合金元素对Al-Zn-Si-Mg 系合金组织和性能的影响

黄 韦，程和法，周运海，陈文珂

（合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009）

Al-Zn-Si-Mg系合金具有良好的铸造性能，缩孔和热烈倾向较小，并且，该合金具有较好的焊接性能和切削加工性能。其成分（质量分数，%）为：Zn 9%～13%，Si6%～8%，Mg0.1%～0.3%，其余为Al[1，2]。铸态下，Al-Zn-Si-Mg系合金的强度和硬度较高，适合于制造各种塑料成型模具。近年来随着塑料工业的发展，塑料制品的种类日益增多，用途不断扩大，塑料制品向精密化、大型化、复杂化发展，成型生产向高速化发展。因此，塑料模具结构日趋复杂，制造难度加大，对塑料模具材料和选用要求也越来越高[3]。但在生产实际中，经常发现对不同厂家同一牌号的塑料模具合金锭进行重熔铸造，最终的性能却存在明显差异。这主要是由于合金中主要元素含量不同导致的[4]。同时，塑料成型时压力较大，需要模具材料具有较高的强度和硬度，才能保证模具正常工作而不变形。然而，目前国内外，对铝锌合金作为塑料成型模具材料其合金成分、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，用于塑料成型模具的合金成分设计、熔炼等有待深入研究和规范。为了弄清不同合金元素对铝锌合金塑料模具材料组织和性能的影响规律，本文以Al-Zn-Si-Mg系合金中主要元素Zn、Si、Mg为研究对象，探讨了其对合金组织和硬度的影响规律，为铝锌合金塑料模具合金的生产提供一定的理论基础。

1 试验方法

材料选用ZL102（12%Si，余量为铝）、纯锌、纯铝、纯镁。在坩埚电阻炉中按熔点由低到高的顺序依次加入锌、ZL102和铝锭，待全部熔清后，于680℃加入Mg锭，搅拌均匀后，加入六氯乙烷精炼除气，静置1min～2min后撇渣，升温至700℃左右时浇注到金属型中。

室温下冷却后，在各个铸块同一位置截取10mm×10mm×10mm的试样，在砂轮机上粗磨后，利用金相砂纸从60号磨到800号，再进行机械抛光、腐蚀、吹干。腐蚀液为0.5%的HF水溶液。在4XB-TV型光学显微镜下观察显微组织，并拍取金相照片。

将上述各式样的两端面打磨平行，在HB3000型布氏硬度实验机上进行硬度测试实验，实验载荷为250kg，保压时间为30s，压头直径为5mm.卸载后通过读数器测出压痕直径，并通过计算得到硬度HB值。试验所用合金的化验成分见表1.

表1 试验合金化验成分（质量分数，%）

2 试验结果与分析

2.1 锌对Al-Zn-Si-Mg 系合金组织的影响

Zn是铝合金中的一种常用合金化元素，在Al中的溶解度非常高[5]，由Al-Zn二元相图[1]可知，在300℃时，Zn的溶解度达40%左右，而室温下，Zn的溶解度下降到10%以下。铸造时Zn过饱和地溶入α 固溶体中。图1a）～e）所示为Si含量为7%，Mg含量为0.2%，不同Zn含量的Al-Zn-Si-Mg系合金铸态显微组织。在合金冷却过程中，首先析出树枝状的初生α（Al）固溶体，图中呈灰白色。到达共晶温度时剩余液相全部转化为α+Si共晶相，图中呈深灰色针状或片状的是共晶Si。从图1可以看出，随着Zn含量从9%增加到13%，树枝状α（Al）愈来愈发达。这是由于，随着Zn含量的升高，合金成分浓度升高，有助于形成“成分过冷”。随着“成分过冷”程度的增大，α（Al）固溶体逐渐向自由树枝晶发展，形成发达的α 树枝晶。

2.2 硅对Al-Zn-Si-Mg 系合金组织的影响

在Al-Zn-Si-Mg系合金中，Si在基体中的固溶量极低，主要是以共晶Si的形式出现。由于合金的含Si量在亚共晶范围内，合金微观组织由树枝状α固溶体和共晶Si所组成。而Mg2Si很细小，低倍光学显微镜下很难辨认[6]。图2a）～c）所示为Zn含量为11%，Mg含量为0.2%， 不同Si含量的Al-Zn-Si-Mg系合金铸态显微组织，由图2可知，随着Si含量的增加，合金成分向共晶点移动，反应生成的共晶Si增加，因此，合金的微观组织中针状共晶硅逐渐增多，而初生α 相的相对量减少。

