原标题：铸造Al-Zn-Si-Cu合金的力学与导热性能研究

摘要：采用压铸成形工艺制备了Al-xZn-8Si-2Cu(x=12、14、16、18)合金型材。使用OM、SEM分析不同Zn含量对合金的微观组织形貌的影响，进一步分析Zn含量对力学性能及导热性能的影响规律。结果表明，当合金中Zn含量从12%提升到18%时，固溶在α-Al基体中的Zn含量提高，对合金起到固溶强化作用，同时共晶Si尺寸增大形成尖角导致应力集中；合金的抗拉强度和屈服强度分别为从345.5 MPa、263.5 MPa提高到395.4 MPa、343.8 MPa；伸长率略微降低；热导率由109.4 W/(m·K)降低到85.7 W/(m·K)。

铝合金具有密度小、强度高、综合性能良好等优点，因此被广泛应用于散热器、电子通讯等领域。随着科技的日益发展与进步，电子产品不断趋于轻量化、微型化，人们对电脑、手机、平板等电子产品的运行性能要求也与日俱增。电子产品运行性能的提高需要以材料良好的导热性能与力学性能为支撑。根据相关统计数据显示，有55%左右的电子零件由于设备过热或其他热相关的问题而失效，而半导体元件的温度升高10 ℃也会导致其服役可靠性降低50%左右，并且当元器件在较高的温度下工作时，其失效率也会随着温度的升高而升高。电子产品在日常使用过程中面对的撞击、跌落、弯曲等情况造成的设备损坏需要通过提高材料的力学性能来改善。目前已有材料的综合性能难以同时满足设备运行时散热和力学性能要求，因此，为电子产品开发具有高强度高导热的材料变得尤为重要。

影响铝合金导热性能和力学性能的因素较多，主要包括以下3个方面：①合金元素及其形成相在铝基体中的固溶度。通过影响铝基体晶格畸变的程度来影响合金的热导率；其他元素与Al之间或者其他元素之间形成强化相来影响强度；②杂质与缺陷。其数量越多，合金的致密度越差，热导率也就越低，强度越低。③热处理。通过影响合金中相的形态、尺寸和分布来改变对运动电子的散射作用，进而影响合金的热导率，以及强化相的析出情况都在一定程度上对铝合金的热导率及力学性能有影响，其中合金元素是影响合金热导率及力学性能的主要因素之一，主要取决于合金元素的存在形式和含量。基于国内外的研究现状，邓邦惠等研究表明，Al10SiMnMg压铸成形后其热导率为125 W/(m·K)，抗拉强度与屈服强度分别为155 MPa、80 MPa。传统ZL101低压铸造成形后其热导率为125 W/(m·K)，抗拉强度与屈服强度分别为155 MPa、95 MPa。但是，传统Al-Si合金的导热性能和力学性能均具有一定的局限性，不能完全满足实际工业生产及应用的需求。由于Zn在α-Al中的固溶度较低，对热导率的负面作用较小，通过Zn元素的添加，在保证Al-Zn合金良好的导热性能的前提下，有望进一步提高铝合金的铸态室温力学性能。因此，本试验采用Zn作为强化元素，研究Zn含量为12%~18%的Al-Zn合金中显微组织、热导率以及力学性能的变化趋势。同时，本试验借助SEM、OM、XRD等检测手段，分析Zn在合金内部存在形式，以揭示Zn对Al-Zn合金力学性能和热导率的影响规律。

1、试验方法

1.1 试验原料

试验合金的化学成分见表1。原材料采用纯铝、纯Zn、纯Cu、Al-30Si、Al-10Mn和Al-10Fe中间合金配制而成。

表1 Al-Zn合金的化学成分

1.2 试验方法

将纯铝加入到电阻炉中加热熔化，熔炼温度为730 ℃。后续加入Al-10Mn中间合金、Al-10Fe中间合金、Zn、Cu以及Al-30Si中间合金，待所有合金全部熔化后使用钼棒搅拌，使合金成分分布均匀。然后静置，扒渣后压铸拉伸试样，压铸试样尺寸见图1。其中加入少量Fe便于铸件脱模。但由于Fe会降低合金的力学性能，因此，加入少量Mn降低Fe的负面影响。采用HD-B615-A-S型微机控制电子万能材料试验机进行拉伸测试。将试样表面磨抛至光洁，采用FIRST FD-102涡流电导仪进行电导率测试。试样经过机械抛光后在ZEISSM10A扫描电镜下进行观察组织形貌及断口形貌。

图1 拉伸试样尺寸图

2、试验结果与分析

2.1 Zn含量对合金的力学性能的影响

图2和图3分别为合金力学性能随Zn含量的变化规律。可以看出，随着Zn含量从12%提高到18%，合金的抗拉强度和屈服强度逐渐提高，抗拉强度从345.5 MPa提高到395.4 MPa，屈服强度从263.5 MPa提高到343.9 MPa，分别提高了14.4%、30.5%；伸长率随着Zn含量的提高逐渐降低，由1.72%降低到1.15%。由此可见，合金中Zn含量的提高可以极大的提高合金的强度，但会使合金的塑性降低。

