均匀化退火对添加变质剂ZA27锌合金组织性能的影响

董哲林，周世强，韩 茜

(商洛学院，陕西 商洛 726000)

高铝锌基合金具有良好的综合力学性能、优异的铸造工艺性能、良好的耐摩擦磨损性能、熔炼能耗低、材料成本低、对环境基本无污染等特点，广泛用于耐磨合金以及制造汽车、电冰箱的零部件等[1]。但是，高铝锌基合金也存在一系列问题，如塑韧性差、尺寸稳定性差、高温性能差等缺点，严重阻碍了其应用领域的拓展[2]。目前对ZA27锌基合金的研究主要集中在合金化、变质处理和热处理方面，变质与热处理联合改性的研究还较少[3-5]。因此，本文探讨均匀化退火对添加变质剂Zr后的ZA27合金显微组织与性能的影响，为该高铝锌基合金的应用拓展提供一定依据。

1 实验材料及研究方法

实验原材料为ZA27合金和Al-5Zr中间合金。有研究表明，锌铝合金中加入0.2%锆时合金的力学性能较好，因此，试验首先熔制ZA27-0.2Zr合金。将称好的ZA27合金放入电阻坩埚炉中，表面添加适量覆盖剂，加热至680℃，待炉料全部熔化后加入称好的Al-5Zr中间合金，静置5min后搅拌，再将干燥后的精炼剂压入熔体中进行精炼，静置10min，扒渣。随后在600℃左右进行浇注，获得Zr含量为ZA27-0.2Zr合金。均匀化退火的温度通畅为0.90～0.95T熔，结合Zn-Al相图，选择试验的均匀化退火温度在330℃～450℃区间之内，因此，对ZA27-0.2Zr合金分别进行300℃、330℃、360℃、390℃、420℃、450℃保温0h、3h、6h、9h、12h、15h的均匀化退火处理。

2 试验结果和分析

2.1 铸态ZA27合金的显微组织

铸态ZA27锌合金的显微组织如图1。

图1 铸态ZA27合金的显微组织(a)100×(b)200×

结合ZA27合金凝固时的结晶过程和图1可知，合金铸态组织由粗大的初生富Al的α相树枝晶和晶间共晶组织构成。初生α相树枝晶发达，初生α相中存在富Zn的β'相，晶界处有白色富Cu的ε'相、枝晶间断续的网状组织为(α+ε+β)共晶组织。

2.2 变质后合金的显微组织

图2为添加变质剂Zr后ZA27锌合金的铸态显微组织。

图2 Zr变质后ZA27合金的铸态组织(a)100×(b)200×

由图2可知，Zr变质后ZA27合金的铸态组织仍然由丰富的初生α-Al枝晶和晶间的共晶组织构成，但是α-Al的枝晶形态发生了明显的改变，枝晶明显细化，枝晶间共晶组织分布更加均匀。

2.3 均匀化退火后的显微组织

图3为ZA27-0.2Zr合金在300℃分别保温0h、3h、6h、9h、12h、15h的显微组织。如图3所示，与未热处理的添加变质剂合金的显微组织相比，热处理后组织变的较为均匀。在300℃保温0h和3h后，组织变化并不明显。随着退火时间进一步延长，组织未有继续粗化的现象。

图3 ZA27-0.2Zr合金在300℃不同时间均匀化退火的显微组织

变质合金在330℃和360℃均匀化处理后组织变化与300℃相似，因此未列出。

上述分析可知，合金在390℃保温0h和3h后，组织变化并不明显。随着退火时间延长至6h，晶界处的组织明显变多，富Al的α相枝晶间距有明显变小的趋势。退火时间进一步延长，晶界处的组织进一步增多。这是由于退火处理后，均匀化过程中溶入基体的第二相析出，随着退火时间的延长，第二相析出的更完全。

2.4 布氏硬度分析

将变质前后及热处理前后的合金试样在HB-3000B布氏硬度计上进行布氏硬度测试。测量过程中，每个试样测量3个压痕，每个压痕读3次数据，再取平均值来减少误差。

图4 ZA27-0.2Zr变质合金经过热处理后的硬度变化趋势

铸态的ZA27锌合金布氏硬度为55.8HB，添加变质剂Zr后合金的硬度为59.0HB。可见，变质处理后合金硬度有所提高，这是由于Zr的添加使得晶核数目增多，晶粒发生了明显细化。

ZA27-0.2Zr变质合金经过热处理后的硬度变化趋势如图4所示。

由图4可知，与Zr变质后未热处理的试样硬度59.0HB相比，均匀化退火处理后试样的硬度均有所降低。这是因为均匀化退火处理后，合金内应力降低，导致材料硬度下降。在不同温度均匀化退火后，随着退火时间的延长，合金的硬度先增大后减小，在390℃均匀化9h退火后，硬度达57.9HB。在均匀化过程中，随着温度的升高及时间的延长，成分偏析和组织不均匀性得以消除，合金塑性将会提高。

3 结论

（1）Zr变质处理后，ZA27合金组织明显细化，硬度由55.8HB提高到59.0HB，均匀化退火处理后，硬度较变质后降低。在不同温度均匀化退火后，随着退火时间的延长，合金的硬度先增大后减小，在390℃均匀化9h退火后，硬度达57.9HB。

（2）ZA27-0.2Zr变质合金均匀化退火处理时，当退火温度一定时，随着保温时间延长，合金中的组织变得均匀，第二相数量增多，晶粒略有长大的趋势。当保温时间一定时，温度越高，第二相数量越多，组织越早趋于均匀化，但均未达到完全均匀化。