高鋁鋅基合金強(qiáng)化機(jī)制研究進(jìn)展

摘要：文章綜述了近年來高鋁鋅基合金的研究進(jìn)展及應(yīng)用，闡述了鋁含量對(duì)高鋁鋅基合金性能影響的研究，論述了通過變質(zhì)合金化處理、晶粒細(xì)化機(jī)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(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上對(duì)高鋁鋅基合金的進(jìn)一步發(fā)展提出了建議。

關(guān)鍵詞：高鋁鋅基合金；變質(zhì)合金化；晶粒細(xì)化機(jī)制；熱速處理；強(qiáng)化機(jī)制 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG292 文章編號(hào)：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(zhì)量分?jǐn)?shù)）的鋅鋁合金，是20世紀(jì)70年代逐漸發(fā)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(diǎn)、合金密度小、機(jī)械性能良好、耐摩特性、工藝性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，但也容易產(chǎn)生蠕變、熱膨脹系數(shù)大、尺寸不穩(wěn)定、嚴(yán)重的成分偏析、底縮、耐磨性和鑄件質(zhì)量問題。以上問題在很大程度上限制了Zn-Al合金的開發(fā)與應(yīng)用。為了提高鋅鋁合金的力學(xué)性能，拓寬它的應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外研究者通過優(yōu)化合金中的鋁含量，分別采用變質(zhì)、合金化及熱速處理等方法對(duì)高鋁鋅基合金進(jìn)行處理，并取得了一定的成效。

1 鋁含量對(duì)高鋁鋅基合金性能的影響

研究發(fā)現(xiàn)鋁含量的不同對(duì)高鋁鋅基合金的高溫力學(xué)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(qiáng)度、延伸率呈逐漸增加的趨勢，室溫時(shí)ZA45合金的綜合力學(xué)性能最佳，而在高溫時(shí)ZA50合金最佳。研究發(fā)現(xiàn)，隨含鋁量的增加，鋅鋁合金的耐磨性也有所增強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)，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(qiáng)，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(zhì)合金化

在Zn-Al系合金中，通常通過添加變質(zhì)合金元素來改善其微觀組織結(jié)構(gòu)，從而提高力學(xué)性能。常用的變質(zhì)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(shí)析出多邊形塊狀結(jié)構(gòu)的初晶硅，這些初晶硅相不易與基體結(jié)合，從而導(dǎo)致合金抗拉強(qiáng)度和延伸率降低，但是硅是硬質(zhì)相，能夠承受主要的摩擦載荷，還能夠提高合金的熱穩(wěn)定性，因此合金在添加硅元素后耐磨性能和高溫性能會(huì)有所提高。張成華等研究了不同Si含量對(duì)ZA27合金耐磨性能的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Si元素的加入可以使材料中硬質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量增加，從而起到了防止黏著磨損發(fā)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(fā)現(xiàn)Sb的加入可以提高合金的尺寸穩(wěn)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(xiàn)[4]中，研究了鑭鈰混合稀土（RE）變質(zhì)對(duì)ZA40合金組織、力學(xué)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(xì)化晶粒組織，起到抑制共晶硅生長的作用，當(dāng)添加0.15%的RE時(shí)，合金的力學(xué)性能顯著升高，其中稀土對(duì)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(zhuǎn)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(zhì)元素，使結(jié)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(xì)化了初生相和共晶組織，改善了合金的微觀組織結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[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(xì)化，提高鑄態(tài)鋅鋁合金的抗拉強(qiáng)度。

3 晶粒細(xì)化機(jī)制

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

3.1 形變處理細(xì)化法

形變處理細(xì)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(yīng)變、應(yīng)變速率等，通過再結(jié)晶和相變控制晶粒的尺寸。其中被認(rèn)為是細(xì)化常規(guī)材料至亞微米級(jí)甚至納米級(jí)最具有工業(yè)化應(yīng)用前景的等徑角擠壓法（Equal-Channel Angular Extrusion/Pressing，簡稱ECAE/ECAP）技術(shù)制備超細(xì)晶材料已成為材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

3.2 物理場細(xì)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(xì)化，提高合金質(zhì)量。脈沖電流通過減少形核勢壘促進(jìn)了金屬合金形核速率。磁場處理是指正處于凝固態(tài)的液態(tài)金屬在電磁攪拌的作用下，打碎已經(jīng)凝固的枝晶結(jié)構(gòu)，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(xì)小的晶粒是由于聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)的共同作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)某暡ㄌ幚頃r(shí)間和功率可以明顯細(xì)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(guān)，而形核率和長大速度又與過冷度密切相關(guān)。過冷度越大，晶粒越細(xì)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(chǎn)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(jī)械物理細(xì)化法

通過機(jī)械攪拌、機(jī)械振動(dòng)等機(jī)械物理方法使鑄型振動(dòng)或變速轉(zhuǎn)動(dòng)從而使晶粒細(xì)化。通過攪拌、振動(dòng)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(shù)量，起到細(xì)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(tài)結(jié)構(gòu)。因此，合金的熔體結(jié)構(gòu)及其變化特征將直接影響鑄件的機(jī)械性能和質(zhì)量。一些專家學(xué)者關(guān)于液態(tài)金屬的過熱溫度，物性與凝固組織和力學(xué)性能相關(guān)性的研究認(rèn)為：金屬熔體中的微觀不均勻結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為熔體的非均勻性；液態(tài)非均勻結(jié)構(gòu)是溫度和化學(xué)成分的函數(shù)；在爐料-熔體-鑄件系統(tǒng)中存在明顯的鑄造遺傳特性，并指出微觀不均勻結(jié)構(gòu)實(shí)際為一些富集元素的原子團(tuán)。

熔煉過程中熔體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不同會(huì)導(dǎo)致合金的最終凝固組織出現(xiàn)差異。因此，關(guān)于熔體遺傳特征的研究，對(duì)于制定合金的熔煉工藝，提高鑄件的力學(xué)性能和質(zhì)量，都有著重要的理論和指導(dǎo)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(chǔ)源于液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)具有遺傳性，熔體的熱速處理是指在合金熔煉時(shí)，將合金過熱到熔點(diǎn)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(yù)定澆注溫度進(jìn)行澆注的鑄造工藝。研究表明熱速處理能夠充分發(fā)揮材料的潛力，顯著改善鑄件質(zhì)量。

研究充分證明熱速處理工藝對(duì)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(yīng)用對(duì)提高高鋁鋅基合金的強(qiáng)韌性、改善鑄件的質(zhì)量提供了一條新的技術(shù)途徑。

5 結(jié)語

高鋁鋅基合金具有原材料成本低、耗能低、力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。目前，關(guān)于高鋁鋅基合金熔煉工藝及強(qiáng)韌化技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的成果，這為高鋁鋅基合金的進(jìn)一步發(fā)展與推廣奠定了基礎(chǔ)。但是對(duì)于高鋁鋅基合金力學(xué)性能的改善、鑄件質(zhì)量的提高仍需系統(tǒng)而深入的研究。為此，在今后的研究中，為拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，仍需對(duì)合金強(qiáng)韌化技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)研究，通過熔體熱速處理與添加中間合金元素復(fù)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(qiáng)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。

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

（責(zé)任編輯：黃銀芳）