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