（８）冷却速度及铝含量对锌合金组织及硬度的影响
闫淑卿１，谢敬佩２
（１．河南科技大学理学院，河南洛阳４７１００３；２．河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳４７１００３）摘
要：采用自制的楔形试样研究了不同的铝含量（Ａｌ≥３０％）及冷却速度对合金微观组织及硬度的影响。结
果表明，合金的二次枝晶臂间距随冷却速度的增加明显减小；而合金的硬度主要与其中铝含量有关，且随铝含量的增加而增大。
关键词：高铝锌基合金；冷却速度；显微硬度中图分类号：ＴＧ１４６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－３８１４（２００７）１６－００１０－０３
ＥｆｆｅｃｔｏｆＣｏｏｌｉｎｇＲａｔｅａｎｄＡｌＣｏｎｔｅｎｔｓｏｎＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ
ＨａｒｄｎｅｓｓｏｆＺｎ－ｂａｓｅｄＡｌｌｏｙ
ＹＡＮＳｈｕ－ｑｉｎｇ１，ＸＩＥＪｉｎｇ－ｐｅｉ２
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ４７１００３，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ４７１００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅａｎｄＡｌｃｏｎｔｅｎｔ（Ａｌ≥３０％）ｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｏｆＺｎ－ｂａｓｅｄａｌｌｏｙｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙａｗｅｄｇｅ－ｆｏｒｍｅｄｓａｍｐｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｎｄｒｉｔｅａｒｍｓｐａｃｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅ．ＴｈｅｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｒｒｅｌａｔｉｒｅｗｉｔｈＡｌｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｉｔｆｕｒｔｈｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＡｌｃｏｎｔｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈａｌｕｍｉｎｕｍＺｎ－ｂａｓｅｄａｌｌｏｙｓ；ｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅ；ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ
锌铝合金从一诞生起就以其优良的性能、较低的成本以及环境污染小等优点而受到人们的广泛关注。目前，工业上已用其部分替代铜合金作为耐磨件，同时在模具材料及其他领域的应用也正在开发和拓展。铝作为锌基合金的主要添加合金元素，可以提高合金的流动性，同时在较大范围内改善合金的力学性能［１］。但是目前应用的高铝锌基合金（ＺＡ）种类比较少，为了拓宽ＺＡ合金的基合金微观组织及硬度的影响，同时研究了不同冷却速度下合金的微观组织形貌［２￣４］，对扩大锌基合金的研究与应用具有积极的意义。
使用范围，本文讨论了高铝含量（Ａｌ≥３０％）对锌
５０％变化，平均分为５个档次进行研究。熔炼时将
所需炉料事先预热至２００℃后放入石墨坩埚中，采用７．５ｋＷ坩埚电阻炉进行熔炼。熔炼过程中用
Ｃ２Ｃｌ６精炼处理，充分搅拌后再在６１０℃浇入预热
１００
ｚｘ
ｙ
３０
１实验材料及方法
实验合金用ＺＡ２７合金（依ＡＳＴＭＢ６６９－８２合
１２０
图１楔形试样尺寸
Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｗｅｄｇｅ－ｆｏｒｍｅｄｓａｍｐｌｅ
金锭标准）和纯铝熔配而成，设计Ｃｕ含量为２．０％
至９０℃的楔形模具中，所得试样尺寸如图１所示。
对于楔形试样，沿ｚ轴方向由上到下凝固速度不同，从而获得不同的冷却速度。将试样沿ｚ轴方向平均分为８个区域，从上部到下部的尖端依次命名为Ⅰ区、……、Ⅱ区、Ⅷ区，然后对其进行粗磨、细磨和抛光，采用５％硝酸水溶液腐蚀制成金相样品。采用配备ＣＣＤ图像采集系统的Ｎｉｋｏｎ
《热加工工艺》２００７年第３６卷第１６期
￣２．５％，Ｍｇ含量为０．０１％￣０．０２％，Ａｌ含量在３０％～
收稿日期：２００７－０４－１３
基金项目：河南科技大学人才科学研究基金资助项目（０５－１７０）作者简介：闫淑卿（１９７９－），女，河南洛阳人，讲师，主要研究方向
为高铝锌基合金组织与性能；
电话：１３８４９９１９２７８；Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｓｈｕｑｉｎｇ１９７９＠１６３．ｃｏｍ
１０
材料热处理（８）
ＭＢＡ－２１０００型金相显微镜进行微观组织观察和
图片摄取。每个样品选取不同部位记录约４０个视场，然后在ＷＤ－５电镜及光镜联机的图文报告系统和颗粒分析系统中进行二次枝晶间距的测量。硬度测量采用ＨＶＳ－５０型数显维氏硬度计，选择
图３所示。从图３（ａ）的平均值和图３（ｂ）的方差可
