固溶处理对触变成形ZA27合金微观组织和硬度的影响

赵海静，陈体军

（兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050）

固溶处理对触变成形ZA27合金微观组织和硬度的影响

赵海静，陈体军

（兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050）

研究了固溶处理对经5年自然时效的触变成形ZA27合金硬度的影响，并应用扫描电镜（SEM）和XRD对金相显微组织做了进一步的研究。结果表明：在360℃下固溶处理24h后，合金的微观组织由近球状的初生粒子（黑色）和晶间的二次凝固组织转变为单一的β相。固溶处理对合金硬度的影响则是原始强化相η相的溶解与稳定的β相不断析出的综合结果。固溶处理开始几小时后，由于原始强化相的溶解，材料的硬度下降，而后随着固溶时间的增加，强化相的不断析出，硬度不断提高，当到一定的程度,组织出现了过饱和的亚稳态，硬度又开始降低。

ZA27合金；固溶处理；触变成形；硬度；微观组织

1 引言

在Zn-Al系列合金中，ZA27合金的力学性能最好，室温强度可达400MPa以上[1]，但锌基合金熔点低，高温强度和抗蠕变性差，即使是力学性能最好的ZA27合金使用温度一般不能超过95℃，并且尺寸稳定性差，大大限制了它的应用范围[2]。然而触变成型是一个新颖的合金加工技术，结合了铸造和锻造的因素，为生产提供了重要的优势，比如降低宏观偏析和孔隙度和较低的成型力度[3]。

众所周知，微观组织决定最终成分所表现的形貌，微观组织又由加工工艺和随后的热处理所决定。目前为止，有些研究人员已经研究了在部分重熔和随后的热处理下ZA27的微观组织演变过程[5，6]，和触变成型对此合金微观组织和力学性能的影响[7，8]。然而，固溶处理对触变成形ZA27合金微观组织的演变和力学性能影响的研究还是很少。故本文通过采用OM、SEM、XRD和EDS对自然时效了5年的触变成形ZA27合金的微观组织演变和力学性能进行了观察与分析，为随后的时效奠定了基础。

2 实验方法

实验所用ZA27合金的成分为：Zn-26.21Al-2.09Cu-0.013Mg（质量分数，%）。先通过金属型铸造制得ø70mm×165mm的ZA27坯料，再经机加工成ø65mm×110mm圆棒，送入型号为SG2-7.5-10坩埚电阻炉加热到半固态，然后通过DAK450-54型500t冷室压铸机压铸成型，形成ø15mm×165mm试棒。将其在室温下时效5年后，在试棒上截取ø15mm×10mm的试样。磨成金相样，在光学显微镜（腐蚀）和JSM-6700F场发射扫描电子显微镜（不腐蚀）上用背散射电子成像技术观察组织，并通过XRD对合金进行相分析。

为了研究固溶处理对触变成形ZA27合金微观组织和硬度的影响，两组试样均经过固溶处理，温度为360℃，其中一组放在烘箱中固溶 5min，20min，1h，4h，12h和24h等不同的时间，后经室温水淬，热处理试样经抛光后立即用JSM-6700F场发射扫描电子显微镜（不腐蚀）上用背散射电子成像技术观察组织，并通过XRD对合金进行相分析；另一组试样放在烘箱中固溶0.5h，1h，2h，4h，6h，12h，24，h，36h，48h，60h 和 72h 等不同时间，测量试样硬度时，固溶试样的两个表面采用砂纸磨平,为使测得值普遍性与准确性得到较好的平衡，后测维氏硬度。图5中列出的硬度值都是在试样的5个不同部位实验测量的平均值。

3 实验结果

3.1 固溶处理对触变成形ZA27合金微观组织的影响

图1所示分别为传统铸造ZA27合金和触变成形ZA27合金组织的整体形貌，传统铸造的ZA27合金是由初始晶粒（黑色）和晶间的共晶组织（灰色和白色）组成（图1（a））。触变成形ZA27合金组织则是由近球状的初生粒子（黑色）和晶间的二次凝固组织组成（图1（b））。将传统铸造ZA27锭料加热到半固态，保温一段时间获得一定均匀的等轴晶后直接进行半固态触变成形，可得到近球状的颗粒组织（图1（b））。在快速凝固和随后的时效过程中，α′相不稳定发生分解，β相也发生分解，且β相的分解与共晶组织有很大关系[9]。凝固后具有更多的晶界和更高的位错密度，呈现出的晶粒数量多、尺寸小且均匀的形貌特征[10]。

