固溶温度对ZA27锌合金组织和力学性能的影响

杨 晴 胡玉书 陈万超 张恒华 马义明

(1.上海大学 材料科学与工程学院，上海 200444; 2.苏州市祥冠合金研究院，江苏 苏州 215400)

高铝锌基合金铸造性能好、熔点低、耐磨性好，可用来替代部分铜合金、铸铁、铝合金等铸造金属用于轴承、齿轮、涡轮、气压和液压配件及农机和汽车零件等，目前主要有ZA8、ZA12、ZA27、ZA35合金等，其中ZA27合金的综合力学性能最优[1- 4]。然而该系列锌合金的抗拉强度不高，塑性、韧性、尺寸稳定性及耐磨性均较差，限制了其进一步的发展和应用[5- 7]。

通过热处理、添加微量合金元素等可以改善高铝锌基合金的综合性能[8- 11]。均匀化退火可以减少或消除合金成分的不均匀性、非平衡态组织，固溶和时效处理能改善高铝锌合金的力学性能[12]。李红英等[13]对ZA27合金进行了360 ℃保温2 h的均匀化退火，退火后α相发生了调幅分解，晶内形成了更细小的α+η组织，晶界ε(CuZn4)相尺寸减小，数量减少。360 ℃保温12 h后，ε(CuZn4)相基本消除，继续延长时间组织变化不大，合金的塑、韧性明显提高，但强度、硬度下降。Biljana等[14]研究了T4处理(370 ℃保温3 h水冷随后自然时效)对Zn27Al1.5Cu0.02Mg合金组织和耐蚀性能的影响，发现经过热处理的合金塑、韧性及耐蚀性均明显提高。

本文研究了固溶温度对固溶处理及固溶+时效处理的ZA27合金的组织和力学性能的影响，以期获得较为优良的力学性能，拓宽合金的使用范围及更好地满足市场需求。

1 试验材料与方法

试验材料采用0号锌锭(纯度为99.99%)、工业纯铝(99.9%)、工业纯镁(99.95%)、Al- 50Cu中间合金及商用锌铝合金精炼剂ZnCl2。

熔炼炉温度设定为750 ℃。将坩埚预热至红热，然后将纯铝、Al- 50Cu中间合金及2/3的纯锌放入坩埚中熔化。原材料全部熔化后加入剩余锌锭，锌锭融化后加入镁条，用钟罩向合金液底部压入适量ZnCl2，静置5～10 min后搅拌除渣，温降至550 ℃后浇入金属模。合金成分如表1所示。从锌锭上线切取金相试样及拉伸试样，采用箱式电阻炉对试样进行固溶和时效处理，固溶温度分别为320、340、360、380 ℃，保温1.5 h，水冷。对部分固溶处理的试样进行时效处理，时效工艺固定为125 ℃×1 h空冷。

表1 研究用ZA27合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the investigated ZA27 alloy (mass fraction) %

在MTS万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为2 mm/min。铸态及热处理态合金经过抛光和腐蚀后采用Nikon MA100型光学显微镜观察显微组织，采用HITACHI SU- 1510扫描电子显微镜检测高倍组织、断口形貌及物相，并用能谱仪进行成分分析。

2 试验结果与分析

2.1 固溶态组织

图1(a)为铸态ZA27合金的显微组织，可以看出主要为粗大的树枝晶，晶间有一些显微缩松。图2为Zn- Al二元合金的相图，可知在平衡凝固条件下首先从液相析出α(Al)枝晶，达到包晶反应温度443 ℃时，由于凝固缓慢，包晶反应能充分进行生成β相，温度进一步下降到共析温度275 ℃时，β相发生共析反应生成(α+η)共析体。此外Cu在合金的固溶度不高，当Cu含量较低时可固溶于合金形成固溶体，Cu含量超过固溶度时会与Zn形成金属间化合物ε(CuZn5)。因此，合金平衡凝固后的组织为初生α(Al)枝晶、枝晶边缘(α+η)共析体及晶间ε相。在实际凝固过程中，凝固速度较快，包晶反应不能充分进行，反应结束后有剩余液相，其成分会达到共晶反应成分而发生共晶反应。因此，非平衡态ZA27合金的室温组织为初生α(Al)枝晶、枝晶边缘(α+η)共析体及晶间(β+η+ε)共晶体。

