铸造高锌AlZnSiCu合金的力学性能与热导率研究_石帅.pdf

有色合金2022年第12期/第71卷1511铸造高锌 AlZnSiCu 合金的力学性能与热导率研究石帅,闫俊,范卫忠,高伟全,罗远文（华劲新材料研究院（广州）有限公司，广东广州 510115）摘要：以高锌AlZnSiCu合金为对象，通过控制Zn、Si元素，研究了重力铸造及高压铸造对其组织、力学性能和热导率的影响。结果表明：高压铸造相比重力铸造，-Al晶粒明显细化且由柱状晶转化为等轴晶，晶界面积和初晶硅的尺寸减小，高压铸造下合金的强度和硬度较高，塑性及热导率低于重力铸造。2号、3号合金Zn含量的增加造成Al与Si的共晶反应减少，造成共晶硅减少，形状不规则的初晶硅增多，增加了组织的不均匀性。两种铸造方式下，3种合金的布氏硬度与热导率和伸长率变化趋势相反，其中2号合金的布氏硬度最高，分别为HBW127（重力铸造）、HBW170（高压铸造），相对于1号合金分别提升9.48%、30.76%，重力铸造下1号合金的热导率和伸长率最高，分别为103.73 W/（mK）、1.7%。高压铸造下2、3号合金中固溶于-Al中Zn元素较1号合金明显增多，晶界处的第二相数量增多，2号合金初晶硅尺寸较大，增加了电子传输过程中对自由电子的散射作用，使有效传输通道数量减少，降低合金传热能力。关键词：AlZnSiCu；力学性能；热导率；重力铸造；高压铸造 作者简介：石帅（1992-），男，工程师，硕士，研究方向为高性能铝合金开发与应用。电话：13840350095，E-mail：通讯作者：闫俊，男，工程师。电话：15989182518，E-mail： 中图分类号：TG146.21文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2022）12-1511-08收稿日期：2022-03-23 收到初稿，2022-05-16 收到修订稿。铸造铝合金由于其优良的铸造性能、导热性能、良好的室温力学性能，生产成本低，并且可循环利用，被广泛地应用于交通及通讯领域1-2。近年来，随着电子信息与汽车制造业迅速发展，元器件逐渐朝着集成化、轻量化方向发展，对材料要求具有较高的热导率同时兼具较高的强度，传统的Al-Si-Cu系铸造铝合金，如ADC12的热导率为92 W/（mK），屈服强度为156 MPa，已经不能满足其在通讯及交通领域的性能要求3，亟待开发一种高强度中等导热的铝合金来满足市场需求。AlZnSiCu合金不仅具有优良的铸造性能、导热性、耐磨性、热稳定性以及良好的综合力学性能，还具有极高的自然时效硬化倾向。Zn在-Al中的固溶度较大，室温下Zn在-Al中处于过饱和状态，在Al-Si系合金中，添加Zn元素会促进初晶Si的析出，使得Si在Al中的固溶度降低，从而降低了Si对合金热传导的不利影响，Zn比Al的原子半径小3%，固溶在Al基体中的Zn不会产生较大的晶格畸变4。Cu元素作为重要的合金化元素，通过适量的添加，合金微观组织中出现并弥散分布于晶界上的富铜（CuAl2）相，从而提升合金强度。目前国内外对高锌含量AlZnSiCu合金侧重于成分方面的研究5-8，对于铸造工艺对合金组织性能相关研究较少。Yang等人9发现在Al-40Zn中加入超过4%的Si时，组织中就会出现初晶Si相。Yang Jin-long 等10在研究焊接材料时发现，在未变质的Al-42Zn-6.5Si 合金组织中存在两种 Si相，即大块状初晶 Si 和板条状共晶Si。毛丰11用Pandat软件预测Al-40Zn-xSi合金的凝固过程，当Si的质量分数小于5.49%时，初生相是铝，大于5.49%时，初生相为硅。金属凝固组织除了受到材料化学成分影响外，铸造工艺也是重要的影响因素，因为铸造工艺决定了熔体凝固过程的传热、传质及液体流动等12。