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)用硬度測試、拉伸試驗研究復(fù)合材料硬度及抗拉強度。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)處理條件下，初生Mg2Si相顆粒較粗大，形貌多呈現(xiàn)樹枝形狀。選用Sb變質(zhì)劑進行變質(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；力學性能

1 概述

隨著機械工業(yè)、電器工業(yè)，電子信息工業(yè)的高速發(fā)展，對銅及其合金的消耗量不斷增大。銅資源的可開采量也不斷減少，影響了銅資源的可持續(xù)發(fā)展。機械工業(yè)中，制造滑動軸承零件使用大量的青銅、黃銅等銅合金，開發(fā)性價比較高，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、熔鑄工藝簡單，價格低等優(yōu)點[1]。但是，鋅鋁合金制造滑動軸承零件時，在低速重載條件下，用于替代銅合金具有良好的經(jīng)濟效益，對于節(jié)約銅資源具有一定的價值[2]；當承受重載荷時，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，提高固溶強化能力，從而改善鋅鋁合金的機械性能、提高耐磨性能。同時，以鋅鋁合金為基體，以金屬化合物等硬顆粒為增強相，制備顆粒增強鋅鋁合金基復(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相組織[4，5]。所以研究Mg2S/ZA40復(fù)合材料的制備工藝及力學性能，對于發(fā)展以鋅合金代替銅合金，擴大鋅鋁合金的應(yīng)用范圍，節(jié)約重要的我國銅資源，保護環(huán)境，促進銅工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有一定的實際應(yīng)用價值。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗原材料有工業(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型箱式電阻爐對鐘罩、Mg2S/ZA40復(fù)合材料溶體攪拌棒、扒渣勺子、澆勺等進行預(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℃箱式電阻爐進行預(yù)熱烘干處理。熔煉復(fù)合材料時，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，當溫度升高溫到700℃時，加入預(yù)熱過的工業(yè)純Zn。然后加入C2Cl6進行精煉處理，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)過變質(zhì)處理后，進行清渣、靜置，然后澆入經(jīng)過預(yù)熱處理的金屬型標準拉伸試樣模具。

2.2 試驗方法

選用金屬型標準拉伸試樣模具，應(yīng)用重力鑄造法，應(yīng)用EPIPHOT-300U 型顯微鏡進行分析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理。復(fù)合材料的力學性能實驗應(yīng)用WAW-1000型的微機控制伺服萬能試驗機進行測試。采用氫氟酸、鹽酸、硝酸混合水溶液腐蝕金相試樣。

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 變質(zhì)劑對復(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、樹枝狀，少部分是花瓣狀。這是因為Mg2Si相在熔體中形核后，是以小平面擇優(yōu)取向的生長方式進行定向生長，表現(xiàn)為沿著不同的晶向生長速度不同。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晶強化作用。圖1（b）是在720℃加入0.9%的變質(zhì)劑Sb進行變質(zhì)處理后的金相組織，由圖1（b）可知，對Mg2Si/ZA40復(fù)合材料進行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化，組織更加致密。復(fù)合材料中樹枝狀的初生Mg2Si相已經(jīng)非常少，由較細小的顆粒狀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)合材料的力學性能。

3.2 變質(zhì)處理對復(fù)合材料力學性能的影響

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

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

4 結(jié)束語

（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)處理條件下，初生Mg2Si相顆粒較粗大，形貌多呈現(xiàn)樹枝形狀。（2）選用Sb變質(zhì)劑進行變質(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分布也相對均勻。（3）Sb變質(zhì)劑進行變質(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)合材料的強度在720℃升高明顯。

參考文獻

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[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.

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