原位結(jié)晶法制備Mg2Si/ZA40復(fù)合材料研究

李政+解念鎖

摘 要：應(yīng)用重力鑄造工藝，選用Sb變質(zhì)劑制備Mg2Si/ZA40復(fù)合材料。利用金相顯微鏡、掃描電鏡分析復(fù)合材料顯微組織及斷口特征。應(yīng)用硬度測(cè)試、拉伸試驗(yàn)研究復(fù)合材料硬度及抗拉強(qiáng)度。結(jié)果表明，應(yīng)用重力鑄造工藝制備Mg2Si/ZA40基復(fù)合材料，在未變質(zhì)處理?xiàng)l件下，初生Mg2Si相顆粒較粗大，形貌多呈現(xiàn)樹(shù)枝形狀。選用Sb變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理后，Mg2Si相以小顆粒狀分布，組織更加致密；隨著變質(zhì)處理溫度的提高，復(fù)合材料的硬度先升高，然后下降；復(fù)合材料的強(qiáng)度在720℃升高明顯。

關(guān)鍵詞：Sb變質(zhì)劑；Mg2Si/ZA40復(fù)合材料；力學(xué)性能

1 概述

隨著機(jī)械工業(yè)、電器工業(yè)，電子信息工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)銅及其合金的消耗量不斷增大。銅資源的可開(kāi)采量也不斷減少，影響了銅資源的可持續(xù)發(fā)展。機(jī)械工業(yè)中，制造滑動(dòng)軸承零件使用大量的青銅、黃銅等銅合金，開(kāi)發(fā)性價(jià)比較高，能代替銅合金的環(huán)境替代材料，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鋅鋁合金是重要的鋅合金材料，具有比重小、成形方便、熔鑄工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是，鋅鋁合金制造滑動(dòng)軸承零件時(shí)，在低速重載條件下，用于替代銅合金具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于節(jié)約銅資源具有一定的價(jià)值[2]；當(dāng)承受重載荷時(shí)，耐磨損性能并不明顯[3]。鋅中加入40wt%的鋁元素后，由于鋁含量增加，鋅鋁合金中的α相數(shù)量增多，提高固溶強(qiáng)化能力，從而改善鋅鋁合金的機(jī)械性能、提高耐磨性能。同時(shí)，以鋅鋁合金為基體，以金屬化合物等硬顆粒為增強(qiáng)相，制備顆粒增強(qiáng)鋅鋁合金基復(fù)合材料，可以合理利用鋅鋁合金基體的固溶強(qiáng)化能力和金屬化合物等硬顆粒的高硬度、良好耐磨性能，提高材料的使用性能。采用普通重力鑄造法，在ZA40合金中添加一定量硅元素和鎂元素制備出Mg2Si/ZA40復(fù)合材料，采用變質(zhì)處理工藝，可以改善合金基體及增強(qiáng)相組織[4，5]。所以研究Mg2S/ZA40復(fù)合材料的制備工藝及力學(xué)性能，對(duì)于發(fā)展以鋅合金代替銅合金，擴(kuò)大鋅鋁合金的應(yīng)用范圍，節(jié)約重要的我國(guó)銅資源，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)銅工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料有工業(yè)純Zn、Al-30wt.%Si中間合金、工業(yè)純Mg、工業(yè)純Al。熔煉Mg2S/ZA40復(fù)合材料的加熱電阻爐為3kW坩堝電阻爐，熔煉坩堝選用石墨坩堝。RJX-45-9型箱式電阻爐對(duì)鐘罩、Mg2S/ZA40復(fù)合材料溶體攪拌棒、扒渣勺子、澆勺等進(jìn)行預(yù)熱加熱或烘干。熔煉Mg2S/ZA40復(fù)合材料前必須保證設(shè)備的安全性、可靠性及完整性。由于使用電阻爐，熔煉溫度較高，一定要檢查電源線是否完好，電源線插頭是否正常等，熔煉坩堝是否存在裂紋及形變等缺陷。為了保護(hù)金屬模具、容器和工具，熔煉復(fù)合材料前要涂刷自制的涂料，涂料配方為25wt.%滑石粉，6wt.%水玻璃，其余是水。涂刷涂料后的容器及工具，先在200℃箱式電阻爐進(jìn)行預(yù)熱烘干處理。熔煉復(fù)合材料時(shí)，先將預(yù)熱至200℃的Al和Al-30wt.%Si合金加入到預(yù)熱好的石墨坩堝中，當(dāng)溫度升高溫到700℃時(shí)，加入預(yù)熱過(guò)的工業(yè)純Zn。然后加入C2Cl6進(jìn)行精煉處理，精煉處理后，在金屬熔體中加入工業(yè)純Mg。采用Sb作為變質(zhì)劑，合金溶液經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理后，進(jìn)行清渣、靜置，然后澆入經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的金屬型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣模具。

