熱處理對電磁攪拌鋅基復合材料力學性能的影響

引言
　　
　　鋅合金因具有良好的室溫力學性能和耐磨減摩性能而被廣泛用作大負荷條件下的滑動軸承材料[1-4]。但是，鋅合金的高溫強度差也是不可忽略的，這必然會影響其使用性能、限制其應用范圍。而鋅的熔點低是造成鋅鋁合金高溫性能差的根源，雖然大幅度提高含鋁量可以提高鋅基合金的液相線溫度，但在常規(guī)鑄造條件下，總要產(chǎn)生宏觀偏析形成的低熔點共晶區(qū)。近年來，電磁攪拌技術的發(fā)展和應用，使材料的力學性能發(fā)生了突破性改變。目前,具有實用化前景的電磁攪拌凝固技術己日趨成熟,這為大幅度提高鋅基材料的力學性能提供了一種嶄新的技術手段[5-6]。利用電磁攪拌技術制備納米顆粒增鋅基復合材料，國內外報道的較少，相應的成形基本問題和性能等許多應用基礎研究工作和產(chǎn)品的實用性研究均需要開展。這一領域的研究既可豐富已有的鋅材料的成形、凝固、磨損和腐蝕理論，也可作為一種新材料而擴大鋅材料的應用范圍，具有重要的理論意義和應用價值。本文利用直流橫向穩(wěn)恒磁場，制備了納米TiC 顆粒增強鋅基復合材料，研究了熱處理工藝對鋅基復合材料材料力學性能的影響。
　　
　　1 實驗過程
　　
　　1.1 實驗材料與設備
　　實驗用的合金基體為 ZA35 合金，主要原材料為純鋅，純鋁，鎂，銅和錳。其中Cu 和Mn 分別以A1-50%Cu 中間合金和Al-10%Mn 中間合金形式加入。合金成分為Zn-35%Al-1.0%Mn-2.5%Cu-0.1Mg(質量分數(shù))。納米TiC 顆粒從合肥開爾納米能源科技有限公司購進，粒度為40nm，向基體ZA35 合金中加入量為7.5%(體積分數(shù))。
　　電磁攪拌所用磁場由直流穩(wěn)恒磁場發(fā)生器提供。磁場裝置中的基座和磁極都采用導磁性良好的硅鋼片制作，磁極間距在0-200mm范圍內可調。磁極的截面積為140×140mm。在中的磁回路中繞有兩個線圈，它們的大小相同，具有相同的匝數(shù)和電阻，磁感應強度的大小通過調節(jié)線路中的電流強度來控制。實驗中采用ZXGl-250弧焊整流器來調節(jié)電壓，改變線路中電流大小，從而調整直流穩(wěn)恒磁感應強度的大小。復合材料的凝固在水平定向凝固裝置上實現(xiàn)，根據(jù)前期研究結果[7]，實驗選適宜的電流值為100A。
　　復合材料的熱處理在中溫箱式電阻爐中進行。
　　
　　1.2 實驗方法
　　拉伸試驗是在 CSS-55100 電子萬能拉伸試驗機上進行的，拉伸的速率為0.3mm/s，拉伸試樣的尺寸所示。
　　硬度測試是在HB-3000 型布氏硬度計試驗機上進行的，載荷為62.5KG，鋼球直徑5mm，加載時間30s。每個試樣測試3 個點，通過硬度表查出每個點的硬度值，取其算術平均值。
　　材料斷口觀察利用SSX-550 型掃描電子顯微鏡（ SEM） 。腐蝕劑的配制成分為20gCrO3，15g Na2SO4 和100mlH2O。
　　
　　2 實驗結果及分析
　　
　　2.1 正交實驗方案設計及實驗結果
　　本實驗以抗拉強度（σb）、硬度（HB）以及伸長率（δ）為實驗指標，選擇固溶溫度、固溶時間、時效溫度以及時效時間為影響因素，對體積分數(shù)為7.5%的 TiC/ZA35 復合材料進行正交實驗，選用L9（34）正交試驗表。為實驗因素表，表2 為實驗安排及結果表。
　　
　　2.2 正交實驗結果分析
　　在得出正交試驗數(shù)據(jù)后需要對試驗數(shù)據(jù)進行顯著性水平分析，正交試驗數(shù)據(jù)分析方法有很多，比如回歸分析法、方差分析法和級差分析法等，本實驗采用級差分析法。為了能夠更直觀地看到試驗指標隨各因素的變化趨勢，將計算結果繪制成圖，所得結果。
　　根據(jù)前期研究結果[7]，納米TiC 顆粒加入量為7.5%（體積百分數(shù)）時，TiC/ZA35 復合材料拉伸強度達到410.5MPa，伸長率4.67%，HB 硬度122.4。從中可以看出對TiC/ZA35復合材料進行熱處理，其抗拉強度明顯比未處理有所提高。當延長固溶時間，復合材料的抗拉強度隨之增加。由于固溶時間的延長，使TiC 顆粒更加充分的于基體結合，在基體中分布的更加均勻，抗拉強度明顯提高。當固溶溫度達到350℃時，此時已經(jīng)快接近低熔點共晶物的熔點，晶界有熔化的趨勢，此時的抗拉強度會明顯降低。固溶溫度升高時基體ZA35 中β相含量增加，當溫度高于340℃后，析出顯微結構為層片狀的α/相，使抗拉強度下降。各因素影響主次順序為：B?A?C?D。從中可以看出TiC/ZA35 復合材料進行熱處理，其伸長率明顯比未處理有所升高。隨固溶溫度和時效溫度的升高，復合材料的伸長率也明顯增加，固溶和時效時間的延長，復合材料的伸長率都是先下降然后上升。各因素影響主次順序為：A?B=D?C。從中可以看出隨時效溫度的升高，復合材料的硬度值反而下降。固溶溫度和時效時間對硬度值的影響不大。隨固溶時間的增加，試樣的硬度值先上升然后下降。
