硅﹑锌元素对铝锌合金组织与性能的影响

黄 韦 ，周运海，陈文珂

（合肥工业大学，安徽合肥 230009）

硅﹑锌元素对铝锌合金组织与性能的影响

黄 韦 ，周运海，陈文珂

（合肥工业大学，安徽合肥 230009）

本文采用铸造法制备了Al-Zn-Si-Mg系和Al-Zn-Mg系两种Al-Zn合金，研究了硅﹑锌元素含量对其显微组织和布氏硬度的影响。结果表明，随着硅和锌元素的增加，基体中硅相分布变得很不均匀，且组织较为粗大。同时，合金的布氏硬度也得到一定程度提高。

Al-Zn合金；硅元素；锌元素；显微组织；布氏硬度

随着家电行业的高速发展，特别是家电产品的快速更新，市场对塑料成型模具的需求量越来越大，而且质量要求越来越高。铝锌合金作为一种应用较早的铸造铝合金，力学性能优良，作为塑料成型模具材料具有加工性能优良和表面质量高的特点。目前国内外研究者对铝锌合金组织细化、阻尼行为和电化学行为做了不少研究[1-3]。然而对铝锌合金作为塑料成型模具的合金成分、组织及其性能的研究非常匮乏，致使在实际生产中，合金成分的选择没有规律可循。目前常用的铸造铝锌合金主要有Al-Zn-Si-Mg系和Al-Zn-Mg系，Al-Zn-Si-Mg系含硅量为5%～8%，含锌量为9%～13%，另外含有少量的Mg，而Al-Zn-Mg系合金不含Si，但含有少量的Cr和Ti[4,5]。因此本文研究的不同含量的硅、锌元素对铝锌合金显微组织和布氏硬度的影响具有非常重要的意义。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验主要材料为ZL102(12%Si,余量为铝)、AlTi5、AlCr10、纯锌、纯铝、纯镁，精炼剂为六氯乙烷。

1.2 铝锌合金的制备

对于A l-Z n-S i-M g系，锌和硅的含量如表1所示，其中硅以Z L 1 0 2的形式加入，Mg元素的加入量为0.2%，余量为铝。共计9组，8个成分。对于Al-Zn-Mg系，锌元素依次变化为5%、6.5%，其他元素依次为Mg0.6%,Cr0.5%,Ti0.2%，其中Ti和Cr都以中间合金形式加入。

表1 Al-Zn-Si-Mg系中锌和硅元素的含量（%）

一般的加料次序是先加低熔点的锌、铝硅合金，再加熔点较高的铝锭、Al-Ti、Al-Cr中间合金,待全部熔化后，温度降至680℃左右，加入Mg锭，搅拌均匀即可进行精炼。炉前质量检测合格后，浇注铸件。切取各组铸件的中部制作试样，经砂轮机、金相砂纸磨平后抛光，再经0.5%的HF腐蚀，无水乙醇洗净吹干后，即可在金相显微镜下观察显微组织。同时用布氏硬度计测定其硬度。

2 实验结果与分析

2.1 硅元素对Al-Zn-Si-Mg系合金组织的影响

通常铸态下Al-Zn-Si-Mg系合金的相组成为：α、Si和Mg2Si，当有Fe杂质时，形成β(Al9Fe2Si2)等[5]。如图1为含Zn量为11%，含Si量分别为5%、6%、7%、8%的铝锌合金显微组织。其中，α固溶体呈灰白色，Si相呈灰色针状或片状，Mg2Si相呈黑色树叉状。硅元素的加入，改善了合金的流动性，但结晶时易形成硬点，使合金的切削性变差，故硅的含量必须控制在一定范围内。此外，硅可改善合金抗拉强度、硬度以及高温时强度，而使延伸率降低[6]。从图1可以看出随着硅含量的增加，合金形成的富硅粒子、硅相的数量增多，硅相尺寸增大，铝相不能很好地稳固硅相，从而出现颗粒分布的不均匀性[7]。同时随着Si含量的增加，树枝晶也愈来愈发达，这是由于Si的存在，抑制铝锌合金固溶体形核，促进其择优生长，生长成发达树枝晶。

图1 不同Si含量的Al-Zn-Si-Mg系合金显微组织

2.2 锌元素对Al-Zn-Si-Mg系合金组织的影响

锌单独加入铝中，对铝合金强度的提高十分有限，同时存在应力腐蚀、开裂倾向，因而限制了它的应用。在铝中同时加入锌和镁，形成强化相MgZn2，对合金产生明显的强化作用。当Mg和Zn含量较多时，即使在高温下也难以全部溶入α固溶体，这些化合物分布在晶界上将显著降低合金的力学性能和抗蚀性能。因此铝锌合金中锌元素的含量也必须控制在一定范围内。如图2为含硅量为7%，含锌量依次为9%﹑10%﹑11%﹑12%﹑13%的铝锌合金显微组织。

Zn在Al中的溶解度极大，铸造时Zn过饱和地溶入α固溶体中，时效过程中Zn以弥散质点析出[4-6]。随着锌含量的增加，铝的消耗量越多，和硅的共晶反应就减少，共晶硅减少，初晶硅增多。从图中可以看出，随着锌含量的增多细小的共晶硅逐渐减少，特别是当锌含量达到13%时，硅相分布很不均匀，组织变得比较粗大。

