ZrB2/ Al-Si合金复合材料微观组织分析研究

黄文杰

（常德烟草机械有限责任公司，湖南 常德 415000）

1 背景

过共晶Al-Si合金中由于硅含量较高，使合金流动性能、耐腐蚀性能和耐磨性能等得到提高，线性膨胀系数和体积膨胀系数减小，但是，随着硅含量的增加，合金中初晶硅的尺寸和数量也随之增加，特别是过共晶Al-Si合金中，大板块状的初晶硅导致材料的脆性增加，并且由于初晶硅的硬度较高，使得合金在切削加工过程中对刀具的磨损量增大，材料的加工性能变差。对于含硅量较高的Al-Si合金，如A390过共晶Al-Si合金，需要对合金内部的初晶硅进行变质处理，改善合金的切削加工性能和综合力学性能。目前最常用的初晶硅变质处理为P变质处理。

经过变质后的过共晶Al-Si合金，组织内部粗大的初晶硅明显有所细化，尖角也会有所钝化，使得合金的性能有很大程度的提高，又基于含Si量较高的Al-Si合金中初晶硅和共晶硅数量也会有所增加，使得合金具有耐磨、耐热、线膨胀系数小等优点。这些优点使过共晶Al-Si合金在汽车发动机和液压马达等能量传输部件上具有良好的应用前景。

锆能与硼形成多种化合物，其中二硼化锆能在高温下稳定存在。二硼化锆（ZrB2）晶体结构为六方体晶型，固态下为灰色结晶或粉末，相对密度5.8，熔点为3040℃。具有耐高温、耐热震性、电阻小、高温下抗氧化等优点。

ZrB2是六方晶系准金属结构化合物，晶格常数为a=3.169Å，b=3.533Å。Zr-B之间为原子键，Zr-Zr和B-B之间为共价键，ZrB2的晶体结构和化学键决定了其高熔点，高硬度等本质属性。

2 工艺路线

中间合金Al-6B与海绵锆按Zr含量分别占10%，20%，30%及Zr：B=1∶2配料，放入到石墨坩埚在SP-15B高频感应加热装置中加热，在1700℃～1800℃左右熔炼，搅拌后浇注到凹型铁模中，凝固冷却后得到4组试样。对块状的合金加工取样，在金相镶嵌机用电木粉做辅料镶嵌得到试样，得到的金相试样用砂纸粗磨和细磨后，再用抛光布及金刚石抛光剂抛光，得到完好的金相试样。

3 Al-Zr-B中间合金微观组织分析

由相图可以知道Zr的熔点为1800℃左右，由于温度过高，在向Al-6B中间合金添加Zr时，会出现烧损情况。化合物的成分配比发生变化，同时高频炉在高温下无法对温度精确控制，因此Al-Zr-B中间合金存在多种成分：ZrAl3化合物，AlB12化合物，ZrB2化合物，AlZrB2化合物。

对Al-10Zr-6B中间合金进行XRD分析，由XRD的峰值初步确定生成了ZrB2。

利用场发射扫描电镜对合金的相进行组织观察和成分分析。当Zr含量为10%时，生成较多条状的ZrB2化合物，尺寸不均一，其长度最长可达150μm；Zr含量增加到20%时，条状ZrB2化合物大量减少，细小颗粒状硼化物大量生成，同时伴有少量的细长多余的ZrAl3化合物；当Zr含量为30%时，可以看到粗大的条状物为多余的ZrAl3化合物，宽度约为10μm，同时生成形状不规则，大小不一的ZrB2化合物，尺寸从1μm到10μm不等。

在高倍镜条件下对Al-Zr-B中间合金ZrB2化合物的组织形貌观察。图1显示，亮色的组织为ZrB2相，随着Zr含量增加，ZrB2相的尺寸变大，由平均5μm左右逐渐长到20μm左右；形状由颗粒过渡到细条状，最后是粗大的扁平状。

图1 Al-Zr-B中间合金中ZrB相SEM图

对Al-Zr-B中间合金选择合适区域进行能谱分析，以此确定相的具体成分图。对含Zr量为10%的Al-Zr-B中间合金能谱分析，从原子含量百分比推测，形成的ZrB相估推测为ZrB2。

4 ZrB2/Al-Si复合材料微观组织观察

选取合适的区域，对初晶硅周围的组织观察，如图2所示。（a）为在低倍条件下的组织相图，图中显示条状共晶硅数量较多，初晶硅分布弥散，数量较少，平均尺寸大约为20um，大量的ZrAl3相分布在初晶硅周围。（b）在高倍条件下对一个初晶硅相周围组织观察，可以看到少量的Al-Zr相及大量的ZrB2依附在初晶硅上。

根据组织图选择合适的区域进行成分分析，来确定ZrB化合物在合金中的去向。选择初晶硅周围的Al-Zr相分析，根据得到的原子百分比，可以确定其成分为ZrAl3。据此推测，有一部分ZrB2化合物分解，Zr与Al结合形成ZrAl3。继续选择另一个相进行成分分析。对单独存在的块状相成分分析，可以确定为ZrB相，根据原子百分比，此ZrB相中的Zr与B的原子的含量比与中间Al-Zr-B中Zr：B=1∶2相比，大大减少。

ZrB2增强A390复合材料的断口组织观察分析，初晶硅断裂，在断裂处发现了少量ZrB2。ZrB2加入A390合金中后，ZrB2颗粒依附在初晶硅上，由于ZrB2的硬度远大于初晶硅，受到压力作用时，初晶硅会被ZrB2压碎。

图2 ZrB2增强A390复合材料SEM图

5 结论

（1）在1700℃以上，中间合金Al-6B与Zr能生成ZrB2，随着Zr含量的增加，ZrB2的形状变得不规则，形状由颗粒过渡到细条状，最后为粗大的扁平状，尺寸由平均5μm左右最终长到10μm左右。

（2）在ZrB2/Al-Si合金中，一部分Zr与Al形成AlZr相（主要为ZrAl3），ZrB相以颗粒状依附在初晶硅上。一部分Zr与Al形成AlZr相（主要为ZrAl3），ZrB2以颗粒状依附在初晶硅上。

（3）通过Al-Zr-B合金的微观组织观察，可以推测今后ZrB2/Al-Si合金在耐高温及高温抗氧化方面有应用的前景。