锌铝合金中锰、铜含量对其组织与性能的影响检测方案(金相显微镜)

锰、铜含量对锌铝合金组织与性能的影响 李建春 （太原钢铁集团有限公司 技术中心，太原030003） 摘 要：研究了不同含量的锰和铜对锌铝合金的组织与力学性能的影响。结果表明：锰和铜含量较低时，对合金的力学性能无显著影响；随着锰和铜含量的升高，合金的硬度大幅度提高，冲击韧度基本不变。 关键词：锌铝合金；组织；硬度；冲击韧度 锌铝合金是近十多年来国内外应用日益广泛的价廉、节能和优质的新材料，它具有硬度和强度高，阻尼性好，耐磨性好及制造成本低廉等优点；同时还具有良好的工艺性能，而且原材料来源广、价格低廉、熔化时耗能低和无污染，以及使用寿命长等优点，是国内外发展很快的一类新型合金。 在合金中，铜是主要强化元素之一；锰元素的加入，可在锌铝合金中生成硬质点相，从而提高合金的硬度，改善合金的耐磨性能。为了进一步发挥锌铝合金的潜能，笔者着重研究了不同含量的锰和铜对锌铝合金组织和力学性能的影响。 1 试验材料和方法 1.1 试验材料 原材料采用纯度为99.6%铝锭（质量分数，下同）、99.96%锌锭、99.95%镁锭、99.5%锰和99.9%铜，其中硅以Al-Si中间合金加入。试验锌铝合金的牌号为ZnAl27Si4Mg5，其化学成分为25%Al，3.2%Si，4.5%Mg，余量为锌。在此基础上添加锰和铜合金元素，设计了2因素3水平的正交试验，试验合金的合金元素加入量见表1. 1.2 试验方法 熔炼采用SG3-10型高效石墨坩埚电阻炉，浇注时用金属模具，底部采用铁板激冷，浇铸温度为850℃。冲击试验在ZBC-450B材料试验机上按GB/T 4338 – 1995规范进行，冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm，无缺口，试验数据由电脑自动采集，显微镜硬度在显微硬度机上测试，试验力为0.98N，分别测量5次硬度值，数据由计算机自动采集，取平均值，显微组织用光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪观察与分析、采用的侵蚀剂为：5ml浓硝酸+5ml浓盐酸+5ml氢氟酸+85ml蒸馏水。 2 试验结果与讨论 2．1 锰、铜含量对显微镜组织的影响 加入锰和铜的试验合金显微镜组织如图1所示。 由Zn-Al合金二元相图和图1的显微组织分析得出，合金的铸态组织由初生白色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ZnAl为基的固溶体）为基体组织，其能谱如图2所示，其中α相由48.72%Zn和51.28%Al组成，β相由68，23%Zn和31.77%Al组成，组织中还分布有少量的Mg2Si相，其中β相为高温相，在室温时已发生共析转变，转变为（α+η）的层片状共析体。通过添加不同含量的锰和铜，组织中析出了亮白色的富铜相和针状的富锰相，其典型组织形貌及能谱如图3和图4所示，其中富铜相中各元素的组成为：25.32%Al，9.88%Mg，19.93%Si，3.39%Cu和41.48%Zn;富锰相中各元素的组成为：29.51%Al，17.05%Si，11.94%Mn和41.49%Zn。 当把锰加入到锌铝合金中后，加入的锰除部分固溶外，主要生成针状的锌铝锰硅化合物硬质点。 锰含量为0.2%时，加入的锰形成少量的化合物硬质点，因此锰的加入对基体合金的硬度影响不大；随着锰含量增加，锰除部分固溶外，生成的针状锌铝锰硅化合物硬质点逐渐增多，硬度随即提高。当锰的加入量为0.4时，生成铝锰化合物硬质点呈针状弥散分布，明显提高了试验合金的硬度；当锰的加入量为0.6%时，富锰相逐渐增多，并且有所聚集长大，硬度稍有下降，组织变化如图5及图6所示。 ZnAl27Si4Mg5基体合金中添加铜元素后，随着铜含量的增加，试验合金的硬度逐渐升高。未添加铜元素时，基体合金组织呈现发达的树枝晶；加入了铜元素后，合金中的富铝相树枝晶发生了破碎，枝晶端部变圆滑发生了钝化，使基体合金组织由典型的树枝晶转变为细小的花朵状晶粒，枝晶形态得以改善，减轻了合金的微观偏析，提高了合金的致密性，使得铸态晶粒变得更为细小；同时组织中析出了一些硬的富铜相（组织变化如图7及图8所示），因此添加铜元素具有细晶强化和弥散强化双重作用，使试验合金的硬度逐渐升高。 2.2 锰和铜含量对合金力学性能的影响 图9和图10分别是试验合金的硬度随着锰、铜含量变化曲线，图11是对试验合金的冲击韧度比较。总的来看，随着锰、铜元素的加入，与ZnAl27Si4-Mg5合金（其硬度为91HV）相比，试验合金的硬度均有不同程度的提高，合金硬度最大可达到223HV；与ZnAl27SiMg5合金（其冲击功为2.7J）相比试验合金冲击功均稍有下降，但变化不大；就这9种成分试验合金而言，其冲击功几乎没有差别，最小的冲击功为1.16J，最大的为1.978J。 由图9可以看出，锰的加入量对不同铜含量的试验合金的作用是不相同的。铜含量为0.5%时，硬度随着锰含量的增加先低后高，变化不太大；铜含量分别由188和185HV提高223和220HV。 同样，由图10可以看出，铜的加入量对不同锰含量的试验合金的作用也是不相同的。锰含量为0.2%时，铜含量的增加对试验合金的硬度无显著影响；锰含量分别升高到0.4%和0.6%，则硬度随着铜含量的增加分别由190和209HV提高到了219HV。 3. 结论 （1）试验合金的显微组织由α枝晶相和包围在α枝晶相外缘的β相为基体组织组成，组织中还分布有少量的不规则块状Mg2Si相；锰和铜含量的增加，组织中析出了亮白色的富铜相和针状的富锰相。 （2）不同含量的锰和铜对试验合金的冲击韧度不大。 （3）当锰的含量为0.4%和铜含量为1.5%时，试验合金的硬度为219HV；锰的含量为0.6%和铜的含量为1%时，硬度为223HV。 研究了不同含量的锰和铜对锌铝合金的组织与力学性能的影响。结果表明：锰和铜含量较低时，对合金的力学性能无显著影响；随着锰和铜含量的升高，合金的硬度大幅度提高，冲击韧度基本不变。