原標題：鑄造Al-Zn-Si-Cu合金的力學與導熱性能研究

摘要：采用壓鑄成形工藝制備了Al-xZn-8Si-2Cu(x=12、14、16、18)合金型材。使用OM、SEM分析不同Zn含量對合金的微觀組織形貌的影響，進一步分析Zn含量對力學性能及導熱性能的影響規(guī)律。結果表明，當合金中Zn含量從12%提升到18%時，固溶在α-Al基體中的Zn含量提高，對合金起到固溶強化作用，同時共晶Si尺寸增大形成尖角導致應力集中；合金的抗拉強度和屈服強度分別為從345.5 MPa、263.5 MPa提高到395.4 MPa、343.8 MPa；伸長率略微降低；熱導率由109.4 W/(m·K)降低到85.7 W/(m·K)。

鋁合金具有密度小、強度高、綜合性能良好等優(yōu)點，因此被廣泛應用于散熱器、電子通訊等領域。隨著科技的日益發(fā)展與進步，電子產(chǎn)品不斷趨于輕量化、微型化，人們對電腦、手機、平板等電子產(chǎn)品的運行性能要求也與日俱增。電子產(chǎn)品運行性能的提高需要以材料良好的導熱性能與力學性能為支撐。根據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，有55%左右的電子零件由于設備過熱或其他熱相關的問題而失效，而半導體元件的溫度升高10 ℃也會導致其服役可靠性降低50%左右，并且當元器件在較高的溫度下工作時，其失效率也會隨著溫度的升高而升高。電子產(chǎn)品在日常使用過程中面對的撞擊、跌落、彎曲等情況造成的設備損壞需要通過提高材料的力學性能來改善。目前已有材料的綜合性能難以同時滿足設備運行時散熱和力學性能要求，因此，為電子產(chǎn)品開發(fā)具有高強度高導熱的材料變得尤為重要。

影響鋁合金導熱性能和力學性能的因素較多，主要包括以下3個方面：①合金元素及其形成相在鋁基體中的固溶度。通過影響鋁基體晶格畸變的程度來影響合金的熱導率；其他元素與Al之間或者其他元素之間形成強化相來影響強度；②雜質與缺陷。其數(shù)量越多，合金的致密度越差，熱導率也就越低，強度越低。③熱處理。通過影響合金中相的形態(tài)、尺寸和分布來改變對運動電子的散射作用，進而影響合金的熱導率，以及強化相的析出情況都在一定程度上對鋁合金的熱導率及力學性能有影響，其中合金元素是影響合金熱導率及力學性能的主要因素之一，主要取決于合金元素的存在形式和含量。基于國內外的研究現(xiàn)狀，鄧邦惠等研究表明，Al10SiMnMg壓鑄成形后其熱導率為125 W/(m·K)，抗拉強度與屈服強度分別為155 MPa、80 MPa。傳統(tǒng)ZL101低壓鑄造成形后其熱導率為125 W/(m·K)，抗拉強度與屈服強度分別為155 MPa、95 MPa。但是，傳統(tǒng)Al-Si合金的導熱性能和力學性能均具有一定的局限性，不能完全滿足實際工業(yè)生產(chǎn)及應用的需求。由于Zn在α-Al中的固溶度較低，對熱導率的負面作用較小，通過Zn元素的添加，在保證Al-Zn合金良好的導熱性能的前提下，有望進一步提高鋁合金的鑄態(tài)室溫力學性能。因此，本試驗采用Zn作為強化元素，研究Zn含量為12%~18%的Al-Zn合金中顯微組織、熱導率以及力學性能的變化趨勢。同時，本試驗借助SEM、OM、XRD等檢測手段，分析Zn在合金內部存在形式，以揭示Zn對Al-Zn合金力學性能和熱導率的影響規(guī)律。

1、試驗方法

1.1 試驗原料

試驗合金的化學成分見表1。原材料采用純鋁、純Zn、純Cu、Al-30Si、Al-10Mn和Al-10Fe中間合金配制而成。

表1 Al-Zn合金的化學成分

1.2 試驗方法

將純鋁加入到電阻爐中加熱熔化，熔煉溫度為730 ℃。后續(xù)加入Al-10Mn中間合金、Al-10Fe中間合金、Zn、Cu以及Al-30Si中間合金，待所有合金全部熔化后使用鉬棒攪拌，使合金成分分布均勻。然后靜置，扒渣后壓鑄拉伸試樣，壓鑄試樣尺寸見圖1。其中加入少量Fe便于鑄件脫模。但由于Fe會降低合金的力學性能，因此，加入少量Mn降低Fe的負面影響。采用HD-B615-A-S型微機控制電子萬能材料試驗機進行拉伸測試。將試樣表面磨拋至光潔，采用FIRST FD-102渦流電導儀進行電導率測試。試樣經(jīng)過機械拋光后在ZEISSM10A掃描電鏡下進行觀察組織形貌及斷口形貌。

圖1 拉伸試樣尺寸圖

2、試驗結果與分析

2.1 Zn含量對合金的力學性能的影響

圖2和圖3分別為合金力學性能隨Zn含量的變化規(guī)律。可以看出，隨著Zn含量從12%提高到18%，合金的抗拉強度和屈服強度逐漸提高，抗拉強度從345.5 MPa提高到395.4 MPa，屈服強度從263.5 MPa提高到343.9 MPa，分別提高了14.4%、30.5%；伸長率隨著Zn含量的提高逐漸降低，由1.72%降低到1.15%。由此可見，合金中Zn含量的提高可以極大的提高合金的強度，但會使合金的塑性降低。

