熱處理對(duì)高鋁鋅基合金組織與性能的影響

李倩韻 鐘鳴 楊途才 楊丹 陳林

摘要：采用傳統(tǒng)的重力鑄造的方法，通過金相顯微鏡、電子布氏硬度計(jì)以及萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)等檢測(cè)設(shè)備，研究了熱處理對(duì)高鋁鋅基合金組織與性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：熱處理能夠有效地細(xì)化合金晶粒，改善ZA45Si3Cu合金的組織和力學(xué)性能。當(dāng)固溶溫度為360℃+保溫時(shí)間5h，時(shí)效溫為150℃+保溫時(shí)間為5h時(shí)，ZA45Si3Cu合金顯微組織的細(xì)化效果最佳，粗大的樹枝晶組織均勻、細(xì)小的形狀，合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到224MPa，伸長(zhǎng)率為3.33%。

關(guān)鍵詞：熱處理;高鋁鋅基合金;組織與性能

1 前言

高鋁鋅基具有較好的力學(xué)性能，較好的耐磨性能，優(yōu)異的鑄造性能，優(yōu)異的減震性能，因其性能良好，價(jià)格相對(duì)便宜，自出現(xiàn)以來就一直備受人們所關(guān)注。同時(shí)，它的原料資源豐富，制造成本低廉，生產(chǎn)熔化耗能低，熔煉工藝簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境的污染小，因此高鋁鋅基合金被大量應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、汽車制造等多個(gè)領(lǐng)域。因?yàn)檫@些合金擁有良好的綜合力學(xué)性能，在金屬材料界引起熱烈反響，使人們對(duì)鋅鋁合金的研究達(dá)到前所未有的熱潮，比如用新型高鋁鋅基合金替代貴金屬做為耐磨材料、模具材料、減震材料等，解決了我國(guó)銅資源的短缺問題，也使資源得到優(yōu)化配置，符合我國(guó)綠色發(fā)展的道路，為以后的高鋁鋅基合金研究發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

蘇楓[1]通過對(duì)高鋁鋅基合金涂層的耐蝕機(jī)理研究，結(jié)果表明，Zn-15Al合金由于結(jié)合了鋅的犧牲陽極作用和鋁良好的耐蝕性，具有良好的電化學(xué)保護(hù)作用和優(yōu)異的耐鹽霧腐蝕性能，因而在鋼鐵材料的腐蝕保護(hù)中應(yīng)用廣泛。紀(jì)嘉明、邵紅紅等[2]對(duì)新型高鋁鋅基合金組織及性能的試驗(yàn)研究，通過合金成分的改變并加入0.05%富鑭混合稀土制備了新型高鋁鋅基合金，并對(duì)該合金鑄態(tài)條件下顯微組織、力學(xué)性能、熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：新型高鋁鋅合金具有比傳統(tǒng)的ZA27更細(xì)小的顯微組織，更高的強(qiáng)度、硬度和較小的熱膨脹系數(shù);稀土的加入不僅對(duì)合金強(qiáng)度、硬度和熱膨脹系數(shù)而且對(duì)合金塑性改善均有有益作用。沈陽工業(yè)大學(xué)的徐向陽[3]等通過Zr對(duì)ZA27進(jìn)行變質(zhì)處理，發(fā)現(xiàn)加入一定量的Zr元素會(huì)使合金產(chǎn)生亞穩(wěn)Al3Zr相，析出Al2ZnZr（LI2）相，抑制合金的再結(jié)晶，得到非再結(jié)晶組織，相當(dāng)于細(xì)化晶粒，同時(shí)，合金的硬度、拉伸性能也得到了提高。趙靜[4]等研究了Er、Zr對(duì)ZA43合金進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理，發(fā)現(xiàn)添加0.2%Er和0.1%Zr時(shí)合金的微觀組織由粗大的樹枝狀變?yōu)榧?xì)小的花瓣?duì)?，抗拉?qiáng)度比沒經(jīng)過變質(zhì)處理時(shí)提高了26.7%。

通過國(guó)內(nèi)外對(duì)高鋁鋅基合金的研究可知，對(duì)高鋁鋅基合金進(jìn)行熱處理可以改善合金的微觀組織，提高綜合力學(xué)性能。而且，我國(guó)鋅資源豐富，但銅資源則相對(duì)較少，為了更好的發(fā)揮本國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)，研發(fā)銅類合金的鋅鋁合金替代產(chǎn)品，可以有效的解決我國(guó)銅資源緊缺的問題，在金屬材料領(lǐng)域極具研究意義。

2 實(shí)驗(yàn)材料以及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為高鋁鋅基合金（ZA45Si3Cu）合金，其成分如表1所示。為了避免雜質(zhì)元素所造成的實(shí)驗(yàn)誤差，采用了工業(yè)高純鋁（99.9%），純鋅（99.9%），鋁硅合金和Al-Cu中間合金為原料，按照配比（其中Al的含量為45%，Si的含量為3%，Cu的含量為1%，其余的為Zn）配制而成。熱處理工藝如表2所示。

