添加Sb 元素对锌铝合金显微组织与腐蚀特性影响研究

◎侯士元

（淄博职业学院汽车工程学院，山东淄博 255300）

锌能够与多种有色金属制成合金，可与铝等组成压铸合金。锌本身的强度和硬度不高，但加入铝等合金元素后，其强度和硬度均大为提高。锌铝合金有着许多优良的特性，例如密度低、抗拉强度高、耐磨性好，同时锌铝合金的熔点低、耗能少、成本较低且低污染，能够适用于多种铸造方法，其中在压铸上有较大发展及广泛应用，如汽车装饰品、电子配件等。锑是一种银白色的金属，锑的强度不高，容易破裂，无法单独被使用，所以通常锑金属最大的用途是混合其他金属制作成合金。本研究旨在探讨添加不同比例的锑元素对锌铝合金的显微组织、硬度和腐蚀特性的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料及方法

本实验将ZA27 锌铝合金经光谱仪分析后，结果如表1 所示。由表中分析得知，原材ZA27 中含有Zn、Al、Cu 及其他微量元素。

表1 ZA27 锌铝合金组成元素成分表

将原材ZA27 放置酒精中， 以超音波清洗3分钟， 依照重量百分比添加4wt%、8wt%、10wt%的锑金属放入坩埚， 然后放入真空感应熔炼炉中，待抽完真空并将氩气灌入炉子，开始启动高周波传感器加热， 当红外线测温器测到温度在430°C 以上时，ZA27 表面开始破壳直至完全熔融，再将温度调制610°C 以使Sb 完全熔融，利用高周波磁力搅拌使锑金属均匀分散在ZA27 中，15 分钟后倒入模具，空冷后形成合金，成为长宽高60mm×60mm×55mm 方体，将硅胶液与锆砂混合调成的浆料沾浆淋砂，反复淋砂7 次，每次静置1 天干燥，淋砂顺序为细、中、粗各两次，最后在外层沾一次浆， 待干燥后放入加热炉，在600℃持温20 分钟汽化并挥发干净，待降温后清除模具的毛边，检查无破损即可使用。

将合金切割进行显微组织观察与分析、X 光绕射分析、 光谱仪分析、SEM 观察及EDS 分析、微硬度分析以及电化学分析。

1.2 实验观察

以水冷式砂轮切割合金， 对试片进行镶埋，使用水砂纸从120-3000 号进行研磨后， 在抛光机上以1μm 的氧化铝颗粒将其抛光， 以酒精清洗、吹干，用盐酸溶液进行金相腐蚀，后用光学显微镜进行金相显微组织观察。

使用扫描式电子显微镜，以二次电子影像成像模式观察合金的显微组织，以弥补光学显微镜之不足，并用能量散射光谱仪观察合金元素成分分布及合金定性分析。

用X 光绕射仪进行合金元素成分分析。 电压设定在40kV，电流设定在40mA，扫描角度从20°到90°，扫描间距为0.02，时间0.1 秒。

用微小维氏硬度试验机测试荷重为100g，持压时间30 秒， 依照试片基底及析出物进行测试，在同一区域中取同一种相测试3 点，分别记录后取其平均值。

用恒电位仪对铸态合金进行电化学极化曲线量测， 将试验材料放入模拟海水（38gNaCl31+1000cc 去离子水）溶液，置入饱和甘汞电极(Hg/Hg2Cl2)为参考电极，白金片为辅助电极，电压范围5 至-5V 扫描，速率为5.56mV/s。

2 实验结果及讨论

2.1 热处理及金相观察

显微组织观察与分析。 图1 为ZA27 合金铸态组织，其组织由初生白色α 枝晶（锌固溶于铝中形成以铝为基的固溶体）、包围在α 枝晶外缘的β 相（以锌为基或以Zn-Al 为基的固溶体及被α 枝晶及β 相所包围的枝状组织η 相为基体组织，小而非常暗的斑点是枝晶间的微缩孔。 图2 至图4 为添加不同Sb 含量的ZA27 合金金相图，白色基底的部分为α 相，周围较深的部分为共析相β， 被α 相及β 相包围的枝状组织为η相， 深色的斑点为枝晶间微缩孔； 在添加Sb 的ZA27 中可观察到Sb 以黑色长条形状呈现，添加Sb 比例愈多有愈粗大的趋势， 当Sb 含量达到10wt%时，虽然其黑色条状物较为细小，但其量明显增多且分散均匀。 此外，Sb 添加到ZA27 合金中，对α 枝晶、β 相（α＋η 共析相）及η 相的微观组织形态变化不大。

