热处理对高铝锌基合金组织与性能的影响

李倩韵 钟鸣 杨途才 杨丹 陈林

摘要：采用传统的重力铸造的方法，通过金相显微镜、电子布氏硬度计以及万能拉伸试验机等检测设备，研究了热处理对高铝锌基合金组织与性能的影响。实验结果表明：热处理能够有效地细化合金晶粒，改善ZA45Si3Cu合金的组织和力学性能。当固溶温度为360℃+保温时间5h，时效温为150℃+保温时间为5h时，ZA45Si3Cu合金显微组织的细化效果最佳，粗大的树枝晶组织均匀、细小的形状，合金抗拉强度达到224MPa，伸长率为3.33%。

关键词：热处理;高铝锌基合金;组织与性能

1 前言

高铝锌基具有较好的力学性能，较好的耐磨性能，优异的铸造性能，优异的减震性能，因其性能良好，价格相对便宜，自出现以来就一直备受人们所关注。同时，它的原料资源丰富，制造成本低廉，生产熔化耗能低，熔炼工艺简单，对环境的污染小，因此高铝锌基合金被大量应用于机械制造、冶金、汽车制造等多个领域。因为这些合金拥有良好的综合力学性能，在金属材料界引起热烈反响，使人们对锌铝合金的研究达到前所未有的热潮，比如用新型高铝锌基合金替代贵金属做为耐磨材料、模具材料、减震材料等，解决了我国铜资源的短缺问题，也使资源得到优化配置，符合我国绿色发展的道路，为以后的高铝锌基合金研究发展打下了坚实的基础。

苏枫[1]通过对高铝锌基合金涂层的耐蚀机理研究，结果表明，Zn-15Al合金由于结合了锌的牺牲阳极作用和铝良好的耐蚀性，具有良好的电化学保护作用和优异的耐盐雾腐蚀性能，因而在钢铁材料的腐蚀保护中应用广泛。纪嘉明、邵红红等[2]对新型高铝锌基合金组织及性能的试验研究，通过合金成分的改变并加入0.05%富镧混合稀土制备了新型高铝锌基合金，并对该合金铸态条件下显微组织、力学性能、热膨胀系数进行了试验研究。结果表明：新型高铝锌合金具有比传统的ZA27更细小的显微组织，更高的强度、硬度和较小的热膨胀系数;稀土的加入不仅对合金强度、硬度和热膨胀系数而且对合金塑性改善均有有益作用。沈阳工业大学的徐向阳[3]等通过Zr对ZA27进行变质处理，发现加入一定量的Zr元素会使合金产生亚稳Al3Zr相，析出Al2ZnZr（LI2）相，抑制合金的再结晶，得到非再结晶组织，相当于细化晶粒，同时，合金的硬度、拉伸性能也得到了提高。赵静[4]等研究了Er、Zr对ZA43合金进行复合变质处理，发现添加0.2%Er和0.1%Zr时合金的微观组织由粗大的树枝状变为细小的花瓣状，抗拉强度比没经过变质处理时提高了26.7%。

通过国内外对高铝锌基合金的研究可知，对高铝锌基合金进行热处理可以改善合金的微观组织，提高综合力学性能。而且，我国锌资源丰富，但铜资源则相对较少，为了更好的发挥本国的资源优势，研发铜类合金的锌铝合金替代产品，可以有效的解决我国铜资源紧缺的问题，在金属材料领域极具研究意义。

2 实验材料以及方法

2.1 实验材料

实验所用材料为高铝锌基合金（ZA45Si3Cu）合金，其成分如表1所示。为了避免杂质元素所造成的实验误差，采用了工业高纯铝（99.9%），纯锌（99.9%），铝硅合金和Al-Cu中间合金为原料，按照配比（其中Al的含量为45%，Si的含量为3%，Cu的含量为1%，其余的为Zn）配制而成。热处理工艺如表2所示。

