高铝锌基合金强化机制研究进展

摘要：文章综述了近年来高铝锌基合金的研究进展及应用，阐述了铝含量对高铝锌基合金性能影响的研究，论述了通过变质合金化处理、晶粒细化机制、熔体热速处理等方法和措施改善高铝锌基合金性能的研究现状，并在此基础上对高铝锌基合金的进一步发展提出了建议。

关键词：高铝锌基合金；变质合金化；晶粒细化机制；热速处理；强化机制 文献标识码：A

中图分类号：TG292 文章编号：1009-2374（2016）07-0026-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.07.013

高铝锌基合金一般指铝含量不少于22%（质量分数）的锌铝合金，是20世纪70年代逐渐发展起来的一种新型多元系列的铸造合金。该系列具有低熔点、合金密度小、机械性能良好、耐摩特性、工艺性能优越等优点，但也容易产生蠕变、热膨胀系数大、尺寸不稳定、严重的成分偏析、底缩、耐磨性和铸件质量问题。以上问题在很大程度上限制了Zn-Al合金的开发与应用。为了提高锌铝合金的力学性能，拓宽它的应用领域，国内外研究者通过优化合金中的铝含量，分别采用变质、合金化及热速处理等方法对高铝锌基合金进行处理，并取得了一定的成效。

1 铝含量对高铝锌基合金性能的影响

研究发现铝含量的不同对高铝锌基合金的高温力学性能有影响。无论是高温（100℃～200℃），还是室温（20℃）下，随着含铝量的增加，锌铝合金的硬度、抗拉强度、延伸率呈逐渐增加的趋势，室温时ZA45合金的综合力学性能最佳，而在高温时ZA50合金最佳。研究发现，随含铝量的增加，锌铝合金的耐磨性也有所增强。研究还发现，在高速重载的情况下，随铝含量的增加，高铝锌基合金的耐磨性也明显增强，这是由于随着铝成分的增大，高铝锌基合金中α枝晶增多，使合金的硬度增强，从而使其耐磨性也得到提高，另外在合金的摩擦表面生成了Al2O3膜，使耐磨性得到提高。

2 高铝锌基合金的变质合金化

在Zn-Al系合金中，通常通过添加变质合金元素来改善其微观组织结构，从而提高力学性能。常用的变质剂有Si、Sb、Mn、Ti、稀土等。

在高铝锌基合金中添加Si元素后，在合金组织中形成（Si+α）共晶硅相，同时析出多边形块状结构的初晶硅，这些初晶硅相不易与基体结合，从而导致合金抗拉强度和延伸率降低，但是硅是硬质相，能够承受主要的摩擦载荷，还能够提高合金的热稳定性，因此合金在添加硅元素后耐磨性能和高温性能会有所提高。张成华等研究了不同Si含量对ZA27合金耐磨性能的影响，试验发现，Si元素的加入可以使材料中硬质点的数量增加，从而起到了防止黏着磨损发生的作用，使材料在重载条件下的耐磨性，明显高于普通ZA27合金材料。

赵海瑞等人通过向高铝锌基合金中添加元素Sb，发现Sb的加入可以提高合金的尺寸稳定性和耐磨性，但是在含量较高的情况下又有加重合金晶间腐蚀的倾向。

何顺荣等在参考文献[4]中，研究了镧铈混合稀土（RE）变质对ZA40合金组织、力学性能及耐磨性能的影响，表明添加适量混合镧铈稀土可以细化晶粒组织，起到抑制共晶硅生长的作用，当添加0.15%的RE时，合金的力学性能显著升高，其中稀土对合金的硬度影响最大，最大值为150.2HBS，提高了40.6%，拉伸断面由脆性断裂向韧脆性混合断裂转变，合金在干摩擦条件下耐磨性也得到了一定的提高。

赵玉珍等人通过向合金中添加Ti、RE变质元素，使结晶形核率和固液界面处的成分过冷度得到了显著的提高，从而细化了初生相和共晶组织，改善了合金的微观组织结构。参考文献[6]研究表明，添加0.8%的稀土元素Er可以与合金中的Al生成A12Er相，有效抑制合金中树枝晶长大，使晶粒细化，提高铸态锌铝合金的抗拉强度。

3 晶粒细化机制

晶粒大小直接影响合金的力学性能。通常合金组织的晶粒越细小，其强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。因此为了获得合金优良的力学性能，往往通过细晶强化的方法得到细晶组织。

3.1 形变处理细化法

形变处理细化法是指在加工过程中通过诸如挤压、锻造等各种塑性变形工艺，配合温度、应变、应变速率等，通过再结晶和相变控制晶粒的尺寸。其中被认为是细化常规材料至亚微米级甚至纳米级最具有工业化应用前景的等径角挤压法（Equal-Channel Angular Extrusion/Pressing，简称ECAE/ECAP）技术制备超细晶材料已成为材料领域的一个研究热点。

