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        原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料研究

        2016-12-31 00:00:00胡保珠解念鎖
        科技創(chuàng)新與應用 2016年10期

        摘 要:選用鋁—磷復合變質劑,應用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料。利用金相顯微分析方法、硬度測試法、拉伸試驗法研究了原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的顯微組織、力學性能及斷口形貌特征。結果表明,在未變質的普通鑄造條件下,復合材料中初生Mg2Si顆粒形貌多呈現(xiàn)粗大的漢字狀、四邊形塊狀。經(jīng)過鋁—磷復合變質劑處理后,Mg2Si顆粒形貌變成細小顆粒狀,分布也相對均勻,性能得到改善。

        關鍵詞:復合變質劑;Mg2Si顆粒;鋅基復合材料;性能

        1 概述

        我國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[1],可代替黃銅合金、青銅合金甚至部分鋁合金制造機械設備中的軸瓦、軸套等耐磨零件[2]。但是鋅鋁合金共晶溫度低,在鑄造過程中凝固區(qū)間溫度差較大, 高溫環(huán)境下強度低,組織穩(wěn)定性較差等缺點限制了其耐磨性、耐熱性的進一步提高[3]。Mg2Si的熔點為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合金等較低熔點金屬基復合材料的理想增強相[4]。因此,應用硬度高的Mg2Si顆粒作為增強相,以性價比較高的鋅鋁合金作為基體相,制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料,該復合材料可以直接鑄造成形,具有料制備工藝簡單、性能各向同性的特點,并能有效提高其耐磨性、耐熱性,延長軸承使用壽命,并具有特殊的耐腐蝕能力,可以滿足在復雜的工況條件下使用[5]。文章選用鋁—磷復合變質劑,應用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料。利用金相顯微分析方法、硬度測試法、拉伸試驗法研究了原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的顯微組織、力學性能及斷口形貌特征,以便為顆粒增強ZA40基復合材料的工業(yè)化應用提供依據(jù)。

        2 試驗材料與方法

        2.1 試驗材料

        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行熔煉,以制備基體ZA40合金和復合材料。合金中Mg2Si的含量設計為9wt.%。實驗過程中先將預熱至200℃的Al和Al-30wt.%Si合金加入到預熱好的坩堝中,升溫至700℃,加入預熱過的工業(yè)純Zn。繼續(xù)升溫后加入C2Cl6,然后進行精煉處理,再加入純Mg。分別加入占爐料總量一定比例的鋁—磷復合變質劑進行變質處理,達到變質時間后,再次使用C2Cl6進行精煉,最后后清渣、靜置后,澆入已經(jīng)預熱的金屬型標準拉伸試樣模具中。

        2.2 試驗方法

        應用EPIPHOT-300U 型倒置金相顯微鏡分析ZA40基體合金材料和復合材料顯微組織。利用JSM-6390LV掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌,分析斷裂機理。應用WAW-1000型的微機控制伺服萬能試驗機測試復合材料的力學性能。

        3 試驗結果和分析

        3.1 鋁—磷復合變質劑對復合材料顯微組織的影響

        研究復合材料顯微組織發(fā)現(xiàn),在未加入鋁—磷復合變質劑的重力鑄造條件下,復合材料組織中Mg2Si顆粒的形貌比較復雜,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力集中。部分Mg2Si的特點同Mg2Si增強鋁基復合材料或鎂基復合材料中所呈現(xiàn)的形貌特征類似。

        當采用鋁—磷復合變質劑處理時,復合變質劑不但對復合材料組織中Mg2Si顆粒的形貌、尺寸和分布的影響較顯著,而且對基體ZA40合金的顯微組織也有明顯的細化作用。當鋁—磷復合變質劑加入適量時,Mg2Si顆粒的局部簇集現(xiàn)象已經(jīng)基本消失,棱角鈍化明顯,小塊狀進一步細化,平均尺寸約為未變質處理時的五分之一,分布也更為理想。當鋁—磷復合變質劑加入太多時,Mg2Si顆粒形貌繼續(xù)保持為顆粒狀,但顆粒尺寸長大明顯,平均尺寸約為未變質處理時的三分之一,表現(xiàn)出過變質現(xiàn)象。這是因為鋁—磷變質劑對復合材料中初生Mg2Si顆粒起到了異質形核的作用,變質處理使得Mg2Si的結晶形核數(shù)量實際上是增多,Mg2Si顆粒變得均勻、細小、分散,使得原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料具有顆粒增強金屬基復合材料的組織特點。

        3.2 鋁—磷復合變質劑對復合材料力學性能的影響

        硬度試驗表明,原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的硬度與鋁—磷變質劑含量有極大值的特點,硬度隨著鋁—磷變質劑含量的增加呈現(xiàn)出一個先增加后減小的走勢,硬度峰值為232HB,同未變質的復合材料相比,硬度值提升了四分之一左右。由于變質劑的加入細化了增強相Mg2Si顆粒和基體合金的晶粒,產(chǎn)生強化作用,使得復合材料的硬度得到了提高,這樣會進一步提高復合材料的耐磨損性能。

        復合材料拉伸試驗表明,鋁—磷變質劑的加入不僅提高了復合材料的抗拉強度,而且改善了復合材料的伸長率。合理的變質工藝,可以使得原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的抗拉強度提高了14.1%,伸長率提高31.9%。這是因為變質處理改善了Mg2Si顆粒的形貌特征,使其彌散、細小,也細化了ZA40基體合金的晶粒尺寸,產(chǎn)生良好的彌散強化和細晶強化的綜合效應。同時,由于增強顆粒的細化和基體合金的細化,減小了應力集中,使得裂紋難于萌生和擴展,提高了復合材料的塑性。

        4 結束語

        (1)選用鋁—磷復合變質劑,應用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料。

        (2)在未變質處理條件下,復合材料中初生Mg2Si顆粒形貌多呈現(xiàn)粗大的漢字狀、四邊形狀。經(jīng)過鋁—磷復合變質劑處理后,Mg2Si顆粒形貌變成細小顆粒狀,分布也相對均勻。

        (3)復合變質處理后,復合材料的硬度、抗拉強度和伸長率等力學性能都得到改善。

        參考文獻

        [1]王瑾,趙亮.高鋁鋅基合金的資源優(yōu)勢及其應用[J].鑄造技術,2012,33(4):293-295.

        [2]解念鎖,魯朕.4.5%Sip/ZA40復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.SiP/ZA40復合材料的制備與力學性能研究[J].熱加工工藝,2011,40(4):81-83.

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

        [5]司頤,王 ,武曉峰.Bi對過共晶Al-15Mg2Si合金Mg2Si相的變質作用[J].鑄造技術,2013,34(3):259-262.

        作者簡介:胡保珠(1990-),男,湖北黃岡人,主要研究方向為金屬基復合材料制備及性能研究。

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