图1 ZA27合金组织的整体形貌

研究发现触变成形ZA27合金凝固初期组织是由初始α′相、包晶β相和共晶η+β相组成，而α′相和β相是不稳定的且在随后的冷却和时效过程中均发生分解，最终形成稳定的α相、η相和少量的ε相[11]。众所周知，从二元相图可知，对于ZA27合金来说，它有一个单相β相区，如图2所示，其中360℃正好在此区间，故选用360℃做为固溶温度[12]。此次实验即在360℃下固溶24h后ZA27合金转变为单一的β相。

图3所示为固溶处理前后的触变成形ZA27合金的XRD衍射图。如前面所述，固溶处理前的ZA27合金是由α相、η相和少量的ε相所组成，而固溶处理后的ZA27合金则是单一的β相组成，可还是可以观察到微量的η相，这说明在水淬后到X射线测试这段时间里已有微量β相发生了分解。

在360℃固溶处理的过程中，随着固溶时间的延长，触变成形ZA27合金中的α相、η相和少量的ε相逐渐被消耗转变成单一的β相，即通过了一个反应：α+η+ε→β[11]。从图 4（a）和（b）可看到 α′相和 β相之间的边界明显变模糊，灰色组织逐渐增多，晶粒也明显变小；随着固溶时间的延长，η相变少，只在大片的灰色组织中有相对多的白色η相，而其余共晶η相则零星的分布在灰色组织中（图4（c）），这是因为初始晶粒是富Al的α′相，而β相则是富Zn相，故需要大量的Zn参与此反应[6，13]。然而，只有晶间的共晶η相中含有大量的Zn元素，因此，共晶η相中的Zn原子扩散到初始晶粒处参与反应，最终转变为单一的β相，同时分解的β相也不再分解。随着反应的进行，初始晶粒和η相以及分解的β相逐渐融合在一起，转变成灰色的单一β相。固溶4h后大部分初始晶粒已经完全转化为β相，只能看到边界中存留有少量的α相，在β相与α相边界处隐约看见有少许亮白色的η相，以便η相中的Zn原子直接扩散到α相中致使转变为β相（图4（d））；在固溶12h时，大部分地区则已经转化为β相组织，极少数的地方存在如图4（f）所示这样的边界；直到固溶24h时，合金组织全部转变为单一的β相（图4（f）），然而，由于晶格方向不同，这些粒子不能彻底融合到一起，在其中间产生细薄的晶界[14]。故固溶处理后会形成多边形粒子，只是晶界太薄，在扫描电镜下观察不太清楚，只能看到一大片灰色组织。

图3 固溶处理前后的触变成形ZA27合金的X衍射图

3.2 固溶处理对触变成形ZA27合金硬度的影响

从图5可以看到：试样的硬度随着固溶时间的延长，开始呈下降趋势而后不断增加，在固溶4h之前，硬度呈下降趋势；4h固溶后，硬度提高的幅度较大；到24h后，硬度变化幅度较小；当时效时间达到48h时，硬度达到最大值，然后硬度开始下降。试样经固溶处理后，刚开始初始晶粒和共晶组织逐渐转变为β相，在4h之前，还可以看到较多的初始晶粒和η相（图4（c）），由于触变成形ZA27合金是时效5年的合金，故相组织相当的稳定，从图中可知，合金组织由近球状的初生粒子（黑色）和晶间的二次凝固组织组成，众所周知，η相是硬脆相，其中初始晶粒和η相所占比例较大，经过360℃固溶处理后均变得细小，且比例下降比较快，强化相溶解，大部分为转化为β相，硬度也因此变低。在图4（d）固溶4h的图片中只能看到边界中存留有少量的α相，在β相与α相边界处隐约看见有少许亮白色的η相，此后固溶处理合金的相组织转变比较缓慢，合金已经大部分转化为相对稳定强化相β相，因此硬度曲线的斜率很大，即硬度会大幅度的提高；当达到一定的时间后，组织已经全部转化为β相，整体浓度达到相对平衡，因此转变变相当缓慢直到停止，这时硬度曲线开始变得平缓；最后，由于微量合金元素的溶入,使基体成为过饱和的亚稳态,因此硬度开始下降。