图1(b～e)为ZA27合金在不同温度保温1.5 h水冷固溶处理后的光学显微组织，其中亮白色相为β相，灰色基体为过饱和α相，少量黑色物质主要为富铜相。固溶温度较低的合金中有较多黑色晶间组织，亮白色β相尺寸小且数量多；随着固溶温度的升高，亮白色β相聚集长大数量减少，黑色晶间组织逐渐溶于基体，灰色区域过饱和α相增多，380 ℃固溶处理的合金晶间组织基本溶解。相比于铸态组织，固溶态合金的组织发生了较大变化，树枝晶消失，晶间组织溶解，过饱和α相连成一片。由图2所示的 Zn- Al二元相图可知，理论上在320、340 ℃固溶处理的合金会得到α+β两相组织，360、380 ℃固溶处理的合金可得到单一的β相。但由于合金是非平衡凝固，初生α(Al)存在严重的成分偏析，固溶时原子扩散需要一定时间，故固溶时间较短的合金组织仍主要为α+β两相，基体为过饱和α相。晶间细条状的ε相、η相在高温下通过原子扩散而溶于α相，使原先相互独立的α(Al)树枝晶成为一个整体，导致α相体积分数增加，合金中原先成分接近β相的区域在固溶时聚集长大，由阿累尼乌斯公式即式(1)可知，影响原子扩散的主要因素为温度，温度越高原子扩散越快，基体的固溶度越高，因此固溶态合金较铸态组织更均匀，非平衡态组织消失。合金成分严重偏离平衡成分的区域在固溶时则有可能保留原铸态组织。图3为340 ℃固溶处理的ZA27合金的扫描电子显微镜形貌，可以看出，条状黑色相为未溶的初生α相，α相周围为β相，图4为各相的能谱分析结果。

图1 铸态(a)和320(b)、340(c)、360(d)及380 ℃(e)固溶处理的ZA27合金的显微组织 Fig.1 Microstructures of the ZA27 alloy as cast (a), and after solution treating at 320(b),340(c),360(d)and 380 ℃(e)

图2 Zn- Al二元相图Fig.2 Zn- Al binary phase diagram

图3 340 ℃固溶处理的ZA27合金的扫描电子显微镜形貌Fig.3 Scanning electron micrograph of the ZA27 alloy solution treated at 340 ℃

D=D0exp(-Q/RT)

(1)

式中：D0为扩散常量；Q为扩散激活能；R为气体常数；T为热力学温度。

2.2 时效态组织

图5为在不同温度保温1.5 h水冷固溶处理后在125 ℃时效1 h空冷的ZA27合金的显微组织，白色相为未溶β相，灰色区域为α+η共析体，晶间黑色物质主要为富铜相。320 ℃固溶处理的合金中有较多的未溶β相和晶间ε相。随着固溶温度的升高，白色β相以及晶间组织逐渐溶解，α+η共析体逐渐增多，380 ℃固溶处理的合金中晶间ε相基本溶解，晶界模糊，晶粒连成一片，组织粗化。与铸态和固溶态合金组织相比，经时效处理的合金组织发生了显著变化。由于β相和过饱和α相是非稳定相，固溶态合金在时效过程中会形成细小的α+η共析体，低倍下观察则是一片深色组织。图6(a)为320 ℃固溶+时效处理的ZA27合金的扫描电子显微镜形貌，图中箭头所指相的成分如图6(b～c)所示，晶间亮白色未溶相是富铜ε相，浅灰色岛状相是未溶的β相，其成分与固溶态合金中的β相不同，黑色基体主要是α+η共析体。