图2 不同Zn含量下Al-Zn合金的强度

图3 不同Zn含量下Al-Zn合金的伸长率

2.2 断口形貌分析

图4为不同Zn含量下Al-Zn合金的拉伸断口形貌。可以看出，合金的断口组织主要由少量解理平台、大量韧窝和撕裂棱组成。随着合金中Zn含量增加，合金断口组织中存在的韧窝数量和撕裂棱逐渐减少，解理平台面积相对增多。Zn含量增加到18%后，断口组织中的韧窝和撕裂棱数量达到最少，总体呈现脆性断裂特征。

图4 Al-xZn-8Si-2Cu合金的断口形貌

2.3 Zn含量对热导率的影响

图5为热导率随Zn含量的变化规律。可以看出，随着Zn含量的增加，合金的热导率呈下降趋势。由109.4 W/(m·K)降低到85.6 W/(m·K)，降低了21.8%。金属材料热传导过程的实质是自由电子的热传导和晶格振动产生的热量。根据金属材料的晶体特征，金属材料的热传导方式以自由电子的热传导为主，因此金属的热导率和电导率存在一定的关系，即Wiedemann-Franz定律。

式中，λ为材料的热导率；δ是材料的电导率；L是材料的洛伦兹常数，铝的洛伦兹常数为；T为热力学温度。

根据经典的导电导热理论，金属材料中的缺陷、晶界以及晶格畸变越少，金属材料的晶格越完整，其对电子的散射作用越小，导热性能也就越好。

Zn的添加对合金的热导率有重要影响。Zn一部分溶解到α-Al基体中，改变了合金内部原有的晶格点阵，使晶格畸变增多。一部分未能溶解入基体，在晶界处形成富Zn相，减小了电子移动平均自由程，加大了电子通过的难度，从而使热导率降低。

图5 不同Zn含量合金的热导率

2.4 Zn对Al-Zn合金显微组织的影响

图6为不同Zn含量下Al-Zn合金的显微组织。可以看出，Al-12Zn-8Si-2Cu合金中α-Al枝晶较为粗大，共晶组织中Si形态相对细小，分布也比较均匀，因此的伸长率也相对较高。将合金中的Zn含量提高到14%时，α-Al枝晶尺寸明显变小，并且固溶在α-Al基体的Zn含量提高，对合金起到固溶强化作用。随着Zn含量继续提高到18%，α-Al枝晶尺寸进一步变小，固溶强化作用进一步增强，所以屈服强度得到提升；另一方面，Zn的加入使共晶Si尺寸增大，这些尺寸变大的共晶Si存在一些锐利的尖角，会发生应力集中，会降低合金的伸长率；同时Zn含量增加导致的固溶在α-Al基体中的Zn含量提高使晶格缺陷增多，从而降低热导率。

图6 Al-xZn-8Si-2Cu合金的金相组织

2.5 XRD及EDS物相分析

图7为不同Zn含量的Al-Zn合金XRD图。可以看出，Al-xZn-8Si-2Cu合金主要由Al、Al2Cu、Zn、Si、Al6（FeMn）等5种相组成。随着Zn含量的提高，Zn含量的变化对合金的相组成没有影响，且不含Zn的相的峰值以及位置未发生变化，而含Zn相的峰值有所提高，峰强度增加。

图7 不同Zn含量铝合金的XRD图

图8为不同Zn含量的Al-Zn合金SEM形貌，其中A处白色点状相为在晶界处未溶解的富Zn相。可以看出，由于Zn在Al中极限溶解度可达32.8%，合金凝固过程中较多的Zn溶解进基体中，且由于该位置在Al基体附近，因此EDS结果中主要元素含量为Al，Zn含量较低。B处灰色块状为初生Si相，C处呈汉字状的为Al6(FeMn)相。由于Fe、Mn含量较低，并且形成较少为汉字状Al6(FeMn)相，不会对组织产生割裂作用，因此对合金的力学性能影响较小。D处灰白色短棒状为Al2Cu相。随着Zn含量的增加，第二相粒子的形貌、数量以及尺寸变化不明显。可见，Zn含量的提高对于合金中第二相粒子影响不大，此结果也与XRD结果相符合。

图8 Al-xZn-8Si-2Cu合金SEM形貌

表2 Al-xZn-8Si-2Cu(x=12、14、16、18)EDS结果 %

3、结论

（1）随着Zn含量提高，固溶在α-Al基体中的Zn含量不断提高，对合金起到固溶强化作用，同时还使共晶Si尺寸增大，这些尺寸变大的共晶Si存在一些锐利的尖角，会发生应力集中，会降低合金的伸长率；固溶在α-Al相中的Zn含量提高会使晶格缺陷增多，降低热导率。

（2）Zn含量的提高可以显著提升合金的强度，但会降低合金的伸长率和热导率，当合金的Zn含量从12%提升到18%时，合金的抗拉强度和屈服强度分别为从345.5 MPa、263.5 MPa提高到395.4 MPa、343.8 MPa，分别提高了14%、30.5%；热导率由109.4 W/(m·K)降低到85.7 W/(m·K)。

（3）Zn含量提高对组织中相组成影响较小，断口组织中的韧窝和撕裂棱数量随Zn含量增加而增加，解理平台相对面积随Zn含量增加而减少，总体呈现脆性断裂特征。

李正伟 郝建飞 于宝义
沈阳工业大学材料科学与工程学院

陈明
东莞市青鸟金属材料有限公司

陈斌 李润霞
东莞理工学院材料科学与工程学院

本文来自:《特种铸造及有色合金》杂志2022年第42卷第05期