3.2 物理场细化

目前利用脉冲电流、磁场、超声波处理方法控制合金晶粒的细化，提高合金质量。脉冲电流通过减少形核势垒促进了金属合金形核速率。磁场处理是指正处于凝固态的液态金属在电磁搅拌的作用下，打碎已经凝固的枝晶结构，增加形核率，抑制晶粒长大。由于该方法无污染、操作简便，受到了人们的广泛青睐。合金熔体利用超声波处理以获得细小的晶粒是由于声空化效应和声流效应的共同作用机制。研究发现，适当的超声波处理时间和功率可以明显细化晶粒组织。

3.3 快速冷却法

晶粒大小与形核率及长大速度有关，而形核率和长大速度又与过冷度密切相关。过冷度越大，晶粒越细小，提高金属的冷却速度是提高过冷度的主要方法。因此，在铸造生产中，为了铸件的冷却速度有所提高，可以采用以下方法：如用石墨型或金属型代替砂型，降低金属型的温度，加厚金属型，局部加冷铁，采用水冷铸型等。

3.4 机械物理细化法

通过机械搅拌、机械振动等机械物理方法使铸型振动或变速转动从而使晶粒细化。通过搅拌、振动一方面可以给熔体传递能量加快形核；另一方面可以使在凝固过程中不断长大的枝晶破碎，增加晶核数量，起到细化晶粒的作用。

4 合金的熔体特征及热速处理

4.1 合金的熔体特征

合金的微观组织决定材料的综合性能，而微观组织又源于其液态结构。因此，合金的熔体结构及其变化特征将直接影响铸件的机械性能和质量。一些专家学者关于液态金属的过热温度，物性与凝固组织和力学性能相关性的研究认为：金属熔体中的微观不均匀结构，表现为熔体的非均匀性；液态非均匀结构是温度和化学成分的函数；在炉料-熔体-铸件系统中存在明显的铸造遗传特性，并指出微观不均匀结构实际为一些富集元素的原子团。

熔炼过程中熔体结构状态的不同会导致合金的最终凝固组织出现差异。因此，关于熔体遗传特征的研究，对于制定合金的熔炼工艺，提高铸件的力学性能和质量，都有着重要的理论和指导意义。

4.2 合金熔体的热速处理

金属熔体热速处理工艺的理论基础源于液态金属结构具有遗传性，熔体的热速处理是指在合金熔炼时，将合金过热到熔点以上某一温度，然后采取一定的激冷方式使其快速冷却到预定浇注温度进行浇注的铸造工艺。研究表明热速处理能够充分发挥材料的潜力，显著改善铸件质量。

研究充分证明热速处理工艺对改善合金的微观组织和性能可以起到明显的效果，此工艺的推广与应用对提高高铝锌基合金的强韧性、改善铸件的质量提供了一条新的技术途径。

5 结语

高铝锌基合金具有原材料成本低、耗能低、力学性能优良等优点。目前，关于高铝锌基合金熔炼工艺及强韧化技术的研究已经取得了一定的成果，这为高铝锌基合金的进一步发展与推广奠定了基础。但是对于高铝锌基合金力学性能的改善、铸件质量的提高仍需系统而深入的研究。为此，在今后的研究中，为拓宽其应用领域，仍需对合金强韧化技术开展实验研究，通过熔体热速处理与添加中间合金元素复合处理等方法，探索新的熔体处理工艺和效果以获得具有高强度、高耐磨性、较高塑韧性和较好的耐蚀性能的高铝锌基合金材料。

参考文献

[1] 顾春雷，张伟强，金花子，等.锌及锌铝合金研究及应用现状[J].有色金属，2003，（11）.

[2] 闰淑卿，谢敬佩，刘忠侠.铝含量对ZA合金组织及耐磨性的影响[J].金属铸锻焊技术，2008，37（1）.

[3] 宋杨阳.含硅高铝锌基合金微观组织和性能的研究[J].材料热处理技术，2009，38（5）.

[4] Wang Jianhua，Huang Jianfeng，Su Xuping，Wu Changjun.Effect of reverse modification of Al-5Ti-B master alloy on hypoeutectic ZnAl4Y alloy[J].Materials and Design，2012，（38）.

[5] 何顺荣，朱健平，江宇.稀土变质对ZA40合金组织和性能的影响[J].中国铸造装备与技术，2012，（2）.

[6] 赵玉珍，高庆，张喜燕.稀土、钛变质ZA27合金的组织与性能的研究[J].铸造，2003，52（7）.

[7] 程巨强.Zn-50%Al铸造合金断裂与疲劳性能的研究

[J].材料热处理学报，2005，26（2）.

[8] 孙烨，张宝宏，张娜.碱性二次锌电极的新进展[J].应用科技，2002，29（2）.

[9] 崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2007.

作者简介：刘文娣（1986-），女，山东济宁人，山东济宁市技师学院建筑与材料工程系助理讲师，研究方向：材料科学与工程。