图1 ZA27 显微组织图

图2 添加4wt%Sb 显微组织图

图4 添加10wt%Sb 显微组织图

图3 添加8wt%Sb 显微组织图

2.2 X 光绕射分析

将添加不同Sb 含量的ZA27 合金经X 光绕射后得到图5。 由图中分析得知，原材ZA27 中含有Zn、Al 以及CuZn5，在添加Sb 后出现Sb 波峰，其中CuZn5的波峰在添加Sb 后较原材更加突起，推测为经过熔炼过后，生成更多CuZn5相。

图5 添加不同Sb 含量的ZA27 合金XRD 曲线图

2.3 SEM 观察及EDS 分析

利用扫描式电子显微镜观察各参数之间微观组织差异， 用EDS 中的点与面元素分析各种参数之间的基底组织及新生成物成分含量。ZA27 分析结果如表2 所示。 大部分为Al 与Zn元素及微量的杂质组成。

表2 ZA27 成分分析结果表

添加不同Sb 含量分析如图6 至图11 所示，添加不同Sb 含量分析结果如表3 至表5 所示，在图中可以看见ZA27 中多出黑色条状物（此为Sb）铸态的β 相，表现出由富铝α 相（暗）和富锌的η 相（亮）组成的均匀结构；另外观察到富锌的η 相（可见为亮区）在Sb 相外缘处凝固。

表5 ZA27 添加10wt%Sb 成分分析结果表

图11 ZA27 添加10wt%Sb 的Mapping 图

表3 ZA27 添加4wt%Sb 成分分析表

图6 ZA27 添加4wt%Sb 成分分析位置图

经成分分析后结果表明， 添加8wt%~10 wt%Sb 的ZA27 其Al 及Sb 的成分呈各半， 推测其为富Al 的Sb 相，而添加4wt%ZA27 的条状物Sb 百分比较其他参数低， 可能是因为成果分析施加的点未完全打在条状物上。 分析到α 相、β相，使得其Al 及Zn 百分比较其他参数高，而Sb的百分比较其他参数低。

图7 ZA27 添加4wt%Sb 的Mapping 图

图8 ZA27 添加8wt%Sb 成分分析位置图

图9 ZA27 添加8wt%Sb 的Mapping 图

表4 ZA27 添加8wt%Sb 成分分析结果表

图10 ZA27 添加10wt%Sb 成分分析位置图

2.4 维式硬度分析

维氏硬度的实验结果如表6 所示， 可发现ZA27 随Sb 添加量增加， 基底硬度也随之提升，从显微组织分析中的结果可得知Sb 元素并不与Al 或Zn 互溶或产生共析反应， 而Sb 相本身的硬度比ZA27 高，造成整体的硬度值上升且比母材更高。

表6 ZA27 添加Sb 维氏硬度数据表

2.5 电化学分析

经电化学腐蚀试验后所得极化曲线如图12， 表7 为经电化学腐蚀后所得极化曲线数据。相较于原材ZA27，添加Sb 的合金其抗腐蚀能力明显得到提升，以添加8wt%Sb 效果最佳，但随Sb 含量的增加，合金的腐蚀电位朝负极移动，腐蚀电流密度增加， 加入更多Sb 反而降低了合金的抗腐蚀能力。

图12 极化曲线图

表7 极化曲线数据表

图13 至图16 为经电化学腐蚀过后的SEM图，从图中可以观察到，原材ZA2 腐蚀过后的产物几乎为针状及玫瑰状晶体，添加4wt%Sb 的合金会沿着晶界腐蚀而还有较粗大的晶粒， 添加8wt%Sb 则腐蚀情况更严重， 较大的晶粒被腐蚀成较小的晶粒，而添10wt%Sb 时，合金表面也将被腐蚀成针状及玫瑰状。

图13 ZA27 原材腐蚀形貌图

图16 添加10wt%Sb 的ZA27 图

综上所述， 添加Sb 可以使得ZA27 的抗腐蚀能力明显上升， 但Sb 添加的愈多并不会更强化其抗腐蚀能力，反而使抗腐蚀能力些微下降。

图14 添加4wt%Sb的ZA27 图

图15 添加8wt%Sb 的ZA27 图

3 结语

（1）ZA27 合金的铸态组织由富铝α 枝晶、共析β 相及富锌η 相组成， 而且也观察到少许枝晶间的微缩孔。

（2）Sb 相的外观是呈现长条状，Sb 添加量增加有粗大的趋势，当Sb 达到10wt%时，黑色条状物较细小且分散均匀；此外，Sb 添加对α 枝晶、β相及η 相的微观组织的形态变化不大。

（3）随着Sb 添加量增加其合金的硬度也会提升，当添加至10wt%时，硬度较ZA27 原材提升了36%。

（4）添加Sb 可以有效地强化ZA27 的抗腐蚀能力， 添加8wt%Sb 的合金其抗腐蚀性最佳；但是， 添加过量的Sb 其合金的抗腐蚀能力反而会降低。