图2 不同Si 含量的Al-Zn-Si-Mg 系合金铸态显微组织

2.3 镁对Al-Zn-Si-Mg 系合金组织的影响

Mg是铝合金中主要强化元素，当Mg含量较低时，基本溶于铝中，微量Si和Mg形成Mg2Si相[7]。图3a）～c）所示为Zn含量为11%，Si含量为7%，不同Mg含量Al-Zn-Si-Mg系合金铸态显微组织，可以看出随着Mg含量的增加，合金组织中α（Al）和共晶硅的形貌和尺寸变化不太显著。

图3 不同Mg 含量的Al-Zn-Si-Mg 系合金铸态显微组织

2.4 合金元素对Al-Zn-Si-Mg 系合金硬度的影响

图4显示了不同含量的Zn、Si、Mg元素对Al-Zn-Si-Mg系合金布氏硬度的影响。从图4a）可以看出，当Zn元素从9%增加到13%，合金布氏硬度由80HBS提高到了87HBS，提高了8.75%。这是由于Zn元素在铝中的溶解度极大，Zn以固溶体的形式存在于铝合金基体中，起固溶强化作用，使合金的强度和硬度升高。从图4b）可以看出，随着Si含量的增加，合金的布氏硬度逐渐增加，当Si含量从6%增加到8%，合金的布氏硬度由79HBS提高到了84HBS，提高了6.33%。这是由于随着含硅量的增加，结晶时析出的共晶硅增多，而Si是一种脆硬组织，使合金的硬度提高。从图4c）可以看出，随着Mg含量的增加，合金的硬度也得到提高，当Mg从0.1%增加到0.3%时，合金的硬度由80HBS提高到了83HBS，提高了3.75%。主要是由于随着镁含量的升高，与铝形成的固溶体增多，固溶强化作用增强，使合金强度和硬度升高。同时，显微组织中析出了越来越多的金属间化合物Mg2Si相，Mg2Si相为硬相，合金的硬度也随之逐渐提高。

3 结 论

在Al-Zn-Si-Mg合金中，Zn、Si、Mg元素质量分数的变化对合金显微组织和硬度有一定的影响。

图4 不同合金元素对Al-Zn-Si-Mg 系合金布氏硬度的影响

1）当Zn元素质量分数由9%增加到13%时，Al-Zn-Si-Mg系合金中树枝状α（Al）愈来愈发达，合金的硬度由80HBS增加到87HBS，增加了8.75%。

2） 当Si元素质量分数由6%增加到8%时，Al-Zn-Si-Mg系合金中共晶硅逐渐增多，合金的硬度由79HBS增加到84HBS，增加了6.33%。

3）当Mg元素质量分数由0.1%增加到0.3%时，Al-Zn-Si-Mg系合金中α（Al）和共晶硅的形貌和尺寸变化都不显著，但合金合金的硬度由80HBS增加到了83HBS，增加了3.75%。

[1]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.

[2]刘伯操，郎业方，杨长贺，等.铸造手册（铸造非铁合金）[M］.北京：机械工业出版社，2003.

[3]张蓉，钱书琨.模具材料及表面工程技术[M］.北京：化学工业出版社，2008.

[4]起华荣，杨钢，史庆南．Si、Mg对轮毂用A356合金流动性的影响[J］．轻合金加工技术，2007，35（2）：19-22．

[5]张晓丽.Zn对铸造Al-Si-Cu-Mg合金组织及力学性能的影响[D］.沈阳：沈阳工业大学，2007.

[6]史霞，姚三九，白霄，等.Si、Cu、Mg元素对ZL101合金电导率和力学性能的影响[J］.特种铸造及有色合金，2010，30（12）：1162-1165.

[7]汪长勤，赵玉涛，张松利，等.Si、Mg含量及合金元素对A356合金力学性能的影响[J］.特种铸造及有色合金，2010，30（1）：88-90.