以看出：随着冷却速度的增加，合金的二次枝晶臂间距得到明显细化、均匀化。但是在相同区域内，随着铝含量的增加，合金的二次枝晶臂间距相差不大，α相没有明显长大粗化。图４给出了试验合金的硬度。可以看出，随着铝含量的提高，合金的硬度呈增大趋势；而随着冷却速度的提高，合金的硬度没有明显升高的趋势。
９８Ｎ的力，考虑到成分偏析，每个试样在不同部
位测１５次取其平均值代表样品的硬度值。
２实验结果
图２所示为部分试验合金Ⅰ区、Ⅴ区、Ⅷ区的
３分析与讨论
３．１微观组织
初生α相具有很强的枝晶生长倾向。对于含铝量较高的锌基合金（Ａｌ≥３０％），在凝固的中后期，整个凝固区域内的剩余合金液将被高度发展的树枝晶分割为互不沟通的小熔池（如图２中
铸态组织，高铝锌合金的铸态组织由初生α相和（α）共析相组成，其中浅白色树枝状的α相为＋η
Ｚｎ溶于Ａｌ中形成的铝基固溶体，η相为Ａｌ溶于Ｚｎ中形成的固溶体。横向对比：从Ⅰ区到Ⅷ区，随
着冷却速度的增加，晶粒尺寸逐渐减小，组织得到细化；纵向对比：相同区域内，随着铝含量的提高，组织中的初生α相枝晶增多，共析体逐渐得到细化。试验合金不同区域的二次枝晶间距的大小如
３０％Ａｌ，Ⅰ区的箭头所指），这些小熔池得不到及
时的补缩就会形成缩孔。随着合金中铝含量的提高，更多的树枝晶分割使得共析相更加细化，“熔
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（８）１６１４１２１０８６４２０
ＺＡ３０ＺＡ３５ＺＡ４０ＺＡ４５ＺＡ５０
距没有明显地长大粗化。主要原因是：在较低的冷却速度下，初生α相枝晶在液相停留的时间越长，就越有充分的时间生长；而在相同的冷却速度下，初生α相生长速度相同，使得不同铝含量的枝晶间距也处于相同的水平；随着冷却速度的提高，初生α相枝晶生长受到限制，促使合金组织
二次枝晶间距／! ｍ
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ
更加细化、均匀化。因此，当铝含量高于３０％时，锌基合金的微观组织主要受冷却速度的影响，随铝含量的增加组织变化不明显。
区域
（ａ）枝晶臂间距的平均值
５间距的分散度
４３２１０Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
ＺＡ３０ＺＡ３５ＺＡ４０ＺＡ４５ＺＡ５０
３．２硬度
在锌铝合金中，树枝状的α相是Ａｌ基固溶体，面心立方晶格，属于强化相，其硬度比密排六方晶格的η相高，因此随着初生α相增多，使合金软化的低熔点的共析体量减少，合金的硬度升高。当含铝量达到５０％时，其硬度高达１２４ＨＶ。但是对比同一种成分的合金，在不同的冷却速度下其硬度值相差不大，且不随冷却速度的增长呈规律性的变化。因此，合金的硬度主要受合金成分的影响。
ⅦⅧ
区域
（ｂ）枝晶臂间距的方差
图３试验合金的二次枝晶臂间距
Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｎｄｒｉｔｅａｒｍｓｐａｃｅｏｆ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｏｙｓ
１２４１２２硬度（ＨＶ）
４结论
（１）高铝锌合金的铸态组织由初生α相和（α）共析相组成，随着合金中铝量的增多，α相＋η枝晶增多、共析体减少。
３０
３５
４０
Ａｌ含量（％）
４５
５０
１２０１１８１１６
（２）当铝含量高于３０％时，合金中初生α相的二次枝晶臂间距随冷却速度的增加明显减小，而铝量增加对其影响不大。
（３）合金的硬度主要受其铝含量的影响，并随铝含量的增加而增加。参考文献：
［１］
ＡｂｏｕＥｌ－ｋｈａｉｒＭＴ，ＤａｏｕｄＡ，ＩｓｍａｉｌＡ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔＡｌｃｏｎｔｅｎｔｓｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｗｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＺｎ－ｂａｓｅｄａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００４，５８：１７５４－１７６０．［２］
ＭｏｎｔｓｅｒｒａｔＳ，ＣａｌｖｅｎｔｕｓＹ，ＨｕｔｃｈｉｎｓｏｎＪＭ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｎｔｈｅｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｇｌａｓｓｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｏｌｙｍｅｒ，２００５，４６：１２１８１－１２１８９．［３］［４］
冯建情，曾建明，邹勇志，等．含铝量对锌基合金力学性能的影响［Ｊ］．热加工工艺，２００４，（５）：８－１０．
倪锋，张柯柯，侯平均，等．钛、锆变质处理对高铝锌合金凝固特性的影响［Ｊ］．热加工工艺，２００１，（４）：６－８．
（ａ）试验合金总体的硬度
ＺＡ３０
ＺＡ３５ＺＡ４０ＺＡ４５ＺＡ５０
１４０硬度（ＨＶ）
１２０
１００
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ
区域
（ｂ）合金不同区域的硬度
图４试验合金的硬度
Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｏｙｓ
池”变小、变浅（如图２中５０％Ａｌ、Ⅰ区的箭头所指）。对比图３（ａ）中相同成分下Ⅰ区和Ⅷ区的二次枝晶间距，楔形试样尖端的枝晶间距不足顶端的
１／３；而相同区域内，随铝含量的增加，α相枝晶间
１２
《热加工工艺》２００７年第３６卷第１６期