图4 图3中初生α相(a)、β相(b)、过饱和α相(c)和富铜ε相(d)的能谱分析Fig.4 Energy spectrum analysis of primary α- phase(a), β- phase(b), supersaturated α- phase(c) and cooper- rich ε- phase(d) showed in Fig.3

图6 320 ℃固溶后时效的ZA27合金的扫描电子显微镜形貌(a)及能谱分析(b～d)Fig.6 Scanning electron micrograph(a) and enery spectrum analysis(b to d) of the ZA27 alloy solution treated at 320 ℃ and then aged

由Zn- Al二元相图可知，固溶温度为320、340 ℃时，ZA27合金基本处于两相区，固溶处理后有β相析出，时效后β相分解、数量减少。360、380 ℃固溶处理的合金时效后则基本没有β相。固溶处理后在125 ℃时效的合金其脱溶机制主要为连续脱溶，相变产物为细粒状α+η共析体，α为面心立方结构，η为密排六方结构。过饱和的ZA27合金在时效过程中首先形成与α基体共格的G.P.区，G.P.区在长大聚集的过程中继续形成与基体部分共格的过渡相R相，随着过渡相数量的增多及尺寸的增大，其与基体的共格关系逐渐被破坏，最终形成与基体非共格的η相。

2.3 力学性能

图7为在不同温度保温1.5 h水冷固溶处理随后在125 ℃时效1 h空冷的ZA27合金的力学性能。由图7可以看出，当固溶温度不高于360 ℃时，随着固溶温度的提高，时效后合金的抗拉强度、硬度及断后伸长率均逐渐升高，360 ℃固溶+时效处理的合金力学性能最优，抗拉强度、断后伸长率和硬度分别为470.7 MPa、7.2%、150.8 HB。380 ℃固溶+时效处理的合金的力学性能下降。合金固溶处理时，晶间的富铜ε相、η相溶解，溶质原子固溶于基体增加了合金的畸变程度，时效时析出细小弥散的(α+η)共析体有利于提高合金的硬度和抗拉强度，固溶温度过高，合金晶粒长大，晶界减少，从而降低了合金的硬度和抗拉强度。另一方面，固溶和时效处理显著改善了铸态合金组织的均匀性，随着固溶温度的提高，合金组织逐渐均匀，拉伸变形时应力不易集中从而使合金的变形量增大。固溶温度略高时，合金组织聚集、粗化，从而塑性降低。

图7 固溶温度对时效处理后ZA27合金的抗拉强度(a)、硬度(b)和断后伸长率(c)的影响Fig.7 Effect of solution temperature on tensile strength (a), hardness (b) and elongation (c) of the ZA27 alloy after aging

由图5可以看出，320和340 ℃固溶处理随后时效的合金仍有较多的未溶相。固溶温度低导致扩散系数小，原子迁移速度慢，合金饱和度较小，导致时效析出的驱动力小，对合金的力学性能产生不利影响。360 ℃固溶+时效处理的合金中未溶相基本消失，析出相弥散均匀，从而提升了合金的力学性能。其原因是随着固溶温度的升高，扩散系数增大。380 ℃固溶处理的合金，虽然未溶相基本消失，但时效后析出组织粗化。

3 结论

(1)在320～380 ℃保温1.5 h水冷的固溶处理明显改变了ZA27合金铸态树枝晶的形貌，随着固溶温度的提高，合金中β相聚集，ε相减少，过饱和α相增多。

(2)不同温度固溶处理后时效的ZA27合金，随着固溶温度的提高，未溶β相及晶间组织逐渐消失，时效组织为α+η共析体；380 ℃固溶处理的合金，虽然未溶相基本消失，但时效后析出组织粗化。

(3)不高于360 ℃固溶处理随后时效的合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率均随着固溶温度的提高而提高，360 ℃固溶处理后时效的合金的抗拉强度、断后伸长率和硬度分别为470.7 MPa、7.2%、150.8 HB。