2.2试验方法

根据合金成分设计，称量实验所用原料，把预先称量好的纯铝原料预热，放入熔炼炉内，缓慢加热到750℃。待加入的纯铝完全熔化后，再把称量好的Al-Si和Al-50%Cu合金经预热后放入熔炼炉。待Al-Si和Al-50%Cu完全熔化后，放入预热的锌锭，待锌锭完全熔化后，充分搅拌，将熔内温度设置到720℃，静置0.5小时后，将炉液浇入到预热200℃的拉伸模具中，得到拉伸棒，工艺流程图2所示。浇铸前在模具内壁，搅拌棒、扒渣勺等工具表面均匀的涂一层氧化锌与水玻璃的混合溶液（水玻璃+水+氧化锌，体积比为1：4：1）。拉伸试样尺寸如图3所示。

3 试验分析

3.1 金相显微试验分析

热处理工艺不同，对ZA45Si3Cu合金的晶粒细化作用是不同的。ZA45Si3Cu合金经热处理后，可以形成LI2型的 Al2ZnZr相，Al2ZnZr粒子可以起到形核的作用，达到细化晶粒的效果。

图4为铸态下的高铝锌基合金金相显微图，组织由初生树枝α（Al）相、（α+η）共析体、少量ε（CuZn4）相和硅相组成，其中粗大枝晶为初生α相，是锌溶于铝形成的固溶体。由于该合金铝含量较高，组织中α相枝晶比较发达，在铸态条件下，存在严重的非平衡偏析组织。晶粒粗大，分布不均匀，所以韧性很低。

图5为合金在固溶温度为350℃+保温时间5h，时效温为150℃+保温时间为5h时的金相图，初生的α相组织由粗大树枝晶组织向花状结构组织和少量的团聚状组织转变，二次枝晶组织也有数量降低，此时晶界共晶体组织变化不大，晶粒粗大。

图6为合金在固溶温度为360℃+保温时间5h，时效温为150℃+保温时间为5h时的金相图，合金中几乎看不到α相粗大的树枝晶组织和花朵状组织，转变为团絮状组织，并且分布比较均匀，晶界非平衡共晶组织也有减少并变得细小。

图7为合金在固溶温度为370℃+保温时间5h，时效温为150℃+保温时间为5h时的金相图，合金中的团絮状组织尺寸相对于图3-3略有增大。

高铝锌基合金由于含铝量较高，所以组织中α相枝晶比较发达，铸态条件下存在严重晶内偏析，金相组织分布不均匀，晶粒粗大，韧性低。经过锆变质处理后，原来粗大的树枝状组织变得细小、致密，晶粒得到细化，韧性得到提高。特别是添加Zr的含量为0.3%时细化效果最好。

3.2 力学试验分析

表3的数据是经不同的热处理后的高铝锌基合金的力学性能。由表3的实验数据可以清楚地看出，热处理能够有效地细化合金晶粒，改善ZA45Si3Cu合金的组织和力学性能。当固溶温度为360℃+保温时间5h，时效温为150℃+保温时间为5h时，ZA45Si3Cu合金显微组织的细化效果最佳，粗大的树枝晶组织均匀、细小的形状，合金抗拉强度达到246MPa，伸长率为3.4%。热处理对合金的硬度影响不是特别明显。

4结论

（1）熱处理能够有效地细化合金晶粒，改善ZA45Si3Cu合金的组织和力学性能。

（2）当固溶温度为360℃+保温时间5h，时效温为150℃+保温时间为5h时，ZA45Si3Cu合金显微组织的细化效果最佳，粗大的树枝晶组织均匀、细小的形状，合金抗拉强度达到246MPa，伸长率为3.4%。

参考文献

[1]苏枫. 高铝锌基合金涂层的耐蚀机理研究[D].南京航空航天大学，2018.

[2]纪嘉明，邵红红，孟国萃，顾冬青.新型高铝锌基合金组织及性能的试验研究[J].热加工工艺，2014，43（02）：61-63+66.

[3]徐向阳. 微量Sc、Zr对ZA27合金组织与性能的影响[D]. 沈阳工业大学，2009.

[4]赵静. 微量元素Er和Zr复合合金化对锌铝合金组织及性能的影响[D]. 沈阳工业大学. 2012.

*通讯作者：杨途才（1992-），男，汉，广西来宾人，本科，助理工程师，研究方向：高性能铝合金

基金资助：2019年百色学院自治区级大学生创新创业训练计划项目：《热处理对高铝锌基合金组织与性能的影响》（项目编号201910609083）