Sc對Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金擠壓鑄造組織性能的影響
何 敏 李 豹 高志華 徐 駿
（北京有色金屬研究總院國家有色金屬復合材料工程技術研究中心）
摘 要 采用電阻爐熔煉了A1-7. 2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu-0. 2Zr和A1-7. 2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu-0. 2Sc-0. 2Zr兩種鋁合金，在700～720℃擠壓鑄造成形，并經(jīng)過465℃×24 h+475℃×8h水淬+120℃×24 h時效熱處理。結果表明，Se、Zr的復合添加能明顯細化a~Al基體和晶間第二相；通過多級固溶和時效處理，顯著提高了合金的力學性能，鑄件的抗拉強度達到613MPa,屈服強度達到528 M Pa，伸長率為6%。
關鍵詞 Al-Zn-Mg-Cu合金；Sc;擠壓鑄造；組織性能
中圖分類號 TG146. 21; TG249.9 DOI:10. 15980/j. tzzz. 2016. 06. 011
近年來，節(jié)能和環(huán)保受到世界各國的普遍重視。因此，降低能源消耗，減少碳排放量，已成為交通運輸業(yè)的主要研究課題。交通運輸工具自身輕量化可有效降低燃油消耗并減少污染物排放。“以鋁代鋼”得到重視。但由于傳統(tǒng)鑄造鋁合金強度低，無法滿足重型、高速交通工具對材料的高性能要求，而變形高強鋁合金具有優(yōu)良的力學性能，但材料成本高，加工難度大，限制了其應用范圍。
因此，本課題通過復合添加Sc、Zr來細化Al-Zn-Mg-Cu合金鑄件的凝固組織，并通過多級固溶和時效的熱處理方法，提高鑄件的力學性能。通過這些處理使變形鋁合金鑄件的力學性能指標滿足使用要求。
1．試驗材料及方法
1.1試驗合金
原料采用99. 9%（質量分數(shù)，下同）的高純Al、電解Cu、純Mg、純Zn、Al-4Zr和Al-2Sc中間合金。采用電阻爐熔煉，為了控制Mg的燒損，其燒損率定為10%。采用電感耦合直讀光譜計測得配制的合金成分見表1。
1.2試驗方法
合金熔煉在電阻爐中進行，采用高純石墨坩堝。熔煉過程中所用的鐵質工具均噴涂氮化硼涂料，防止熔體增Fe。經(jīng)除氣、精煉和除渣后在熔體溫度為720℃時澆注。
擠壓鑄造采用LYF-400SA型油壓機，最大加壓壓力為4 000 k N，液壓缸最大快下速度為100 mm/s，最大加壓速度為10 mm/s。模具預熱到200～300℃后，噴刷石墨涂料，烘干。在720℃時將熔體澆入模具，成形壓力為100 M Pa，保壓時間為25～30 s，鑄件質量為3.4 kg，鑄件形貌見圖1。
熱處理試驗采用SX2系列箱式電阻爐，工藝為465℃×24 h+475℃×8 h+水淬+120℃×24 h時效。
對鑄態(tài)、固溶態(tài)、時效態(tài)試樣采用MPD-2雙盤臺式金相磨拋機，進行粗磨、細磨和拋光，用無水酒精對試樣進行清洗，使用ZEISS 200MAT型金相顯微鏡進行組織觀察和圖像采集。使用HD-1875型布氏硬度計對合金試樣進行硬度測試。合金拉伸試樣根據(jù)GB/T228-002進行加工，試樣尺寸見圖2。
2 試驗結果與分析
2.1 Sc、Zr的復合添加對合金晶粒形貌的影響
圖3為A1-7. 2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu-0. 2Zr和A1-7. 2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu-0. 2Sc-0. 2Zr合金的鑄態(tài)組織，可以看出，未添加Sc的合金擠壓鑄造組織中初生a-Al主要是發(fā)達的樹枝晶組織，且枝晶主干和二次枝晶臂都較粗大，晶粒尺寸達到250μm左右。在添加0.2%的Sc后，合金組織明顯得到細化，消除了粗大的枝晶組織，a-Al基本為細小的等軸晶，晶粒尺寸減小到50μm左右。
在非平衡凝固條件下，Al-Zn-Mg-Cu合金的微量Sc -部分固溶于a-Al基體中，另一部分則以Al3(Sc，Zr)粒子形式存在。Al3(Sc，Zr)粒子晶體結構為面心結構，與a-AI基體相同，晶格常數(shù)為0.410 3 nm，非常接近a-Al的品格常數(shù)0.404 8 nm。根據(jù)非均勻形核理論，Al3(Sc，Zr)粒子具有高效的形核作用。所以，添加微量Sc后，合金組織明顯得到細化，并且消除了粗大的樹枝晶組織，為細小的等軸晶。此外該粒子高溫下還具有更好的的熱穩(wěn)定性，同時還能降低成本。
