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铸造高锌 AlZnSiCu 合金的力学性能与热导率研究

石帅 发表于2023/3/13 11:26:18 高锌合金重力铸造高压铸造

原标题:铸造高锌 AlZnSiCu 合金的力学性能与热导率研究。

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,α-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/(m·K)、1.7%。高压铸造下2、3号合金中固溶于α-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。

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。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/(m·K),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,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α-Al中的固溶度较大,室温下Zn在α-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。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θ(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,对于铸造工艺对合金组织性能相关研究较少。Yang等人发现在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。

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710~730 ℃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。

表1 ADC12合金的主要成分 wB/%

表2 试验合金的成分 wB/%

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 1173-3013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察三种合金高压铸造试样的显微组织。将试样加工成Φ12.6 mm×2 mm的圆片用于瞬态法激光闪射法测量热扩散系数(α),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(ρ),然后计算热导率:λ=α·cp ·ρ。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。

图1 铸件形状和尺寸

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α-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α-Al相,最后形成富锌相。3号合金的凝固区间为345~565 ℃,析出相与2号合金相同,但2号合金先析出α-Al相,随后析出Si相,凝固区间变宽。

表3 3种合金的凝固区间及析出相

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,α-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2 重力铸造合金的金相组织

图3 高压铸造合金的金相组织

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α-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,α-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α-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α-AlFeMnSi相,Mn的加入有利于降低β-Fe 富铁相的优势生长取向,可抑制 β-Fe富铁相的形成,促进β-Fe 相向α-Fe富铁相转变。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θ-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α-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α-Al中。

图4 高压铸造1号合金SEM形貌及EDS

图5为2号合金的SEM形貌及元素分布面扫描图,其中Al元素呈深蓝色,Zn元素呈黄棕色,占据了整个照片的视野。结合图5中A处与表4中能谱分析,确定为α-Al相,α-Al相枝晶中心固溶的Zn元素为11.34at%,相比于1号合金,明显升高。含Si元素的部分呈亮黄色,主要分布于晶界处,红棕色区域代表Cu元素的分布区域。D、F处为共析α+η(η为富Zn相),B处能谱分析只含有硅元素,确定为初晶硅,尺寸达到30 μm,说明锌含量的升高促进了初晶硅的析出,增加了合金的硬度,降低塑性。E处针状的相为β-Fe相,是导致合金力学性能恶化的主要原因,特别是塑性和韧性。元素Zn和Cu在晶界共晶组织处存在着明显的富集现象,但各元素的富集偏析程度也存在差别:Si元素偏析最严重,Cu元素偏析次之,Zn元素偏析较轻。

图5 高压铸造2号合金SEM形貌及面扫描元素分布图

表4 高压铸造2号合金EDS成分

与2号合金相比较,3号合金晶界处第二相的数量明显增加,未发现初晶硅相,共晶硅的数量有所减少,固溶于α-Al中的Zn元素增加,如图6及表5中A处所示,Zn含量达12.24at%;晶界处白色网状物质主要为α+η富锌相,如图6及表5中B、D、F所示,黑色块状物为初晶硅;结合元素扫描分布图,与2号合金相比较,Cu和Zn元素在晶界处的偏析程度增加。

图6 高压铸造3号合金SEM形貌及面扫描元素分布图

表5 高压铸造3号合金EDS成分

第二相强化的合金,当第二相呈网状分布于晶界上时,与基体结合的强度相对较低,微裂纹容易发生于第二相与基体的界面处,由于能量释放导致裂纹扩展,降低了合金的塑性与强度。当合金中的第二相分布为断续点状时,相应的临界切变应力会提高,尤其是硬质相质点,位错需要绕过它才能继续滑移,严重阻碍了位错的滑移,位错堆积会产生应力集中,引起开裂的机会大,造成塑性降低。第二相为不规则形状具有尖角时,在外力作用下,尖角处易形成应力集中,使裂纹容易在此处形核和长大,从而降低强度和塑性。2号合金中尺寸不规则的初晶硅相及枝晶间连成网状的富Zn相受外力作用时容易产生应力集中,从而导致合金的塑性降低。

