Al- 4.3Zn- 1.4Mg合金鑄態(tài)組織研究

徐克宇，王海彬，路麗英，張輝玲，劉世雷，賈寧，陳雷

(東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150060)

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Al- 4.3Zn- 1.4Mg合金鑄態(tài)組織研究

徐克宇，王海彬，路麗英，張輝玲，劉世雷，賈寧，陳雷

(東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150060)

采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析以及差熱分析，研究了Al- 4.3Zn-1.4Mg鋁合金的鑄態(tài)組織以及鑄錠的過燒溫度。結(jié)果表明，Al-4.3Zn-1.4Mg鋁合金的鑄態(tài)組織中主要存在T相、Mg2Si相和AlFeMn三種結(jié)晶相；過燒溫度為479℃。

Al-Zn-Mg合金；鑄態(tài)組織；T相

近20年來，我國在7xxx系鋁合金的研發(fā)方面，主要把精力放在了高強(qiáng)、超高強(qiáng)的鋁合金上，中強(qiáng)可焊鋁合金發(fā)展較緩慢。目前，國內(nèi)對中強(qiáng)可焊Al-Zn-Mg合金的研究較少且多是仿制[1]。我國高速列車的發(fā)展，需要大量中強(qiáng)可焊Al-Zn-Mg合金[2]，但我國對該合金還沒有形成能滿足各種高速列車制造要求的完整合金體系，在合金成分優(yōu)化、合金冶金質(zhì)量控制、材料加工及熱處理等方面還缺少系統(tǒng)研究。

為此，本文著重研究了一種Al-4.3Zn-1.4Mg合金扁鑄錠的鑄態(tài)組織，分析了鑄態(tài)組織中存在的相及其形態(tài)，以期為Al-4.3Zn-1.4Mg合金扁鑄錠后續(xù)的熱處理等工藝提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及過程

試驗(yàn)用合金鑄錠的化學(xué)成分見表1，其規(guī)格為300mm×1000mm×1320mm。低倍試樣是將原始鑄錠進(jìn)行切割并銑光，銑光深度為1.4mm，取樣方法如圖1所示。高倍試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光后用蔡司金相顯微鏡進(jìn)行觀察，JEOL2000型掃描電鏡進(jìn)行微觀組織和相成分分析。

表1 試驗(yàn)合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1-鑄錠表面處；3-鑄錠表面至中心1/2處，5-鑄錠厚度中心處圖1 低倍試樣取樣圖示Fig.1 Schematic illustration of sampling

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 合金扁鑄錠的低倍組織分析

試驗(yàn)合金半連續(xù)扁鑄錠表面處、表面至中心1/2處和中心處的鑄錠低倍組織如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)合金半連續(xù)扁鑄錠不同區(qū)域的低倍觀察Fig.2 Macrostructure of tested alloy in semi continuous casting in different areas of ingot

由圖2可見，該鑄錠未見冶金缺陷；在鑄錠表面至中心1/2處，晶粒細(xì)??；在表面處和中心處晶粒略大，總體來看晶粒大小比較均勻。測得鑄錠表面處最大晶粒1.5mm、最小晶粒0.8mm、平均1.2mm；表面至中心1/2處最大晶粒1.1mm、最小晶粒0.5mm、平均0.8mm；鑄錠中心處最大晶粒1.3mm、最小晶粒 0.7mm、平均1.0mm。

2.2 合金扁鑄錠的高倍組織分析

圖3為鑄錠不同位置的金相組織照片。由圖3(a)可見，鑄錠表面在凝固過程中形成了大量的網(wǎng)狀枝晶，且分布不均勻，同時(shí)在枝晶晶干邊界附近產(chǎn)生了大量尺寸極其細(xì)小的析出物。此外，鑄錠表面附近的組織中還存在一些灰色條塊狀結(jié)晶相，其尺寸較粗大。由圖3(b)可見，此處枝晶網(wǎng)較鑄錠表面處的略有粗化，沿枝晶晶干邊界附近析出的尺寸極其細(xì)小的析出相數(shù)量減少，同時(shí)，晶粒尺寸略有減?。换w中仍存在大量灰色條塊狀結(jié)晶相，但其尺寸與鑄錠表面處的相比較小。由圖3(c)可見，鑄錠中心處顯微組織與鑄錠橫斷面表面至厚度中心1/2處組織相似。

(a)鑄錠表面處；(b)鑄錠表面至中心1/2處；(c)鑄錠中心處圖3 鑄錠不同位置的組織照片F(xiàn)ig.3 Micrographs showing microstructure of ingot in different positions

綜上所述，沿合金鑄錠厚度方向不同位置處，均存在大量呈條狀或個(gè)別略呈共晶形態(tài)的灰色結(jié)晶相，主要分布于晶界處。這是由于工業(yè)上采用直接水冷半連續(xù)鑄造生產(chǎn)工藝，使得在鑄錠中形成大量的非平衡凝固共晶體，造成嚴(yán)重的成分偏析現(xiàn)象，必須在均勻化處理時(shí)使其充分溶入合金基體中并擴(kuò)散均勻。根據(jù)鑄錠不同位置處結(jié)晶相的形態(tài)和數(shù)量特征可發(fā)現(xiàn)，在鑄錠表面處結(jié)晶相數(shù)量較多，且尺寸也較其它位置粗大，因此綜合來看鑄錠表面至厚度中心1/2處的組織較為均勻。

