摘 要:選用鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑,應(yīng)用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料。利用金相顯微分析方法、硬度測(cè)試法、拉伸試驗(yàn)法研究了原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的顯微組織、力學(xué)性能及斷口形貌特征。結(jié)果表明,在未變質(zhì)的普通鑄造條件下,復(fù)合材料中初生Mg2Si顆粒形貌多呈現(xiàn)粗大的漢字狀、四邊形塊狀。經(jīng)過(guò)鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑處理后,Mg2Si顆粒形貌變成細(xì)小顆粒狀,分布也相對(duì)均勻,性能得到改善。
關(guān)鍵詞:復(fù)合變質(zhì)劑;Mg2Si顆粒;鋅基復(fù)合材料;性能
1 概述
我國(guó)具有較豐富的鋅資源,鋅鋁合金是重要的有色金屬材料,采用鋅鋁合金制備金屬零件具有耐磨減摩性能好、能源消耗少、制造成本低廉、加工成型方便等優(yōu)點(diǎn)[1],可代替黃銅合金、青銅合金甚至部分鋁合金制造機(jī)械設(shè)備中的軸瓦、軸套等耐磨零件[2]。但是鋅鋁合金共晶溫度低,在鑄造過(guò)程中凝固區(qū)間溫度差較大, 高溫環(huán)境下強(qiáng)度低,組織穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)限制了其耐磨性、耐熱性的進(jìn)一步提高[3]。Mg2Si的熔點(diǎn)為1085℃、硬度為HV460、彈性模量為120GPa,密度為1.99g/cm3,熱膨脹系數(shù)為7.5×10-6K-1,所以Mg2Si是Al合金、Mg合金,Zn合金等較低熔點(diǎn)金屬基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)相[4]。因此,應(yīng)用硬度高的Mg2Si顆粒作為增強(qiáng)相,以性價(jià)比較高的鋅鋁合金作為基體相,制備原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料,該復(fù)合材料可以直接鑄造成形,具有料制備工藝簡(jiǎn)單、性能各向同性的特點(diǎn),并能有效提高其耐磨性、耐熱性,延長(zhǎng)軸承使用壽命,并具有特殊的耐腐蝕能力,可以滿足在復(fù)雜的工況條件下使用[5]。文章選用鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑,應(yīng)用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料。利用金相顯微分析方法、硬度測(cè)試法、拉伸試驗(yàn)法研究了原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的顯微組織、力學(xué)性能及斷口形貌特征,以便為顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的工業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。
2 試驗(yàn)材料與方法
2.1 試驗(yàn)材料
以工業(yè)純Zn、工業(yè)純Al、工業(yè)純Mg和Al-30wt.%Si中間合金為原料,用石墨坩堝電阻爐進(jìn)行熔煉,以制備基體ZA40合金和復(fù)合材料。合金中Mg2Si的含量設(shè)計(jì)為9wt.%。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先將預(yù)熱至200℃的Al和Al-30wt.%Si合金加入到預(yù)熱好的坩堝中,升溫至700℃,加入預(yù)熱過(guò)的工業(yè)純Zn。繼續(xù)升溫后加入C2Cl6,然后進(jìn)行精煉處理,再加入純Mg。分別加入占爐料總量一定比例的鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理,達(dá)到變質(zhì)時(shí)間后,再次使用C2Cl6進(jìn)行精煉,最后后清渣、靜置后,澆入已經(jīng)預(yù)熱的金屬型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣模具中。
2.2 試驗(yàn)方法
應(yīng)用EPIPHOT-300U 型倒置金相顯微鏡分析ZA40基體合金材料和復(fù)合材料顯微組織。利用JSM-6390LV掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌,分析斷裂機(jī)理。應(yīng)用WAW-1000型的微機(jī)控制伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能。
3 試驗(yàn)結(jié)果和分析
3.1 鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)復(fù)合材料顯微組織的影響
