合金少，但前者表面出現的條紋較明顯。CS-5-1和R169合金樣品表面無明顯條紋，CS-5-1合金表面光亮區較大，而R169合金的光亮區與暗區分布更為均勻。

圖1 四種合金樣品拋光腐蝕后的宏觀組織照片

2.2 金相顯微觀察

圖2為四種鋅合金樣品的典型光學組織?？梢钥闯觯瑯悠分写嬖谌N典型形貌區域：光亮區（A）、羽毛區（B）和暗區（C）[2,3]。比較四種樣品的組織結構發現，CS-3-28和R28兩種合金中三種區域都比較明顯，其暗區為等軸狀。CS-3-28樣品中的羽毛區比R28合金中更密，但前者的暗區比后者少。CS-5-1和R169合金樣品中基本觀察不到明顯的羽毛區，但與CS-3-28和R28兩種合金的組織相比，其光亮區更多，且其暗區為長條狀，暗區中有較多細小顆粒存在。CS-5-1中的暗區少于R169合金的暗區，但后者中的沉淀顆粒更為粗大。

圖2 四種合金的金相顯微組織。A：光亮區；B：羽毛區；C：暗區。

2.3 掃描電子顯微鏡下微觀組織形貌及其成分分析

四種鋅合金的掃描電子顯微鏡形貌如圖3所示。CS-3-28和R28合金光亮區中的白色針狀物和顆粒狀粒子清晰可見，后者的晶界上也分布著白色針狀物和顆粒狀粒子[4,5]。X射線能譜（EDS）分析結果表明：白色條狀和顆粒狀粒子分別為β-Sb3Zn4相和AlSb相（參見圖4和圖5）?；w中Zn含量不同，因而具有不同襯度。CS-5-1和R169合金的形貌則顯著不同，晶界處條帶形暗區中有顆粒狀析出物。參考相關文獻認為，條帶形暗區在晶界處，并含有按一定取向排列的顆粒。EDS結果表明：CS-5-1和R169合金的晶界處組織結構為Zn基體上分布著大量的Zn-Al共晶體（參見圖6和圖7，其中共晶體標為EZn-Al）。比較圖3中CS-5-1/R169和CS-3-28/R28合金的組織可以進一步看出，隨著合金中Al含量的增加，Zn晶界處的Zn-Al共晶組織顆粒增加，而白色條狀β-Sb3Zn4相減少，同時高熔點AlSb相（熔點達1100℃）顆粒增加。值得指出的是，能譜圖中出現的C和O元素分析結果不太準確，這是EDS分析原理決定的。由于樣品表面污染的原因，能譜分析中通常都會出現C元素。圖7中，R169合金的部分Zn-Al共晶體中存在Si和Fe元素富集現象，可能與該合金的原始化學成分有關。

圖3 四種鋅合金的SEM形貌

圖4 CS-3-28合金SEM照片及能譜分析結果

圖5 R28合金SEM照片及能譜分析結果

圖6 CS-5-1合金SEM照片及能譜分析結果

圖7 R169合金SEM照片及能譜分析結果

2.4 X射線衍射物相分析

圖8和圖9分別為CS-3-28和R28，CS-5-1和R169兩組合金的XRD衍射圖譜。經分析四種鋅合金主要由η-Zn基體相、β-Sb3Zn4相和AlSb相組成。CS-3-28與R28合金中所含相的種類相同，其中β-Sb3Zn4和AlSb兩相的衍射峰強度較低，而CS-3-28合金的Zn基體衍射峰高于R28合金，且R28合金的衍射譜中有Al相衍射峰出現。同樣，CS-5-1與R169合金中所含相種類相同，合金中β-Sb3Zn4和AlSb兩相衍射峰強度均較低，且都有Al的衍射峰出現，但CS-5-1合金的Zn基體衍射峰強度高于R169合金。

圖8 CS-3-28和R28合金的XRD圖譜

圖9 CS-5-1和R169合金的XRD圖譜

3 結論

（1）Zn-Al-Sb鋅合金主要存在三種典型鋅花（光亮區、暗區和羽毛區）。

（2）Zn-Al-Sb鋅合金中除Zn基體相外，主要含有β-Sb3Zn4相和AlSb相。隨著Al含量的增加，合金中AlSb相的相對量增加。同時Zn-Al共晶相的相對量隨Al含量增加而增多，主要分布在Zn晶粒的晶界處。

（3）CS-3-28與R28合金，CS-5-1與R169合金，兩組合金中所含相種類相同，CS-3-28和CS-5-1合金中Zn基體衍射峰分別高于R28和R169合金。