圖2 不同Zn含量下Al-Zn合金的強度

圖3 不同Zn含量下Al-Zn合金的伸長率

2.2 斷口形貌分析

圖4為不同Zn含量下Al-Zn合金的拉伸斷口形貌。可以看出，合金的斷口組織主要由少量解理平臺、大量韌窩和撕裂棱組成。隨著合金中Zn含量增加，合金斷口組織中存在的韌窩數(shù)量和撕裂棱逐漸減少，解理平臺面積相對增多。Zn含量增加到18%后，斷口組織中的韌窩和撕裂棱數(shù)量達到最少，總體呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

圖4 Al-xZn-8Si-2Cu合金的斷口形貌

2.3 Zn含量對熱導率的影響

圖5為熱導率隨Zn含量的變化規(guī)律。可以看出，隨著Zn含量的增加，合金的熱導率呈下降趨勢。由109.4 W/(m·K)降低到85.6 W/(m·K)，降低了21.8%。金屬材料熱傳導過程的實質是自由電子的熱傳導和晶格振動產(chǎn)生的熱量。根據(jù)金屬材料的晶體特征，金屬材料的熱傳導方式以自由電子的熱傳導為主，因此金屬的熱導率和電導率存在一定的關系，即Wiedemann-Franz定律。

式中，λ為材料的熱導率；δ是材料的電導率；L是材料的洛倫茲常數(shù)，鋁的洛倫茲常數(shù)為；T為熱力學溫度。

根據(jù)經(jīng)典的導電導熱理論，金屬材料中的缺陷、晶界以及晶格畸變越少，金屬材料的晶格越完整，其對電子的散射作用越小，導熱性能也就越好。

Zn的添加對合金的熱導率有重要影響。Zn一部分溶解到α-Al基體中，改變了合金內部原有的晶格點陣，使晶格畸變增多。一部分未能溶解入基體，在晶界處形成富Zn相，減小了電子移動平均自由程，加大了電子通過的難度，從而使熱導率降低。

圖5 不同Zn含量合金的熱導率

2.4 Zn對Al-Zn合金顯微組織的影響

圖6為不同Zn含量下Al-Zn合金的顯微組織。可以看出，Al-12Zn-8Si-2Cu合金中α-Al枝晶較為粗大，共晶組織中Si形態(tài)相對細小，分布也比較均勻，因此的伸長率也相對較高。將合金中的Zn含量提高到14%時，α-Al枝晶尺寸明顯變小，并且固溶在α-Al基體的Zn含量提高，對合金起到固溶強化作用。隨著Zn含量繼續(xù)提高到18%，α-Al枝晶尺寸進一步變小，固溶強化作用進一步增強，所以屈服強度得到提升；另一方面，Zn的加入使共晶Si尺寸增大，這些尺寸變大的共晶Si存在一些銳利的尖角，會發(fā)生應力集中，會降低合金的伸長率；同時Zn含量增加導致的固溶在α-Al基體中的Zn含量提高使晶格缺陷增多，從而降低熱導率。

圖6 Al-xZn-8Si-2Cu合金的金相組織

2.5 XRD及EDS物相分析

圖7為不同Zn含量的Al-Zn合金XRD圖。可以看出，Al-xZn-8Si-2Cu合金主要由Al、Al2Cu、Zn、Si、Al6（FeMn）等5種相組成。隨著Zn含量的提高，Zn含量的變化對合金的相組成沒有影響，且不含Zn的相的峰值以及位置未發(fā)生變化，而含Zn相的峰值有所提高，峰強度增加。

圖7 不同Zn含量鋁合金的XRD圖

圖8為不同Zn含量的Al-Zn合金SEM形貌，其中A處白色點狀相為在晶界處未溶解的富Zn相。可以看出，由于Zn在Al中極限溶解度可達32.8%，合金凝固過程中較多的Zn溶解進基體中，且由于該位置在Al基體附近，因此EDS結果中主要元素含量為Al，Zn含量較低。B處灰色塊狀為初生Si相，C處呈漢字狀的為Al6(FeMn)相。由于Fe、Mn含量較低，并且形成較少為漢字狀Al6(FeMn)相，不會對組織產(chǎn)生割裂作用，因此對合金的力學性能影響較小。D處灰白色短棒狀為Al2Cu相。隨著Zn含量的增加，第二相粒子的形貌、數(shù)量以及尺寸變化不明顯。可見，Zn含量的提高對于合金中第二相粒子影響不大，此結果也與XRD結果相符合。

圖8 Al-xZn-8Si-2Cu合金SEM形貌

表2 Al-xZn-8Si-2Cu(x=12、14、16、18)EDS結果 %

3、結論

（1）隨著Zn含量提高，固溶在α-Al基體中的Zn含量不斷提高，對合金起到固溶強化作用，同時還使共晶Si尺寸增大，這些尺寸變大的共晶Si存在一些銳利的尖角，會發(fā)生應力集中，會降低合金的伸長率；固溶在α-Al相中的Zn含量提高會使晶格缺陷增多，降低熱導率。

（2）Zn含量的提高可以顯著提升合金的強度，但會降低合金的伸長率和熱導率，當合金的Zn含量從12%提升到18%時，合金的抗拉強度和屈服強度分別為從345.5 MPa、263.5 MPa提高到395.4 MPa、343.8 MPa，分別提高了14%、30.5%；熱導率由109.4 W/(m·K)降低到85.7 W/(m·K)。

（3）Zn含量提高對組織中相組成影響較小，斷口組織中的韌窩和撕裂棱數(shù)量隨Zn含量增加而增加，解理平臺相對面積隨Zn含量增加而減少，總體呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

李正偉 郝建飛 于寶義
沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院

陳明
東莞市青鳥金屬材料有限公司

陳斌 李潤霞
東莞理工學院材料科學與工程學院

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第05期