原標(biāo)題：鑄造Al-Zn-Si-Cu合金的力學(xué)與導(dǎo)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(jìn)一步分析Zn含量對力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)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(qiáng)化作用，同時共晶Si尺寸增大形成尖角導(dǎo)致應(yīng)力集中；合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(dǎo)率由109.4 W/(m·K)降低到85.7 W/(m·K)。

鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、綜合性能良好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于散熱器、電子通訊等領(lǐng)域。隨著科技的日益發(fā)展與進(jìn)步，電子產(chǎn)品不斷趨于輕量化、微型化，人們對電腦、手機(jī)、平板等電子產(chǎn)品的運(yùn)行性能要求也與日俱增。電子產(chǎn)品運(yùn)行性能的提高需要以材料良好的導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能為支撐。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，有55%左右的電子零件由于設(shè)備過熱或其他熱相關(guān)的問題而失效，而半導(dǎo)體元件的溫度升高10 ℃也會導(dǎo)致其服役可靠性降低50%左右，并且當(dāng)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(shè)備損壞需要通過提高材料的力學(xué)性能來改善。目前已有材料的綜合性能難以同時滿足設(shè)備運(yùn)行時散熱和力學(xué)性能要求，因此，為電子產(chǎn)品開發(fā)具有高強(qiáng)度高導(dǎo)熱的材料變得尤為重要。

影響鋁合金導(dǎo)熱性能和力學(xué)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(dǎo)率；其他元素與Al之間或者其他元素之間形成強(qiáng)化相來影響強(qiáng)度；②雜質(zhì)與缺陷。其數(shù)量越多，合金的致密度越差，熱導(dǎo)率也就越低，強(qiáng)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(yùn)動電子的散射作用，進(jìn)而影響合金的熱導(dǎo)率，以及強(qiáng)化相的析出情況都在一定程度上對鋁合金的熱導(dǎo)率及力學(xué)性能有影響，其中合金元素是影響合金熱導(dǎo)率及力學(xué)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(nèi)外的研究現(xiàn)狀，鄧邦惠等研究表明，Al10SiMnMg壓鑄成形后其熱導(dǎo)率為125 W/(m·K)，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度分別為155 MPa、80 MPa。傳統(tǒng)ZL101低壓鑄造成形后其熱導(dǎo)率為125 W/(m·K)，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度分別為155 MPa、95 MPa。但是，傳統(tǒng)Al-Si合金的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能均具有一定的局限性，不能完全滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用的需求。由于Zn在α-Al中的固溶度較低，對熱導(dǎo)率的負(fù)面作用較小，通過Zn元素的添加，在保證Al-Zn合金良好的導(dǎo)熱性能的前提下，有望進(jìn)一步提高鋁合金的鑄態(tài)室溫力學(xué)性能。因此，本試驗(yàn)采用Zn作為強(qiáng)化元素，研究Zn含量為12%~18%的Al-Zn合金中顯微組織、熱導(dǎo)率以及力學(xué)性能的變化趨勢。同時，本試驗(yàn)借助SEM、OM、XRD等檢測手段，分析Zn在合金內(nèi)部存在形式，以揭示Zn對Al-Zn合金力學(xué)性能和熱導(dǎo)率的影響規(guī)律。

1、試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)合金的化學(xué)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(xué)成分

1.2 試驗(yàn)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(xué)性能，因此，加入少量Mn降低Fe的負(fù)面影響。采用HD-B615-A-S型微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測試。將試樣表面磨拋至光潔，采用FIRST FD-102渦流電導(dǎo)儀進(jìn)行電導(dǎo)率測試。試樣經(jīng)過機(jī)械拋光后在ZEISSM10A掃描電鏡下進(jìn)行觀察組織形貌及斷口形貌。

圖1 拉伸試樣尺寸圖

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Zn含量對合金的力學(xué)性能的影響

圖2和圖3分別為合金力學(xué)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸提高，抗拉強(qiáng)度從345.5 MPa提高到395.4 MPa，屈服強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dá)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(dǎo)率的影響

圖5為熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)過程的實(shí)質(zhì)是自由電子的熱傳導(dǎo)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(dǎo)方式以自由電子的熱傳導(dǎo)為主，因此金屬的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率存在一定的關(guān)系，即Wiedemann-Franz定律。

式中，λ為材料的熱導(dǎo)率；δ是材料的電導(dǎo)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(xué)溫度。

根據(jù)經(jīng)典的導(dǎo)電導(dǎo)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(dǎo)熱性能也就越好。

Zn的添加對合金的熱導(dǎo)率有重要影響。Zn一部分溶解到α-Al基體中，改變了合金內(nèi)部原有的晶格點(diǎn)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(dǎo)率降低。

圖5 不同Zn含量合金的熱導(dǎo)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(xì)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(qiáng)化作用。隨著Zn含量繼續(xù)提高到18%，α-Al枝晶尺寸進(jìn)一步變小，固溶強(qiáng)化作用進(jìn)一步增強(qiáng)，所以屈服強(qiáng)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(yīng)力集中，會降低合金的伸長率；同時Zn含量增加導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)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(diǎn)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(dá)32.8%，合金凝固過程中較多的Zn溶解進(jìn)基體中，且由于該位置在Al基體附近，因此EDS結(jié)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A(yù)l6(FeMn)相，不會對組織產(chǎn)生割裂作用，因此對合金的力學(xué)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(jié)果也與XRD結(jié)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(jié)果 %

3、結(jié)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(qiáng)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(yīng)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(dǎo)率。

（2）Zn含量的提高可以顯著提升合金的強(qiáng)度，但會降低合金的伸長率和熱導(dǎo)率，當(dāng)合金的Zn含量從12%提升到18%時，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(dǎo)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第05期