添加Sb 元素對(duì)鋅鋁合金顯微組織與腐蝕特性影響研究

◎侯士元

（淄博職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東淄博 255300）

鋅能夠與多種有色金屬制成合金，可與鋁等組成壓鑄合金。鋅本身的強(qiáng)度和硬度不高，但加入鋁等合金元素后，其強(qiáng)度和硬度均大為提高。鋅鋁合金有著許多優(yōu)良的特性，例如密度低、抗拉強(qiáng)度高、耐磨性好，同時(shí)鋅鋁合金的熔點(diǎn)低、耗能少、成本較低且低污染，能夠適用于多種鑄造方法，其中在壓鑄上有較大發(fā)展及廣泛應(yīng)用，如汽車裝飾品、電子配件等。銻是一種銀白色的金屬，銻的強(qiáng)度不高，容易破裂，無法單獨(dú)被使用，所以通常銻金屬最大的用途是混合其他金屬制作成合金。本研究旨在探討添加不同比例的銻元素對(duì)鋅鋁合金的顯微組織、硬度和腐蝕特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)將ZA27 鋅鋁合金經(jīng)光譜儀分析后，結(jié)果如表1 所示。由表中分析得知，原材ZA27 中含有Zn、Al、Cu 及其他微量元素。

表1 ZA27 鋅鋁合金組成元素成分表

將原材ZA27 放置酒精中， 以超音波清洗3分鐘， 依照重量百分比添加4wt%、8wt%、10wt%的銻金屬放入坩堝， 然后放入真空感應(yīng)熔煉爐中，待抽完真空并將氬氣灌入爐子，開始啟動(dòng)高周波傳感器加熱， 當(dāng)紅外線測(cè)溫器測(cè)到溫度在430°C 以上時(shí)，ZA27 表面開始破殼直至完全熔融，再將溫度調(diào)制610°C 以使Sb 完全熔融，利用高周波磁力攪拌使銻金屬均勻分散在ZA27 中，15 分鐘后倒入模具，空冷后形成合金，成為長(zhǎng)寬高60mm×60mm×55mm 方體，將硅膠液與鋯砂混合調(diào)成的漿料沾漿淋砂，反復(fù)淋砂7 次，每次靜置1 天干燥，淋砂順序?yàn)榧?xì)、中、粗各兩次，最后在外層沾一次漿， 待干燥后放入加熱爐，在600℃持溫20 分鐘汽化并揮發(fā)干凈，待降溫后清除模具的毛邊，檢查無破損即可使用。

將合金切割進(jìn)行顯微組織觀察與分析、X 光繞射分析、 光譜儀分析、SEM 觀察及EDS 分析、微硬度分析以及電化學(xué)分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)觀察

以水冷式砂輪切割合金， 對(duì)試片進(jìn)行鑲埋，使用水砂紙從120-3000 號(hào)進(jìn)行研磨后， 在拋光機(jī)上以1μm 的氧化鋁顆粒將其拋光， 以酒精清洗、吹干，用鹽酸溶液進(jìn)行金相腐蝕，后用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相顯微組織觀察。

使用掃描式電子顯微鏡，以二次電子影像成像模式觀察合金的顯微組織，以彌補(bǔ)光學(xué)顯微鏡之不足，并用能量散射光譜儀觀察合金元素成分分布及合金定性分析。

用X 光繞射儀進(jìn)行合金元素成分分析。 電壓設(shè)定在40kV，電流設(shè)定在40mA，掃描角度從20°到90°，掃描間距為0.02，時(shí)間0.1 秒。

用微小維氏硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試荷重為100g，持壓時(shí)間30 秒， 依照試片基底及析出物進(jìn)行測(cè)試，在同一區(qū)域中取同一種相測(cè)試3 點(diǎn)，分別記錄后取其平均值。

用恒電位儀對(duì)鑄態(tài)合金進(jìn)行電化學(xué)極化曲線量測(cè)， 將試驗(yàn)材料放入模擬海水（38gNaCl31+1000cc 去離子水）溶液，置入飽和甘汞電極(Hg/Hg2Cl2)為參考電極，白金片為輔助電極，電壓范圍5 至-5V 掃描，速率為5.56mV/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 熱處理及金相觀察

顯微組織觀察與分析。 圖1 為ZA27 合金鑄態(tài)組織，其組織由初生白色α 枝晶（鋅固溶于鋁中形成以鋁為基的固溶體）、包圍在α 枝晶外緣的β 相（以鋅為基或以Zn-Al 為基的固溶體及被α 枝晶及β 相所包圍的枝狀組織η 相為基體組織，小而非常暗的斑點(diǎn)是枝晶間的微縮孔。 圖2 至圖4 為添加不同Sb 含量的ZA27 合金金相圖，白色基底的部分為α 相，周圍較深的部分為共析相β， 被α 相及β 相包圍的枝狀組織為η相， 深色的斑點(diǎn)為枝晶間微縮孔； 在添加Sb 的ZA27 中可觀察到Sb 以黑色長(zhǎng)條形狀呈現(xiàn)，添加Sb 比例愈多有愈粗大的趨勢(shì)， 當(dāng)Sb 含量達(dá)到10wt%時(shí)，雖然其黑色條狀物較為細(xì)小，但其量明顯增多且分散均勻。 此外，Sb 添加到ZA27 合金中，對(duì)α 枝晶、β 相（α＋η 共析相）及η 相的微觀組織形態(tài)變化不大。