2.2試驗(yàn)方法

根據(jù)合金成分設(shè)計(jì)，稱量實(shí)驗(yàn)所用原料，把預(yù)先稱量好的純鋁原料預(yù)熱，放入熔煉爐內(nèi)，緩慢加熱到750℃。待加入的純鋁完全熔化后，再把稱量好的Al-Si和Al-50%Cu合金經(jīng)預(yù)熱后放入熔煉爐。待Al-Si和Al-50%Cu完全熔化后，放入預(yù)熱的鋅錠，待鋅錠完全熔化后，充分?jǐn)嚢瑁瑢⑷蹆?nèi)溫度設(shè)置到720℃，靜置0.5小時(shí)后，將爐液澆入到預(yù)熱200℃的拉伸模具中，得到拉伸棒，工藝流程圖2所示。澆鑄前在模具內(nèi)壁，攪拌棒、扒渣勺等工具表面均勻的涂一層氧化鋅與水玻璃的混合溶液（水玻璃+水+氧化鋅，體積比為1：4：1）。拉伸試樣尺寸如圖3所示。

3 試驗(yàn)分析

3.1 金相顯微試驗(yàn)分析

熱處理工藝不同，對(duì)ZA45Si3Cu合金的晶粒細(xì)化作用是不同的。ZA45Si3Cu合金經(jīng)熱處理后，可以形成LI2型的 Al2ZnZr相，Al2ZnZr粒子可以起到形核的作用，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。

圖4為鑄態(tài)下的高鋁鋅基合金金相顯微圖，組織由初生樹枝α（Al）相、（α+η）共析體、少量ε（CuZn4）相和硅相組成，其中粗大枝晶為初生α相，是鋅溶于鋁形成的固溶體。由于該合金鋁含量較高，組織中α相枝晶比較發(fā)達(dá)，在鑄態(tài)條件下，存在嚴(yán)重的非平衡偏析組織。晶粒粗大，分布不均勻，所以韌性很低。

圖5為合金在固溶溫度為350℃+保溫時(shí)間5h，時(shí)效溫為150℃+保溫時(shí)間為5h時(shí)的金相圖，初生的α相組織由粗大樹枝晶組織向花狀結(jié)構(gòu)組織和少量的團(tuán)聚狀組織轉(zhuǎn)變，二次枝晶組織也有數(shù)量降低，此時(shí)晶界共晶體組織變化不大，晶粒粗大。

圖6為合金在固溶溫度為360℃+保溫時(shí)間5h，時(shí)效溫為150℃+保溫時(shí)間為5h時(shí)的金相圖，合金中幾乎看不到α相粗大的樹枝晶組織和花朵狀組織，轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)絮狀組織，并且分布比較均勻，晶界非平衡共晶組織也有減少并變得細(xì)小。

圖7為合金在固溶溫度為370℃+保溫時(shí)間5h，時(shí)效溫為150℃+保溫時(shí)間為5h時(shí)的金相圖，合金中的團(tuán)絮狀組織尺寸相對(duì)于圖3-3略有增大。

高鋁鋅基合金由于含鋁量較高，所以組織中α相枝晶比較發(fā)達(dá)，鑄態(tài)條件下存在嚴(yán)重晶內(nèi)偏析，金相組織分布不均勻，晶粒粗大，韌性低。經(jīng)過鋯變質(zhì)處理后，原來粗大的樹枝狀組織變得細(xì)小、致密，晶粒得到細(xì)化，韌性得到提高。特別是添加Zr的含量為0.3%時(shí)細(xì)化效果最好。

3.2 力學(xué)試驗(yàn)分析

表3的數(shù)據(jù)是經(jīng)不同的熱處理后的高鋁鋅基合金的力學(xué)性能。由表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以清楚地看出，熱處理能夠有效地細(xì)化合金晶粒，改善ZA45Si3Cu合金的組織和力學(xué)性能。當(dāng)固溶溫度為360℃+保溫時(shí)間5h，時(shí)效溫為150℃+保溫時(shí)間為5h時(shí)，ZA45Si3Cu合金顯微組織的細(xì)化效果最佳，粗大的樹枝晶組織均勻、細(xì)小的形狀，合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到246MPa，伸長(zhǎng)率為3.4%。熱處理對(duì)合金的硬度影響不是特別明顯。

4結(jié)論

（1）熱處理能夠有效地細(xì)化合金晶粒，改善ZA45Si3Cu合金的組織和力學(xué)性能。

（2）當(dāng)固溶溫度為360℃+保溫時(shí)間5h，時(shí)效溫為150℃+保溫時(shí)間為5h時(shí)，ZA45Si3Cu合金顯微組織的細(xì)化效果最佳，粗大的樹枝晶組織均勻、細(xì)小的形狀，合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到246MPa，伸長(zhǎng)率為3.4%。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇楓. 高鋁鋅基合金涂層的耐蝕機(jī)理研究[D].南京航空航天大學(xué)，2018.

[2]紀(jì)嘉明，邵紅紅，孟國(guó)萃，顧冬青.新型高鋁鋅基合金組織及性能的試驗(yàn)研究[J].熱加工工藝，2014，43（02）：61-63+66.

[3]徐向陽. 微量Sc、Zr對(duì)ZA27合金組織與性能的影響[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué)，2009.

[4]趙靜. 微量元素Er和Zr復(fù)合合金化對(duì)鋅鋁合金組織及性能的影響[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué). 2012.

*通訊作者：楊途才（1992-），男，漢，廣西來賓人，本科，助理工程師，研究方向：高性能鋁合金

基金資助：2019年百色學(xué)院自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：《熱處理對(duì)高鋁鋅基合金組織與性能的影響》（項(xiàng)目編號(hào)201910609083）