Al- 4.3Zn- 1.4Mg合金铸态组织研究

徐克宇，王海彬，路丽英，张辉玲，刘世雷，贾宁，陈雷

(东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150060)



Al- 4.3Zn- 1.4Mg合金铸态组织研究

徐克宇，王海彬，路丽英，张辉玲，刘世雷，贾宁，陈雷

(东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150060)

采用光学显微镜、扫描电镜、能谱分析以及差热分析，研究了Al- 4.3Zn-1.4Mg铝合金的铸态组织以及铸锭的过烧温度。结果表明，Al-4.3Zn-1.4Mg铝合金的铸态组织中主要存在T相、Mg2Si相和AlFeMn三种结晶相；过烧温度为479℃。

Al-Zn-Mg合金；铸态组织；T相

近20年来，我国在7xxx系铝合金的研发方面，主要把精力放在了高强、超高强的铝合金上，中强可焊铝合金发展较缓慢。目前，国内对中强可焊Al-Zn-Mg合金的研究较少且多是仿制[1]。我国高速列车的发展，需要大量中强可焊Al-Zn-Mg合金[2]，但我国对该合金还没有形成能满足各种高速列车制造要求的完整合金体系，在合金成分优化、合金冶金质量控制、材料加工及热处理等方面还缺少系统研究。

为此，本文着重研究了一种Al-4.3Zn-1.4Mg合金扁铸锭的铸态组织，分析了铸态组织中存在的相及其形态，以期为Al-4.3Zn-1.4Mg合金扁铸锭后续的热处理等工艺提供依据。

1 试验材料及过程

试验用合金铸锭的化学成分见表1，其规格为300mm×1000mm×1320mm。低倍试样是将原始铸锭进行切割并铣光，铣光深度为1.4mm，取样方法如图1所示。高倍试样经粗磨、细磨、抛光后用蔡司金相显微镜进行观察，JEOL2000型扫描电镜进行微观组织和相成分分析。

表1 试验合金化学成分(质量分数，%)

1-铸锭表面处；3-铸锭表面至中心1/2处，5-铸锭厚度中心处图1 低倍试样取样图示Fig.1 Schematic illustration of sampling

2 试验结果与分析

2.1 合金扁铸锭的低倍组织分析

试验合金半连续扁铸锭表面处、表面至中心1/2处和中心处的铸锭低倍组织如图2所示。

图2 试验合金半连续扁铸锭不同区域的低倍观察Fig.2 Macrostructure of tested alloy in semi continuous casting in different areas of ingot

由图2可见，该铸锭未见冶金缺陷；在铸锭表面至中心1/2处，晶粒细小；在表面处和中心处晶粒略大，总体来看晶粒大小比较均匀。测得铸锭表面处最大晶粒1.5mm、最小晶粒0.8mm、平均1.2mm；表面至中心1/2处最大晶粒1.1mm、最小晶粒0.5mm、平均0.8mm；铸锭中心处最大晶粒1.3mm、最小晶粒 0.7mm、平均1.0mm。

2.2 合金扁铸锭的高倍组织分析

图3为铸锭不同位置的金相组织照片。由图3(a)可见，铸锭表面在凝固过程中形成了大量的网状枝晶，且分布不均匀，同时在枝晶晶干边界附近产生了大量尺寸极其细小的析出物。此外，铸锭表面附近的组织中还存在一些灰色条块状结晶相，其尺寸较粗大。由图3(b)可见，此处枝晶网较铸锭表面处的略有粗化，沿枝晶晶干边界附近析出的尺寸极其细小的析出相数量减少，同时，晶粒尺寸略有减小；基体中仍存在大量灰色条块状结晶相，但其尺寸与铸锭表面处的相比较小。由图3(c)可见，铸锭中心处显微组织与铸锭横断面表面至厚度中心1/2处组织相似。

(a)铸锭表面处；(b)铸锭表面至中心1/2处；(c)铸锭中心处图3 铸锭不同位置的组织照片Fig.3 Micrographs showing microstructure of ingot in different positions