圖1 ZA27 顯微組織圖

圖2 添加4wt%Sb 顯微組織圖

圖4 添加10wt%Sb 顯微組織圖

圖3 添加8wt%Sb 顯微組織圖

2.2 X 光繞射分析

將添加不同Sb 含量的ZA27 合金經(jīng)X 光繞射后得到圖5。 由圖中分析得知，原材ZA27 中含有Zn、Al 以及CuZn5，在添加Sb 后出現(xiàn)Sb 波峰，其中CuZn5的波峰在添加Sb 后較原材更加突起，推測(cè)為經(jīng)過熔煉過后，生成更多CuZn5相。

圖5 添加不同Sb 含量的ZA27 合金XRD 曲線圖

2.3 SEM 觀察及EDS 分析

利用掃描式電子顯微鏡觀察各參數(shù)之間微觀組織差異， 用EDS 中的點(diǎn)與面元素分析各種參數(shù)之間的基底組織及新生成物成分含量。ZA27 分析結(jié)果如表2 所示。 大部分為Al 與Zn元素及微量的雜質(zhì)組成。

表2 ZA27 成分分析結(jié)果表

添加不同Sb 含量分析如圖6 至圖11 所示，添加不同Sb 含量分析結(jié)果如表3 至表5 所示，在圖中可以看見ZA27 中多出黑色條狀物（此為Sb）鑄態(tài)的β 相，表現(xiàn)出由富鋁α 相（暗）和富鋅的η 相（亮）組成的均勻結(jié)構(gòu)；另外觀察到富鋅的η 相（可見為亮區(qū)）在Sb 相外緣處凝固。

表5 ZA27 添加10wt%Sb 成分分析結(jié)果表

圖11 ZA27 添加10wt%Sb 的Mapping 圖

表3 ZA27 添加4wt%Sb 成分分析表

圖6 ZA27 添加4wt%Sb 成分分析位置圖

經(jīng)成分分析后結(jié)果表明， 添加8wt%~10 wt%Sb 的ZA27 其Al 及Sb 的成分呈各半， 推測(cè)其為富Al 的Sb 相，而添加4wt%ZA27 的條狀物Sb 百分比較其他參數(shù)低， 可能是因?yàn)槌晒治鍪┘拥狞c(diǎn)未完全打在條狀物上。 分析到α 相、β相，使得其Al 及Zn 百分比較其他參數(shù)高，而Sb的百分比較其他參數(shù)低。

圖7 ZA27 添加4wt%Sb 的Mapping 圖

圖8 ZA27 添加8wt%Sb 成分分析位置圖

圖9 ZA27 添加8wt%Sb 的Mapping 圖

表4 ZA27 添加8wt%Sb 成分分析結(jié)果表

圖10 ZA27 添加10wt%Sb 成分分析位置圖

2.4 維式硬度分析

維氏硬度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示， 可發(fā)現(xiàn)ZA27 隨Sb 添加量增加， 基底硬度也隨之提升，從顯微組織分析中的結(jié)果可得知Sb 元素并不與Al 或Zn 互溶或產(chǎn)生共析反應(yīng)， 而Sb 相本身的硬度比ZA27 高，造成整體的硬度值上升且比母材更高。

表6 ZA27 添加Sb 維氏硬度數(shù)據(jù)表

2.5 電化學(xué)分析

經(jīng)電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)后所得極化曲線如圖12， 表7 為經(jīng)電化學(xué)腐蝕后所得極化曲線數(shù)據(jù)。相較于原材ZA27，添加Sb 的合金其抗腐蝕能力明顯得到提升，以添加8wt%Sb 效果最佳，但隨Sb 含量的增加，合金的腐蝕電位朝負(fù)極移動(dòng)，腐蝕電流密度增加， 加入更多Sb 反而降低了合金的抗腐蝕能力。

圖12 極化曲線圖

表7 極化曲線數(shù)據(jù)表

圖13 至圖16 為經(jīng)電化學(xué)腐蝕過后的SEM圖，從圖中可以觀察到，原材ZA2 腐蝕過后的產(chǎn)物幾乎為針狀及玫瑰狀晶體，添加4wt%Sb 的合金會(huì)沿著晶界腐蝕而還有較粗大的晶粒， 添加8wt%Sb 則腐蝕情況更嚴(yán)重， 較大的晶粒被腐蝕成較小的晶粒，而添10wt%Sb 時(shí)，合金表面也將被腐蝕成針狀及玫瑰狀。

圖13 ZA27 原材腐蝕形貌圖

圖16 添加10wt%Sb 的ZA27 圖

綜上所述， 添加Sb 可以使得ZA27 的抗腐蝕能力明顯上升， 但Sb 添加的愈多并不會(huì)更強(qiáng)化其抗腐蝕能力，反而使抗腐蝕能力些微下降。

圖14 添加4wt%Sb的ZA27 圖

圖15 添加8wt%Sb 的ZA27 圖

3 結(jié)語

（1）ZA27 合金的鑄態(tài)組織由富鋁α 枝晶、共析β 相及富鋅η 相組成， 而且也觀察到少許枝晶間的微縮孔。

（2）Sb 相的外觀是呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀，Sb 添加量增加有粗大的趨勢(shì)，當(dāng)Sb 達(dá)到10wt%時(shí)，黑色條狀物較細(xì)小且分散均勻；此外，Sb 添加對(duì)α 枝晶、β相及η 相的微觀組織的形態(tài)變化不大。

（3）隨著Sb 添加量增加其合金的硬度也會(huì)提升，當(dāng)添加至10wt%時(shí)，硬度較ZA27 原材提升了36%。

（4）添加Sb 可以有效地強(qiáng)化ZA27 的抗腐蝕能力， 添加8wt%Sb 的合金其抗腐蝕性最佳；但是， 添加過量的Sb 其合金的抗腐蝕能力反而會(huì)降低。