2.3 力学性能分析

在室温下对2种铸造方法制备的试样进行力学性能测试,结果见图7。可以看出,两种铸造方式下的3种合金塑性都较差,高压铸造下合金的塑性低于重力铸造,其中2号合金的塑性最差,形状不规则初晶硅析出,尺寸变大,脆性增加,且分布极不均匀,割裂了基体。同时,试验合金拉伸变形,首先在晶间共析相上发生,导致拉伸过程中硅相尖端局部应力集中,从而导致硅相自身开裂或产生微裂纹,重力铸造下1号合金的抗拉强度与伸长率最优,分别为322 MPa、1.7%。高压铸造下2号合金的强度最高,伸长率最低,分别为362 MPa、0.4%。两种铸造方式下,3种合金的布氏硬度变化趋势相同,结果如图8所示,2号合金的最高,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%。Si元素形成的初晶Si相,其硬度远高于试验合金基体,充当支撑相,从而提高合金的硬度。

图7 不同铸造方式下合金的力学性能

图8 不同铸造方式下合金的布氏硬度

2.4 热导率分析

常温下,电子导热和声子导热是合金中主要的导热方式,光子导热并不明显,相关研究表明,电子导热是合金最主要的导热方式。有较多自由电子存在于金属材料中,在一定的温度梯度作用下,通过互相撞击产生动能,从而使热量从高温处传至低温处。当温度不太高时,声子热传导热作用相对增强,原子在其平衡位置附近以弹性波进行热量传递。由此,电子热导率可由下式计算得出:

式中:Cve 为电子对单位体积热容的贡献,J/(m³·K);Ve 为电子平均速率,m/s;le 为电子的平均自由程。电子对单位体积热容的贡献Cve 正比于绝对温度K。电子在金属中移动(只考虑平动)的平均速率约为图片m/s,一般不随温度变化。而电子的平均自由程le 是传导电子两次碰撞之间得以通过的距离。对于完整比较理想的晶体,理论上电子可以在晶格内无限的自由运动,此时合金具有最高的导热性能。然而,由于合金中存在缺陷(空位、位错等)、第二相的析出或夹杂物等产生较大的晶格畸变,使传导的电子发生了散射,限制了传导电子的平均自由程,降低了合金的热导率。

从表6中可以看出,重力铸造下1号合金的热导率最高,相比于1号合金,2号合金中 Si 析出相数量的增多,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,3号合金随着硅含量降低,初晶硅的尺寸和数量明显减小,降低了电子传输过程中对自由电子的散射作用,合金的热导率有所改善。

表6 室温下重力铸造合金的物理性能

根据金属的导电、导热物理本质,金属导热、导电过程中的主要载体为自由电子。魏德曼(Widemann)和弗兰兹(Franz)发现,在室温下,金属的热导率和电导率与温度成正比,比例常数的值不随具体的金属变化,数学表达式如下:

式中:λ为金属的热导率,W/(m·K);σ为金属的电导率,ms/m;T为绝对温度,K;L为洛伦兹数(Lorentznumber),。Olafsson 等人针对铝合金,对上述公式进行了优化,其数学表达式如下:

式中:洛伦兹数;C为常数,C=12.6 W/(m·K)。从上面两个公式可知,合金的电导率和热导率的变化规律是一致的。从图9中可以看出,重力铸造合金的电导率整体高于高压铸造,高压铸造温度高,压铸时冷速较快,抑制在冷却过程中合金元素析出,晶格畸变程度比重力铸造的大,增加了声子散射程度,使热导率降低。高压铸造晶粒尺寸相比于重力铸造明显细化,因此使得晶界的体积分数增加明显,α-Al晶粒在被细化同时也增加了晶界面积,根据式(1)可以看出,晶界增加导致电子散射概率增大,从而电子的平均自由程减小,热导率降低。

图9 不同铸造方式下合金的电导率

3.结论

(1)以高锌AlZnSiCu铝合金为对象,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。铸造方式对合金的组织形貌有着显著影响,高压铸造相比重力铸造,晶粒明显细化且由柱状晶转化为等轴晶,初晶硅的尺寸减小,共晶硅由长条状及片状转化为纤维状。两种铸造方式下的3种合金塑性较差,其中2号合金伸长率最低,硬度最高,分布于基体中初晶硅的硬度,远高于试验合金基体,充当支撑相;1号合金的热导率与伸长率最高。

(2)2号、3号合金Zn含量增加减少了Al与Si的共晶反应,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,重力铸造下1号合金的抗拉强度与伸长率最高,分别为322 MPa、1.7%。高压铸造下2号合金的抗拉强度及硬度最高,伸长率最低,分别为362 MPa、0.4%。

(3)3种合金热导率无较明显差异,其中,重力铸造晶粒粗大,晶界面积较小,热导率整体高于高压铸造,高压铸造下2、3号合金中固溶于α-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。

作者
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

本文来自:《铸造》杂志

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