综上所述，沿合金铸锭厚度方向不同位置处，均存在大量呈条状或个别略呈共晶形态的灰色结晶相，主要分布于晶界处。这是由于工业上采用直接水冷半连续铸造生产工艺，使得在铸锭中形成大量的非平衡凝固共晶体，造成严重的成分偏析现象，必须在均匀化处理时使其充分溶入合金基体中并扩散均匀。根据铸锭不同位置处结晶相的形态和数量特征可发现，在铸锭表面处结晶相数量较多，且尺寸也较其它位置粗大，因此综合来看铸锭表面至厚度中心1/2处的组织较为均匀。

2.3 合金扁铸锭的SEM分析

金相组织观察仅能测定合金铸锭中各类相的形貌与分布，为了进一步确定其成分和组成需进行扫描电镜能谱分析。图4为铸锭表面处SEM背散射照片以及各扫描点的元素组成含量与能谱图。由图4可见，浅灰色含AlZnMg的相有两种形态即块状(如探测点1)和共晶形态(如探测点3)，黑色相为含高Mg和Si的相(如探测点2)。

图5为铸锭横断面中心处的SEM背散射照片以及各扫描点的能谱图。由图5可知，扫描点1为T相(Al2Mg3Zn3相)；扫描点2中浅黑色的带状合金相为含Ni相，该相主要分布于T相上；扫描点3主要为含Fe相，还含有少量的Mn元素；扫描点4主要为Mg2Si相，该相呈深黑色，广泛分布于基体中。

综上述，试验合金扁锭铸态组织中主要存在的结晶相,浅灰色条状或块状主要含AlFeMn的结晶相，少量亮灰色条状或椭球状T相(Al2Mg3Zn3相)以及黑色细小圆球状且常附着在T相上的Mg2Si相。

2.4 合金扁铸锭过烧温度的确定

为了后续制定合理的均匀化处理制度，需要确定试验合金铸锭的过烧温度，因此分别对试验合金扁铸锭横断面上接近铸锭表面处以及铸锭厚度中心处进行了DSC分析，分析结果见图6和图7。

图4 铸锭横断面表面处的SEM背散射照片及各扫描点的能谱分析Fig.4 SEM image and EDS-measured composition of each scanning point on the surface of ingot cross section

图5 铸锭横断面中心处的SEM背散射照片及各扫描点的能谱分析Fig.5 SEM image and EDS-measured composition of each scanning point at the center of ingot cross section

由图6、7可见，试验合金扁铸锭表面处和中心处的DSC分析曲线上，在479℃至480℃之间均开始出现吸热峰，表明合金扁铸锭在479～480℃存在开始熔化的低熔点产物，可以确定试验合金扁铸锭的过烧温度为479℃。但由于此时出现的吸热峰对应的热焓均较小，分别为0.4849J/g和0.1728J/g，表明在此温度区间300mm厚合金扁铸锭开始熔化的低熔点产物并不多，较容易通过铸锭均匀化处理将其消除。

图6 接近铸锭表面处的DSC分析结果 图7 铸锭厚度中心处的DSC分析结果Fig.6 DSC curve for the surface of ingot Fig.7 DSC curve for the mid-depth of ingot

3 结论

(1)试验合金扁锭铸态组织中存在的结晶相主要有含AlFeMn的结晶相， T相(Al2Mg3Zn3相)和Mg2Si相；

(2)试验合金扁铸锭的过烧温度为479℃。

[1] 牛得田.铝合金车体在轨道车辆上的应用及展望[J].机车车辆工艺，2003(03)：1-2.

[2] 倪培相，左秀荣，吴欣凤.Al-Zn-Mg系合金的研究现状[J].轻合金加工技术,2007,35(1)：7-11.

Study of As-Cast Microstructure of Al- 4.3Zn-1.4Mg Alloy

XU Keyu, WANG Haibin, LU Liying, ZHANG Huiling, LIU Shilei, JIA Ning, CHEN Lei

(Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

The paper studied as-cast microstructure of Al-4.3Zn-1.4Mg alloy and the overburnt temperature of ingot using OM, SEM, EDS and DTA. The results showed that T phase, Mg2Si phase and AlFeMn phase were observed in as-cast microstructure of Al-4.3Zn-1.4Mg alloy; the overburnt temperature was 479℃.

Al-Zn-Mg alloy; as-cast microstructure; T phase

2014-11-17

徐克宇(1983-)，男，工程师。

TG335.6

A

1671-6795(2015)03-0017-04