图4 360℃下固溶处理不同时间的触变成形ZA27合金的SEM图

4 结论

（1）在360℃固溶处理中，时效5年的触变成形ZA27合金随着固溶时间的增加，由近球状的初生粒子（黑色）和晶间的二次凝固组织逐渐转变为单一的β相。

（2）触变成形ZA27合金在固溶处理过程中，硬度的变化是原始强化相溶解与强化相的不断析出的综合结果。随着固溶时间的增加，4h之前硬度呈下降趋势，而之后硬度开始急剧上升，然后趋于平缓，最后基体成为过饱和亚稳态时，硬度开始下降。

图5 360℃下固溶处理不同时间对触变成形ZA27合金的硬度的影响

[1] 郝远，陈体军，马颖.SiCp/ZA27复合材料的制备其机械性能[J].特种铸造及有色合金，1997（2）:28-30.

[2] 陈体军，郝远，寇生中，等.SiCp/ZA27复合材料高温性能的研究[A].先进制造技术[C].北京:机械工业出版社，1996：663-665.

[3]D.H.Kirkwood:Int.Mater.Rev.，1994，39，173-189.

[4]E.Gervias，R.J.Barnhurst and C.A.Loong：J.Met.，1985，37，43-47.

[5]T.Chen，Y.Hao，Y.Ma，S.Lu and G.Xu:Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2001，11，98-102.

[6]T.-J.Chen，Y.Hao and J.Sun:J.Mater.Proc.Tech.2004，148，8-14.

[7]T.-J.Chen，Y.Hao，J.Sun and Y.-D.Li:Mater.Sci.Eng.A，2005，A396，213-222.

[8]T.-J.Chen，Y.Hao，J.Sun and Y.-D.Li:Mater.Sci.Eng.A，2004，A38，90--103.

[9] 陈体军，郝远，孙军，等.ZA27合金的组织[J]．中国有色金属学报，2002，12（2）:294-299.

[10] 孙钢，游晓红.挤压成形半固态ZA27合金组织的SEM分析[J].电子显微学报，2004，23（4）:442.

[11]Z.-M.Zhang，J.-C.Wang and G.-C.Yang:J.Mater.Sci.，2000，35，3383-3388.

[12] T.Savaskan and S.Murphy:Mater.Sci.Technol.，1990，6，695-703.

[13] T-J.Chen，Y.Hao and J.Sun：J.Wuhan Univ.Tech.Mater.Sci.Edt.，2004，19，56-61.

[14] T.-J.Chen，Y.Hao and Y.D.Li.Mater.，Sci.，2007，vol.23（no.5），535-541.

Effects of Solution Treatment on Microstructure and Hardness of Thixoformed ZA27 Alloy

ZHAO HaiJing，CHEN TiJun
（State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu China）

The effect of solution treatment on the hardness of the thixoformed ZA27 alloy after natural aging for 5 years has been studied.The microstructure has been observed by SEM and XRD resulting in that the microstructure of the alloy became into polygonal β phase particles from spherical primary particles(in black)and interparticle secondarily solidified structures after solid solution treatment at 360℃for 24h.The effect of solution treatment on hardness of the alloy was the result of the solution of the hard brittle η phase and precipitation of β phase.The longer the solution time was，and the more the solution of the hard brittle η phase was，and the hardness decrease continuously.When the solution time was＞4h，the precipitate speed of the β phase might increase，so the increase in the hardness with solution time changed from slow to sudden.To some extent the improvement was stopped and then the hardness began to decrease.

ZA27 alloy；Solution treatment；Thixoforming；Hardness；Microstructure

TG 146.1+3；

A

1006-9658（2011）01-4

2010－09－15

2010－138

赵海静（1985-），女，硕士研究生，主要研究方向：锌基合金及其复合材料