2.3 合金扁鑄錠的SEM分析

金相組織觀察僅能測定合金鑄錠中各類相的形貌與分布，為了進(jìn)一步確定其成分和組成需進(jìn)行掃描電鏡能譜分析。圖4為鑄錠表面處SEM背散射照片以及各掃描點(diǎn)的元素組成含量與能譜圖。由圖4可見，淺灰色含AlZnMg的相有兩種形態(tài)即塊狀(如探測點(diǎn)1)和共晶形態(tài)(如探測點(diǎn)3)，黑色相為含高M(jìn)g和Si的相(如探測點(diǎn)2)。

圖5為鑄錠橫斷面中心處的SEM背散射照片以及各掃描點(diǎn)的能譜圖。由圖5可知，掃描點(diǎn)1為T相(Al2Mg3Zn3相)；掃描點(diǎn)2中淺黑色的帶狀合金相為含Ni相，該相主要分布于T相上；掃描點(diǎn)3主要為含F(xiàn)e相，還含有少量的Mn元素；掃描點(diǎn)4主要為Mg2Si相，該相呈深黑色，廣泛分布于基體中。

綜上述，試驗(yàn)合金扁錠鑄態(tài)組織中主要存在的結(jié)晶相,淺灰色條狀或塊狀主要含AlFeMn的結(jié)晶相，少量亮灰色條狀或橢球狀T相(Al2Mg3Zn3相)以及黑色細(xì)小圓球狀且常附著在T相上的Mg2Si相。

2.4 合金扁鑄錠過燒溫度的確定

為了后續(xù)制定合理的均勻化處理制度，需要確定試驗(yàn)合金鑄錠的過燒溫度，因此分別對試驗(yàn)合金扁鑄錠橫斷面上接近鑄錠表面處以及鑄錠厚度中心處進(jìn)行了DSC分析，分析結(jié)果見圖6和圖7。

圖4 鑄錠橫斷面表面處的SEM背散射照片及各掃描點(diǎn)的能譜分析Fig.4 SEM image and EDS-measured composition of each scanning point on the surface of ingot cross section

圖5 鑄錠橫斷面中心處的SEM背散射照片及各掃描點(diǎn)的能譜分析Fig.5 SEM image and EDS-measured composition of each scanning point at the center of ingot cross section

由圖6、7可見，試驗(yàn)合金扁鑄錠表面處和中心處的DSC分析曲線上，在479℃至480℃之間均開始出現(xiàn)吸熱峰，表明合金扁鑄錠在479～480℃存在開始熔化的低熔點(diǎn)產(chǎn)物，可以確定試驗(yàn)合金扁鑄錠的過燒溫度為479℃。但由于此時(shí)出現(xiàn)的吸熱峰對應(yīng)的熱焓均較小，分別為0.4849J/g和0.1728J/g，表明在此溫度區(qū)間300mm厚合金扁鑄錠開始熔化的低熔點(diǎn)產(chǎn)物并不多，較容易通過鑄錠均勻化處理將其消除。

圖6 接近鑄錠表面處的DSC分析結(jié)果 圖7 鑄錠厚度中心處的DSC分析結(jié)果Fig.6 DSC curve for the surface of ingot Fig.7 DSC curve for the mid-depth of ingot

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)合金扁錠鑄態(tài)組織中存在的結(jié)晶相主要有含AlFeMn的結(jié)晶相， T相(Al2Mg3Zn3相)和Mg2Si相；

(2)試驗(yàn)合金扁鑄錠的過燒溫度為479℃。

[1] 牛得田.鋁合金車體在軌道車輛上的應(yīng)用及展望[J].機(jī)車車輛工藝，2003(03)：1-2.

[2] 倪培相，左秀榮，吳欣鳳.Al-Zn-Mg系合金的研究現(xiàn)狀[J].輕合金加工技術(shù),2007,35(1)：7-11.

Study of As-Cast Microstructure of Al- 4.3Zn-1.4Mg Alloy

XU Keyu, WANG Haibin, LU Liying, ZHANG Huiling, LIU Shilei, JIA Ning, CHEN Lei

(Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

The paper studied as-cast microstructure of Al-4.3Zn-1.4Mg alloy and the overburnt temperature of ingot using OM, SEM, EDS and DTA. The results showed that T phase, Mg2Si phase and AlFeMn phase were observed in as-cast microstructure of Al-4.3Zn-1.4Mg alloy; the overburnt temperature was 479℃.

Al-Zn-Mg alloy; as-cast microstructure; T phase

2014-11-17

徐克宇(1983-)，男，工程師。

TG335.6

A

1671-6795(2015)03-0017-04