Vol.71 No.12 20221512有色合金（a）重力铸造拉伸试棒 （b）高压铸造拉伸试棒图1铸件形状和尺寸Fig.1 Shapes and sizes of the castings 表1ADC12合金的主要成分Table 1 Main composition of the ADC12 alloy wB/%项目标准ADC12Si9.612.010.0Mg0.30.2Zn1.00.8Mn0.50.2Fe1.30.7Ti0.30.03Cu1.53.52.4Al余量余量表33种合金的凝固区间及析出相Table 3 Solidification interval and precipitated phase of the three alloys合金1号2号3号开始凝固温度/568543565凝固结束温度/410342345主要析出相-Al、Si、AlFeSi、Al7Cu2M、Al2Cu、Al7Cu2Mg8Si6表2试验合金的成分 Table 2 Compositions of the test alloys wB/%1号合金（设计）1号合金（实测）2号合金（设计）2号合金（实测）3号合金（设计）3号合金（实测）Si8109.2576.3243.3Zn121413.5333734.3333734.5Cu1.72.42.11.72.42.21.72.41.9Mg0.20.160.20.180.20.15Fe0.30.50.430.30.50.420.30.50.38Mn0.30.50.330.30.50.320.30.50.36Ti0.040.080.0640.040.080.0480.040.080.053Sr0.020.050.0360.020.050.0330.020.050.038Al余量余量余量余量余量余量1试验材料及方法1.1合金成分 本试验的ADC12采用的主要原料为再生铝，烘炉升温，称重加入ADC12再生铝（成分见表1），加入后化验成分；在铝液710730 时添加Al-10Sr中间合金，静置、取样化验，成分合格后进行气体精炼（未添加精炼剂）；降低铝液温度至650，添加纯锌锭，完全熔化后，充分搅拌，取样测试成分，成分合格后铸造，试验合金设计及实测成分如表2所示。1.2铸造过程（1）重力铸造：采用金属模具铸造，根据计算结果浇注时1-3号铝液温度分别为650、620、650。模具预热温度为200，在该模具温度下浇注合金产生的疏松少、缩孔较小，浇注时间为5 s。其尺寸根据GB/T 11733013确定。（2）高压铸造：采用JmatPro计算三种合金的固液区间，结果见表3，根据计算结果，压铸时1-3号铝液温度分别为650、620、650。采用海天HDC-300压铸机进行压铸，锁模力为300 kN，料柄厚度15 mm，锤头直径为60 mm，压射压力116 MPa，压射时间3.0 s，冷却时间2.5 s，留模时间6.0 s。高压铸造过程中模柄动作行程位置：一快位置为90 mm，二快位置为180 mm，增压位置为280 mm，跟踪位置为375 mm，本试验通过模温机将模具预热至200，然后进行高压铸造。以上试验，每一种成分的两种铸造试验在同一炉内完成。1.3组织性能分析利用Phonex扫描电镜、金相显微镜、万能试验机、布氏硬度计、差示扫描量热仪、激光闪射热导仪、电导仪和直读光谱仪等分析测试手段，对拉伸试样组织与性能进行分析。在制备好的3种试样中部取样，经砂纸粗磨、细磨，机械抛光后用金相显微镜观察3种合金2种铸造试样的金相组织，制备拉伸试样示意图如图1。使用深圳三思万能试验机进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min。采用DHB-3000硬度计测量布氏硬度，压头直径为10 mm。采用台式飞纳扫描电镜观有色合金2022年第12期/第71卷1513 （a）1#合金 （b）2#合金 （c）3#合金图2重力铸造合金的金相组织Fig.2 Optical microstructures of the gravity casting alloys （a）1#合金 （b）2#合金 （c）3#合金图3高压铸造合金的金相组织Fig.3 Optical microstructures of the high-pressure casting alloys察三种合金高压铸造试样的显微组织。