2.2 試驗(yàn)方法

選用金屬型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣模具，應(yīng)用重力鑄造法，應(yīng)用EPIPHOT-300U 型顯微鏡進(jìn)行分析ZA40基體合金材料和Mg2S/ZA40復(fù)合材料的顯微組織。利用JSM-6390LV掃描電鏡進(jìn)行分析基體合金材料和復(fù)合材料的斷口形貌觀察及斷裂機(jī)理。復(fù)合材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)應(yīng)用WAW-1000型的微機(jī)控制伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。采用氫氟酸、鹽酸、硝酸混合水溶液腐蝕金相試樣。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 變質(zhì)劑對(duì)復(fù)合材料顯微組織的影響

圖1是Mg2Si/ZA40復(fù)合材料金相組織，其中Mg2Si含量為9%。圖1（a）是未變質(zhì)的Mg2Si/ZA40復(fù)合材料金相組織，由圖1（a）可知，未變質(zhì)的基體中的初生Mg2Si相呈灰黑色，Mg2Si較粗大且基本都帶有尖角，更多的Mg2Si相表現(xiàn)為十字花狀、樹(shù)枝狀，少部分是花瓣?duì)?。這是因?yàn)镸g2Si相在熔體中形核后，是以小平面擇優(yōu)取向的生長(zhǎng)方式進(jìn)行定向生長(zhǎng)，表現(xiàn)為沿著不同的晶向生長(zhǎng)速度不同。分析金相組織發(fā)現(xiàn)，初生的α相枝晶間距比較大，基體組織比較粗大，不利于金屬材料的細(xì)晶強(qiáng)化作用。圖1（b）是在720℃加入0.9%的變質(zhì)劑Sb進(jìn)行變質(zhì)處理后的金相組織，由圖1（b）可知，對(duì)Mg2Si/ZA40復(fù)合材料進(jìn)行Sb變質(zhì)處理后，材料的顯微組織變化較大，其中基體合金晶粒細(xì)化，組織更加致密。復(fù)合材料中樹(shù)枝狀的初生Mg2Si相已經(jīng)非常少，由較細(xì)小的顆粒狀Mg2Si取代，Mg2Si大多以多邊形存在，有的呈現(xiàn)四邊形的形貌特征。大多數(shù)Mg2Si相沒(méi)有尖銳的棱角，呈現(xiàn)出顯著的鈍化效果，整體表現(xiàn)Mg2Si顆粒較為規(guī)則，分布也較均勻。這種細(xì)小、致密的顯微組織，有利于減小應(yīng)力集中，改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。