研究復(fù)合材料顯微組織發(fā)現(xiàn),在未加入鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑的重力鑄造條件下,復(fù)合材料組織中Mg2Si顆粒的形貌比較復(fù)雜,有的為大塊的漢字狀形貌、有的是多邊形塊狀形態(tài),部分呈現(xiàn)不規(guī)則形狀,大部分Mg2Si顆粒的棱角十分尖銳,分布簇集明顯,尺寸較大。這種形態(tài)的Mg2Si顆粒容易割裂基體,在ZA40合金基體中容易造成應(yīng)力集中。部分Mg2Si的特點(diǎn)同Mg2Si增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料中所呈現(xiàn)的形貌特征類似。
當(dāng)采用鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑處理時(shí),復(fù)合變質(zhì)劑不但對(duì)復(fù)合材料組織中Mg2Si顆粒的形貌、尺寸和分布的影響較顯著,而且對(duì)基體ZA40合金的顯微組織也有明顯的細(xì)化作用。當(dāng)鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑加入適量時(shí),Mg2Si顆粒的局部簇集現(xiàn)象已經(jīng)基本消失,棱角鈍化明顯,小塊狀進(jìn)一步細(xì)化,平均尺寸約為未變質(zhì)處理時(shí)的五分之一,分布也更為理想。當(dāng)鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑加入太多時(shí),Mg2Si顆粒形貌繼續(xù)保持為顆粒狀,但顆粒尺寸長(zhǎng)大明顯,平均尺寸約為未變質(zhì)處理時(shí)的三分之一,表現(xiàn)出過(guò)變質(zhì)現(xiàn)象。這是因?yàn)殇X—磷變質(zhì)劑對(duì)復(fù)合材料中初生Mg2Si顆粒起到了異質(zhì)形核的作用,變質(zhì)處理使得Mg2Si的結(jié)晶形核數(shù)量實(shí)際上是增多,Mg2Si顆粒變得均勻、細(xì)小、分散,使得原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料具有顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的組織特點(diǎn)。
3.2 鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
硬度試驗(yàn)表明,原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的硬度與鋁—磷變質(zhì)劑含量有極大值的特點(diǎn),硬度隨著鋁—磷變質(zhì)劑含量的增加呈現(xiàn)出一個(gè)先增加后減小的走勢(shì),硬度峰值為232HB,同未變質(zhì)的復(fù)合材料相比,硬度值提升了四分之一左右。由于變質(zhì)劑的加入細(xì)化了增強(qiáng)相Mg2Si顆粒和基體合金的晶粒,產(chǎn)生強(qiáng)化作用,使得復(fù)合材料的硬度得到了提高,這樣會(huì)進(jìn)一步提高復(fù)合材料的耐磨損性能。
復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)表明,鋁—磷變質(zhì)劑的加入不僅提高了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度,而且改善了復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率。合理的變質(zhì)工藝,可以使得原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高了14.1%,伸長(zhǎng)率提高31.9%。這是因?yàn)樽冑|(zhì)處理改善了Mg2Si顆粒的形貌特征,使其彌散、細(xì)小,也細(xì)化了ZA40基體合金的晶粒尺寸,產(chǎn)生良好的彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的綜合效應(yīng)。同時(shí),由于增強(qiáng)顆粒的細(xì)化和基體合金的細(xì)化,減小了應(yīng)力集中,使得裂紋難于萌生和擴(kuò)展,提高了復(fù)合材料的塑性。
4 結(jié)束語(yǔ)
(1)選用鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑,應(yīng)用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料。
(2)在未變質(zhì)處理?xiàng)l件下,復(fù)合材料中初生Mg2Si顆粒形貌多呈現(xiàn)粗大的漢字狀、四邊形狀。經(jīng)過(guò)鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑處理后,Mg2Si顆粒形貌變成細(xì)小顆粒狀,分布也相對(duì)均勻。
(3)復(fù)合變質(zhì)處理后,復(fù)合材料的硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能都得到改善。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介:胡保珠(1990-),男,湖北黃岡人,主要研究方向?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料制備及性能研究。