将试样加工成12.6 mm2 mm的圆片用于瞬态法激光闪射法测量热扩散系数（），取10-15 mg用于差式扫描量热仪测量比热容（cp），阿基米德排水法测量密度（），然后计算热导率：cp。使用厦门福司特涡流电导仪测量电导率，用1 000号砂纸将试样表面磨光滑，且保证试样两端面平行。2试验结果与讨论2.1凝固历程分析采用JMatPro软件对3种合金的凝固过程进行模拟，其结果如表3所示，可以看出，3种合金的固液相线相差较大，结晶范围宽。1号合金从568 开始凝固，410 凝固结束，凝固区间宽度为158，可以看出，1号合金凝固过程中主要析出相有-Al、Si、AlFeSi、Al7Cu2M、Al2Cu、Al7Cu2Mg8Si6，且所有的凝固析出相均在凝固区间内析出。2号合金的凝固过程可分为三个阶段，从543 开始凝固，342 凝固结束，首先形成Si相，然后形成-Al相，最后形成富锌相。3号合金的凝固区间为345565，析出相与2号合金相同，但2号合金先析出-Al相，随后析出Si相，凝固区间变宽。2.2显微组织分析图2和图3为3种合金在2种不同铸造方法下的显微组织，图2为重力铸造的金相，-Al晶粒较为粗大，呈灰白色，1号合金、2号合金存在黑色短棒状或片状共晶Si相，Sr变质有一定的效果。灰色块状为初晶硅，Zn在Al中有较大的固溶度，在铸造过程中Zn过饱和地溶入固溶体中。2号、3号合金与1号合金相比较，随着Zn含量的增多，Al的消耗量增加，从而减少了与硅的共晶反应，共晶硅减少，造成形状不规则的初晶硅增多，增加了组织的不均匀性，微量Sr和Ti对初晶硅形貌无明显改善作用，虽然3号合金的硅含量较低，但是组织中也出现了大量形状不规则的初晶硅，初晶硅为脆硬相，使得合金的硬度增加，塑性降低。图3为高压铸造的金相，液态金属压力作用下增大了冷却速率，减小了临界形核尺寸，降低了形核功，提高了形核率，初生-Al尺寸明显减小，可以看出，1号合金中出现了等轴枝晶，晶粒尺寸大小不均，共晶硅的变质效果较好且均匀分布于晶界之间，未发现有初晶硅。2号、3号合金中出现大量形状、尺寸不等的初晶硅，且随硅含量减少，-Al尺寸增大，分布于晶界间的共晶组织明显减少。为进一步观察高压铸造下的3种合金组织，采用扫描电镜对高压铸造下3种合金的形貌及第二相成分进行分析。图4为高压铸造下1号合金的SEM照片及EDS能谱分析，可以看出，深灰色的为基体相（Zn固溶于-Al基体中），如图4b中的A处所示，能谱分析Zn的含量4.19at%，黑色的纤维状和小块状为共晶硅相，共晶硅的整体变质效果较好，如图4b中的C处所示。图4b中亮白色的小圆点为-AlFeMnSi相，Mn的加入有利于降低-Fe 富铁相的优势生长取向，可抑制-Fe富铁相Vol.71 No.12 20221514有色合金的形成，促进-Fe 相向-Fe富铁相转变13。分布于晶界处白色物质为富Cu金属间化合物，如图4a中标记D所示，其主要组成元素为Al和Cu，根据元素含量配比，判断其为-Al2Cu相，其弥散分布于晶界，割裂基体，提升合金强度和硬度的同时降低了塑性。由于固溶体相-Al所占体积分数远大于晶界相，因此只有少量的 Zn与Al、Cu结合在晶界上形成金属间化合物AlZnCu相，如图4a中标记E，而大部分 Zn元素以固溶形式存在于-Al中。图5为2号合金的SEM形貌及元素分布面扫描图，（a）低倍SEM形貌 （b）高倍SEM形貌 （c）A处EDS （d）B处EDS （e）E处EDS （f）D处EDS图4高压铸造1号合金SEM形貌及EDSFig.4 SEM morphologies and EDS of the high pressure casting No.1 alloy图5高压铸造2号合金SEM形貌及面扫描元素分布图Fig.5 SEM morphologies and surface scanning element distr