圖4為兩種合金的鑄態(tài)組織SEM形貌，可以看出，復合添加Sc、Zr的合金比單獨添加Zr的合金，其晶間第二相較少且細小。這是由于Sc既能細化晶粒，同時還有提高溶質原子的固溶度。
2.2 多級固溶十時效熱處理對合金第二相粒子的影響
圖5是A1-7. 2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu-0. 2Zr合金鑄態(tài)試樣高倍顯微組織，可以看出其鑄態(tài)組織主要有粗大的樹枝晶和片層狀的晶間第二相組成。．圖5a和圖5b分別是a-Al基體和晶界上的第二相粒子SEM照片，根據(jù)EDS能譜分析表明，其為含Cu的T-Al2 Mg3 Zn3相。
圖6是A1-7. 2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu-0. 2Sc-0. 2Zr合金鑄態(tài)試樣高倍顯微組織，圖6a是分布在晶界處顏色較暗，尺寸較小的晶間第二相，根據(jù)EDS能譜分析表明，其為含Cu的T-Al2 Mg3 Zn3相；圖6b是分布在a-Al基體中尺寸較大的方塊形第二相，該粒子主要有Al、Sc、Zr，且Al與(Sc，Zr)的摩爾比約為3:1，因此該粒子即為Al3 (Sc，Zr)粒子。
圖7是兩種合金經(jīng)過465℃×24 h+475℃×8h固溶處理水淬后的顯微組織。除了圖7b中少量方塊狀的粒子外，在圖7a和圖7b中并沒有發(fā)現(xiàn)片層狀的T相。方塊狀第二相粒子形貌及成分見圖8，根據(jù)EDS能譜分析表明，其為Al3(Sc，Z r)粒子。由此表明，兩種合金經(jīng)過固溶處理后晶間難溶的T相能夠充分固溶到基體內，且固溶處理對Al3 (Sc，Z r)粒子沒有明顯影響。
2.3 多級固溶十時效熱處理對合金力學性能的影響
圖9為A1-7.2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu合金中添加0.2%的Z r和復合添加0.2%的Sc、0.2%的Z r后，所制得的兩種合金分別在鑄態(tài)、固溶態(tài)和固溶十時效態(tài)的硬度。由圖9可見，復合添加Sc、Z r后，合金在兩種熱處理狀態(tài)下，復合添加Sc、Z r的合金的硬度都明顯高于單獨添加Z r的合金。A1-7. 2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu-0. 2Zr合金的鑄態(tài)跟固溶態(tài)的硬度沒有明顯變化。這是由于單獨添加Z r的合金組織為粗大的樹枝晶，固溶強化的效果并不明顯，所以固溶處理后，硬度沒有明顯變化。同時合金在經(jīng)過多級固溶和時效熱處理后的硬度較鑄態(tài)時都明顯得到了提高。
圖10是A1-7. 2Zn-2.2Mg-1. 8Cu合金添加Sc、Z r后的力學性能。由圖10可見，單獨添加Z r的合金的抗拉強度為587 M Pa，屈服強度為503 M Pa，伸長率為6．0%；合金中復合添加Sc、Z r后抗拉強度為613 M Pa，屈服強度為528 M Pa，伸長率為6.0%。結果表明，復合添加Sc、Z r后合金的抗拉強度和屈服強度都得到了明顯提高，而伸長率無明顯變化。
3 結 論
(1) Sc、Z r元素的復合添加對A1-7. 2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu合金具有非常明顯的細化作用，能夠顯著細化合金凝固組織，形成非枝晶組織，能提高合金元素的固溶度。的熱處理后，其晶間難溶第二相基本消失，能夠充分溶入基體中。
(3)復合添加Sc、Z r元素和T6熱處理后，A1-7.2Zn-2. 2Mg-1. 8Cu-0. 2Sc-0. 2Zr合金的抗拉強度、屈服強度和硬度都得到了明顯提高：平均抗拉強度提高到613 M Pa，平均屈服強度提高到528 M Pa，硬度(HB)提高到184，而伸長率不變。表明復合添加Sc、Z r較單獨添加Z r具有更好的強度效果。
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