　　主要原因是：時效溫度和固溶時間的延長使基體與增強顆粒之間的連續(xù)性發(fā)生變化。由于合金元素的析出降低了固溶強化效果，析出的合金元素聚集在晶界形成新相，溫度越高新相聚集長大越明顯，破壞了晶界的連續(xù)性，所以硬度會明顯降低。各因素影響主次順序為：B?C?D?A。此外，總體上熱處理后材料的硬度值較未熱處理材料的硬度值無明顯提高，即熱處理對該復合材料硬度影響并不明顯。
　　綜合上述分析，考慮各因素影響的主次順序，本實驗選擇合適的熱處理工藝為固溶溫度330℃，固溶時間5h，時效溫度120℃，時效時間8h，即取A2B2C1D3 組合。在正交實驗安排中并未包含此實驗，進行追加補充實驗，得到在該熱處理工藝下，復合材料的拉伸強度達到476.8MPa，伸長率6.51%，HB 硬度123.7。
　　
　　2.3 復合材料拉伸斷口分析
　　對 ZA35 合金、納米TiC 增強鋅基復合材料、以及經(jīng)固溶溫度330℃，固溶時間5h，時效溫度120℃，時效時間8h 的熱處理后的納米TiC 增強鋅基復合材料拉伸斷口進行掃描電鏡觀察，結果見。
　　ZA35 合金的拉伸斷口呈杯錐狀，斷口的微觀特征是沿晶斷裂�？赡苁怯捎诰Ы缟系囊槐�層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續(xù)性所造成，也可能是雜質元素向晶界偏聚引起的。也可看到少量標志塑性斷裂的韌窩，但主要是呈解理斷裂的脆性特征。
　　同時，還能看到晶界上有較深的孔洞存在，這些孔洞或者是由于晶界上第二相質點在拉伸過程中因其周邊產(chǎn)生裂隙而脫落所形成，或者本身形成的缺陷。TiC/ZA35 復合材料拉伸斷口由大量韌窩所組成，呈現(xiàn)典型的塑性斷裂特征，但韌窩大小并不均勻。
　　TiC/ZA35 復合材料經(jīng)固溶溫度330℃，固溶時間5h，時效溫度120℃，時效時間8h 的熱處理后塑性斷裂特征明顯，韌窩數(shù)量多，均勻細小。脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯的征兆。斷口平齊而光亮，呈放射狀或結晶狀。韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程。當拉伸試樣受到拉伸力作用，在實驗力達到拉伸力—伸長曲線最高點時，便在試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸，同時試樣的應力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿�向，且中心軸向應力最大。在三向拉應力的作用下，塑性變形難于進行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質點本身碎裂，或使夾雜物質點與基體界面脫離而形成微孔，微孔不斷長大和聚合就形成纖維裂紋[8]。
　　
　　3 結論
　　
　�。�1）經(jīng)330℃固溶5h,120℃時效8h 的7.5%TiC/ZA35 復合材料其抗拉強度、伸長率、硬度高于未處理的7.5%TiC/ZA35 復合材料。本實驗條件下，其抗拉強度可達476.8MPa，伸長率6.51%，HB 硬度123.7。
　�。�2）TiC/ZA35 復合材料經(jīng)固溶溫度330℃，固溶時間5h，時效溫度120℃，時效時間8h 的熱處理后塑性斷裂特征明顯，韌窩數(shù)量多，均勻細小。

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　　[參考文獻] (References)
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　　[8] 李孝敏．工程材料的微細觀結構和力學性能．合肥：中國科學技術大學出版社，2003．

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