黃 韋，程和法，周運海，陳文珂

（合肥工業(yè)大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009）

Al-Zn-Si-Mg系合金具有良好的鑄造性能，縮孔和熱烈傾向較小，并且，該合金具有較好的焊接性能和切削加工性能。其成分（質量分數(shù)，%）為：Zn 9%～13%，Si6%～8%，Mg0.1%～0.3%，其余為Al[1，2]。鑄態(tài)下，Al-Zn-Si-Mg系合金的強度和硬度較高，適合于制造各種塑料成型模具。近年來隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，塑料制品的種類日益增多，用途不斷擴大，塑料制品向精密化、大型化、復雜化發(fā)展，成型生產向高速化發(fā)展。因此，塑料模具結構日趨復雜，制造難度加大，對塑料模具材料和選用要求也越來越高[3]。但在生產實際中，經常發(fā)現(xiàn)對不同廠家同一牌號的塑料模具合金錠進行重熔鑄造，最終的性能卻存在明顯差異。這主要是由于合金中主要元素含量不同導致的[4]。同時，塑料成型時壓力較大，需要模具材料具有較高的強度和硬度，才能保證模具正常工作而不變形。然而，目前國內外，對鋁鋅合金作為塑料成型模具材料其合金成分、組織及其性能的研究非常匱乏，致使在實際生產中，合金成分的選擇沒有規(guī)律可循，用于塑料成型模具的合金成分設計、熔煉等有待深入研究和規(guī)范。為了弄清不同合金元素對鋁鋅合金塑料模具材料組織和性能的影響規(guī)律，本文以Al-Zn-Si-Mg系合金中主要元素Zn、Si、Mg為研究對象，探討了其對合金組織和硬度的影響規(guī)律，為鋁鋅合金塑料模具合金的生產提供一定的理論基礎。

1 試驗方法

材料選用ZL102（12%Si，余量為鋁）、純鋅、純鋁、純鎂。在坩堝電阻爐中按熔點由低到高的順序依次加入鋅、ZL102和鋁錠，待全部熔清后，于680℃加入Mg錠，攪拌均勻后，加入六氯乙烷精煉除氣，靜置1min～2min后撇渣，升溫至700℃左右時澆注到金屬型中。

室溫下冷卻后，在各個鑄塊同一位置截取10mm×10mm×10mm的試樣，在砂輪機上粗磨后，利用金相砂紙從60號磨到800號，再進行機械拋光、腐蝕、吹干。腐蝕液為0.5%的HF水溶液。在4XB-TV型光學顯微鏡下觀察顯微組織，并拍取金相照片。

將上述各式樣的兩端面打磨平行，在HB3000型布氏硬度實驗機上進行硬度測試實驗，實驗載荷為250kg，保壓時間為30s，壓頭直徑為5mm.卸載后通過讀數(shù)器測出壓痕直徑，并通過計算得到硬度HB值。試驗所用合金的化驗成分見表1.

表1 試驗合金化驗成分（質量分數(shù)，%）

2 試驗結果與分析

2.1 鋅對Al-Zn-Si-Mg 系合金組織的影響

Zn是鋁合金中的一種常用合金化元素，在Al中的溶解度非常高[5]，由Al-Zn二元相圖[1]可知，在300℃時，Zn的溶解度達40%左右，而室溫下，Zn的溶解度下降到10%以下。鑄造時Zn過飽和地溶入α 固溶體中。圖1a）～e）所示為Si含量為7%，Mg含量為0.2%，不同Zn含量的Al-Zn-Si-Mg系合金鑄態(tài)顯微組織。在合金冷卻過程中，首先析出樹枝狀的初生α（Al）固溶體，圖中呈灰白色。到達共晶溫度時剩余液相全部轉化為α+Si共晶相，圖中呈深灰色針狀或片狀的是共晶Si。從圖1可以看出，隨著Zn含量從9%增加到13%，樹枝狀α（Al）愈來愈發(fā)達。這是由于，隨著Zn含量的升高，合金成分濃度升高，有助于形成“成分過冷”。隨著“成分過冷”程度的增大，α（Al）固溶體逐漸向自由樹枝晶發(fā)展，形成發(fā)達的α 樹枝晶。