3.2 變質(zhì)處理對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

對(duì)Mg2Si/ ZA40復(fù)合材料在700℃-740℃進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)劑Sb的加入量為0.9%，變質(zhì)處理時(shí)間為20min。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著變質(zhì)處理溫度的提高，Mg2Si/ZA40復(fù)合材料強(qiáng)度先升高，然后下降。在高溫區(qū)隨溫度升高，強(qiáng)度降低不大；在低溫區(qū)隨溫度升高，強(qiáng)度增大較多。這是因?yàn)殡S著變質(zhì)處理溫度的提高，Mg2Si相形態(tài)和分布變化較大。高溫區(qū)隨溫度升高，Mg2Si相呈現(xiàn)為顆粒狀，Mg2Si有增大的趨勢(shì)；在低溫區(qū)隨溫度升高，Mg2Si相呈現(xiàn)為由花瓣?duì)钭優(yōu)轭w粒狀，Mg2Si顆?；黠@，細(xì)化趨勢(shì)較大，具有細(xì)晶強(qiáng)化效果。對(duì)Mg2Si/ZA40復(fù)合材料在720℃進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)時(shí)間為20min，然后在730℃下進(jìn)行澆注。變質(zhì)劑Sb含量由0.2%增加到1.8%時(shí)，Mg2Si/ ZA40硬度值隨變質(zhì)劑Sb的增加表現(xiàn)出極大值的特征。當(dāng)變質(zhì)劑Sb的加入量為0.9%時(shí)，Mg2Si/ZA40硬度最高。Sb的加入量為小于0.9%時(shí)，Sb的加入量越大，硬度越大；Sb的加入量為大于0.9%時(shí)Sb的加入量越大，硬度越小。這是因?yàn)?，變質(zhì)劑Sb加入到復(fù)合材料熔體中，一方面細(xì)化了ZA40基體合金的晶粒；另一方面改變了Mg2Si相的生長(zhǎng)方式，抑制了Mg2Si相的定向長(zhǎng)大現(xiàn)象，改變了Mg2Si相的形態(tài)和分布，使得Mg2Si顆粒變得細(xì)小，棱角鈍化，分布均勻。但是，變質(zhì)劑Sb含量較少時(shí)，變質(zhì)處理不充分，變質(zhì)程度達(dá)不到最佳效果；變質(zhì)劑Sb含量太多時(shí)，形成過(guò)變質(zhì)現(xiàn)象，使得復(fù)合材料基體組織及增強(qiáng)顆粒達(dá)不到理想效果。

Mg2Si/ZA40復(fù)合材料拉伸斷口分析表明，選用Sb變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理后，復(fù)合材料斷口上Mg2Si顆粒斷面較細(xì)小，分布較均勻，Mg2Si顆粒周圍基體合金的斷口撕裂棱細(xì)小，分布較細(xì)密，這同基體合金晶粒尺寸細(xì)化有關(guān)，有利于提高材料的力學(xué)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）應(yīng)用重力鑄造工藝制備Mg2Si/ZA40基復(fù)合材料。在未變質(zhì)處理?xiàng)l件下，初生Mg2Si相顆粒較粗大，形貌多呈現(xiàn)樹(shù)枝形狀。（2）選用Sb變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理后，Mg2Si相變化較大，主要以小顆粒狀分布，組織更加致密，Mg2Si分布也相對(duì)均勻。（3）Sb變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理后，隨著變質(zhì)處理溫度的提高，復(fù)合材料的硬度先升高，然后下降；復(fù)合材料的強(qiáng)度在720℃升高明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]康巍，李振國(guó)，鄭子樵.原位反應(yīng)法TiB2/ZA27復(fù)合材料的組織及性能研究[J].熱加工工藝，2016，45（16）：84-88.

[2]解念鎖，魯朕.4.5%Sip/ZA40復(fù)合材料的組織及耐磨性能研究[J].熱加工工藝，2014，48（8）：120-122.

[3]王艷，解念鎖，李春月，等.原位結(jié)晶法制備顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].鑄造技術(shù)，2010，31（5）：656-659.

[4]王孝良，周崎，王 .Nd對(duì)原位自生Mg2Si/Al復(fù)合材料的變質(zhì)作用[J].熱加工工藝，2013，42（8）：115-120

[5]司頤，王 ，武曉峰.Bi對(duì)過(guò)共晶Al-15Mg2Si合金Mg2Si相的變質(zhì)作用[J].鑄造技術(shù)，2013，34（3）：259-262.