2.3 锌元素对Al-Zn-Mg系合金组织的影响

通常情况下，当合金中含有少量杂质Fe和Si时，Al-Zn-Mg系合金在铸态下的相组成为α固溶体、Al7Cr、Al3Ti、Mg2Si和Al12（Cr、Fe）3Si等[5]。图3给出了不同锌含量的Al-Zn-Mg系合金显微组织，其中Mg2Si相呈黑色树叉状，Al12（Cr、Fe）3Si呈浅灰色骨骼状。在一般铸造冷却条件下，常获得过饱和的α固溶体，若在较高温度下使用，或经冷加工后，α固溶体很容易分解形成MgZn2相，高的内应力促进晶间应力腐蚀。微量Cr的加入，会生成新的弥散相，这些细小的金属间化合物，在α固溶体分解时，可作为结晶核心，促进MgZn2相质点在晶粒内部出现，有效阻止了MgZn2相在边界上的分解，从而提高了力学性能和抗晶间应力腐蚀性能。合金中Mg、Zn起固溶强化作用，Ti能细化晶粒，改善合金的铸造性能和力学性能[4]。 2.4 硅、锌元素对铝锌合金布氏硬度的影响

图3 不同Zn含量的Al-Zn-Mg系合金显微组织

硬度测试实验在HB3000型布氏硬度机上进行，实验载荷为250kg，保压时间为30s，压头直径为5mm。卸载后通过读数显微镜读出压痕直径，通过下式计算出布氏硬度HB值。

式中，P为试验载荷，D为压头直径，d为压痕直径。如图4为试样的硬度随硅和锌元素含量变化的曲线。

从图中曲线可以看出对于Al-Zn-Si-Mg系合金，随着硅元素的增加，合金的硬度有一定程度的提高，随着锌元素的增加，合金的硬度开始呈增加趋势，当锌含量为11%时达到最大值，之后呈下降趋势，当锌含量为13%时，达到另一峰值。对于Al-Zn-Mg系合金，锌元素的变化对合金硬度的影响更为明显，锌元素含量提高1.5%，合金的硬度提高了25.78%。这是因为随着硅元素的增加，结晶析出的硬点增多，同时硅与镁形成M g2S i强化相，提高了合金硬度。而锌元素的加入，可以与Mg形成强化相MgZn2，对合金起强化作用，但Mg和Zn的含量超过一定值时，就会形成应力腐蚀。图4(b)显示锌元素的多少与合金硬度之间没有简单的增加或减少关系，而是在一定范围内波动。通常，影响合金硬度的因素是多方面的，如化学成分、晶粒大小、组织结构，乃至杂质等[8]。

图4 Si和Zn对Al-Zn合金布氏硬度的影响

3 结论

（1）随着硅元素的增加，铝锌合金中硅相的数量增多、硅相尺寸增大，组织分布不均匀。

（2）随着锌元素的增加，Al-Zn-Si-Mg系合金中共晶硅数量减少，且硅相分布不均匀，组织变得粗大。对于Al-Zn-Mg系合金极大地提高了其硬度。

（3）随着硅元素的增加，Al-Zn-Si-Mg系合金的硬度也得到一定程度的提高，而锌元素的增加，对其硬度的影响要复杂很多，当锌为11%时，合金硬度达到最高，随后开始下降，在13%时又达到另一峰值。

[1] 胡文全，迟长志，等. 电磁搅拌对ZL401组织与性能的影响[J].金属铸锻焊技术，2011,40(23):30-2.

[2] 郝小军，诗哲.铝锌合金在3%Nacl溶液中的电化学行为[J].中国腐蚀与防护学报,2005,25(4):213-217.

[3] 张忠明，王锦程，等.ZL401合金的阻尼行为研究[J].材料热处理学报，2004,25(1):36-40.

[4] 司乃潮，傅明喜 .有色金属材料及制备 [M].北京：化学工业出版社，2006.

[5] 刘伯操等.铸造手册（铸造非铁合金）[M].北京：机械工业出版社，2003.

[6] 陆文华，李隆盛，等.铸造合金及其熔炼 [M]北京：机械工业出版社，2007.

[7] 杨伏良，甘卫平，陈招科.硅含量对高硅铝合金材料组织及性能的影响[J].材料导报，2005,19(2):99.

[8] 张建华.硅含量对SiP/ZA40复合材料力学性能的影响[J].材料热处理技术，2011,40(8):104-105.

Effect of Chemical Composition Si and Zn on Micro-structure and Performance of Al-Zn Alloy

HUANG Wei, ZHOU YunHai, CHEN WenKe

(Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui China)

Two kinds of Al-Zn alloys as Al-Zn-Si-Mg system and Al-Zn-Mg system have been prepared. The impact of silicon, zinc content on the microstructure and Brinell hardness has been studied, resulting in that with the increase of silicon and zinc, distribution of silicon phase in matrix has been very uneven and microstructur been coarser and at the same time, brinell hardness of the alloy been improved to a certain degree.

Al-Zn alloy; Silicon; Zinc; Microstructure; Brinell hardness

TG146.2+1；

A；

1006-9658（2012）05-0017-3

2012－06－04

稿件编号：1206－060

黄 韦（1987-），男，在读硕士，研究方向：新型材料及成型过程控制技术