2.2 硅對Al-Zn-Si-Mg 系合金組織的影響

在Al-Zn-Si-Mg系合金中，Si在基體中的固溶量極低，主要是以共晶Si的形式出現(xiàn)。由于合金的含Si量在亞共晶范圍內，合金微觀組織由樹枝狀α固溶體和共晶Si所組成。而Mg2Si很細小，低倍光學顯微鏡下很難辨認[6]。圖2a）～c）所示為Zn含量為11%，Mg含量為0.2%， 不同Si含量的Al-Zn-Si-Mg系合金鑄態(tài)顯微組織，由圖2可知，隨著Si含量的增加，合金成分向共晶點移動，反應生成的共晶Si增加，因此，合金的微觀組織中針狀共晶硅逐漸增多，而初生α 相的相對量減少。

圖2 不同Si 含量的Al-Zn-Si-Mg 系合金鑄態(tài)顯微組織

2.3 鎂對Al-Zn-Si-Mg 系合金組織的影響

Mg是鋁合金中主要強化元素，當Mg含量較低時，基本溶于鋁中，微量Si和Mg形成Mg2Si相[7]。圖3a）～c）所示為Zn含量為11%，Si含量為7%，不同Mg含量Al-Zn-Si-Mg系合金鑄態(tài)顯微組織，可以看出隨著Mg含量的增加，合金組織中α（Al）和共晶硅的形貌和尺寸變化不太顯著。

圖3 不同Mg 含量的Al-Zn-Si-Mg 系合金鑄態(tài)顯微組織

2.4 合金元素對Al-Zn-Si-Mg 系合金硬度的影響

圖4顯示了不同含量的Zn、Si、Mg元素對Al-Zn-Si-Mg系合金布氏硬度的影響。從圖4a）可以看出，當Zn元素從9%增加到13%，合金布氏硬度由80HBS提高到了87HBS，提高了8.75%。這是由于Zn元素在鋁中的溶解度極大，Zn以固溶體的形式存在于鋁合金基體中，起固溶強化作用，使合金的強度和硬度升高。從圖4b）可以看出，隨著Si含量的增加，合金的布氏硬度逐漸增加，當Si含量從6%增加到8%，合金的布氏硬度由79HBS提高到了84HBS，提高了6.33%。這是由于隨著含硅量的增加，結晶時析出的共晶硅增多，而Si是一種脆硬組織，使合金的硬度提高。從圖4c）可以看出，隨著Mg含量的增加，合金的硬度也得到提高，當Mg從0.1%增加到0.3%時，合金的硬度由80HBS提高到了83HBS，提高了3.75%。主要是由于隨著鎂含量的升高，與鋁形成的固溶體增多，固溶強化作用增強，使合金強度和硬度升高。同時，顯微組織中析出了越來越多的金屬間化合物Mg2Si相，Mg2Si相為硬相，合金的硬度也隨之逐漸提高。

3 結 論

在Al-Zn-Si-Mg合金中，Zn、Si、Mg元素質量分數(shù)的變化對合金顯微組織和硬度有一定的影響。

圖4 不同合金元素對Al-Zn-Si-Mg 系合金布氏硬度的影響

1）當Zn元素質量分數(shù)由9%增加到13%時，Al-Zn-Si-Mg系合金中樹枝狀α（Al）愈來愈發(fā)達，合金的硬度由80HBS增加到87HBS，增加了8.75%。

2） 當Si元素質量分數(shù)由6%增加到8%時，Al-Zn-Si-Mg系合金中共晶硅逐漸增多，合金的硬度由79HBS增加到84HBS，增加了6.33%。

3）當Mg元素質量分數(shù)由0.1%增加到0.3%時，Al-Zn-Si-Mg系合金中α（Al）和共晶硅的形貌和尺寸變化都不顯著，但合金合金的硬度由80HBS增加到了83HBS，增加了3.75%。

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