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熱處理對電磁攪拌鋅基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
引言
鋅合金因具有良好的室溫力學(xué)性能和耐磨減摩性能而被廣泛用作大負(fù)荷條件下的滑動軸承材料[1-4]。但是，鋅合金的高溫強(qiáng)度差也是不可忽略的，這必然會影響其使用性能、限制其應(yīng)用范圍。而鋅的熔點(diǎn)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(diǎn)共晶區(qū)。近年來，電磁攪拌技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使材料的力學(xué)性能發(fā)生了突破性改變。目前,具有實(shí)用化前景的電磁攪拌凝固技術(shù)己日趨成熟,這為大幅度提高鋅基材料的力學(xué)性能提供了一種嶄新的技術(shù)手段[5-6]。利用電磁攪拌技術(shù)制備納米顆粒增鋅基復(fù)合材料，國內(nèi)外報(bào)道的較少，相應(yīng)的成形基本問題和性能等許多應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作和產(chǎn)品的實(shí)用性研究均需要開展。這一領(lǐng)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(kuò)大鋅材料的應(yīng)用范圍，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文利用直流橫向穩(wěn)恒磁場，制備了納米TiC 顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料，研究了熱處理工藝對鋅基復(fù)合材料材料力學(xué)性能的影響。
1 實(shí)驗(yàn)過程
1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備
實(shí)驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù))。納米TiC 顆粒從合肥開爾納米能源科技有限公司購進(jìn)，粒度為40nm，向基體ZA35 合金中加入量為7.5%(體積分?jǐn)?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(dǎo)磁性良好的硅鋼片制作，磁極間距在0-200mm范圍內(nèi)可調(diào)。磁極的截面積為140×140mm。在中的磁回路中繞有兩個(gè)線圈，它們的大小相同，具有相同的匝數(shù)和電阻，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小通過調(diào)節(jié)線路中的電流強(qiáng)度來控制。實(shí)驗(yàn)中采用ZXGl-250弧焊整流器來調(diào)節(jié)電壓，改變線路中電流大小，從而調(diào)整直流穩(wěn)恒磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。復(fù)合材料的凝固在水平定向凝固裝置上實(shí)現(xiàn)，根據(jù)前期研究結(jié)果[7]，實(shí)驗(yàn)選適宜的電流值為100A。
復(fù)合材料的熱處理在中溫箱式電阻爐中進(jìn)行。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
拉伸試驗(yàn)是在 CSS-55100 電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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(jì)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，載荷為62.5KG，鋼球直徑5mm，加載時(shí)間30s。每個(gè)試樣測試3 個(gè)點(diǎn)，通過硬度表查出每個(gè)點(diǎn)的硬度值，取其算術(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本實(shí)驗(yàn)以抗拉強(qiáng)度（σb）、硬度（HB）以及伸長率（δ）為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，選擇固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度以及時(shí)效時(shí)間為影響因素，對體積分?jǐn)?shù)為7.5%的 TiC/ZA35 復(fù)合材料進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，選用L9（34）正交試驗(yàn)表。為實(shí)驗(yàn)因素表，表2 為實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果表。
2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
在得出正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)后需要對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性水平分析，正交試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用級差分析法。為了能夠更直觀地看到試驗(yàn)指標(biāo)隨各因素的變化趨勢，將計(jì)算結(jié)果繪制成圖，所得結(jié)果。
根據(jù)前期研究結(jié)果[7]，納米TiC 顆粒加入量為7.5%（體積百分?jǐn)?shù)）時(shí)，TiC/ZA35 復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到410.5MPa，伸長率4.67%，HB 硬度122.4。從中可以看出對TiC/ZA35復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，其抗拉強(qiáng)度明顯比未處理有所提高。當(dāng)延長固溶時(shí)間，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨之增加。由于固溶時(shí)間的延長，使TiC 顆粒更加充分的于基體結(jié)合，在基體中分布的更加均勻，抗拉強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)固溶溫度達(dá)到350℃時(shí)，此時(shí)已經(jīng)快接近低熔點(diǎn)共晶物的熔點(diǎn)，晶界有熔化的趨勢，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度會明顯降低。固溶溫度升高時(shí)基體ZA35 中β相含量增加，當(dāng)溫度高于340℃后，析出顯微結(jié)構(gòu)為層片狀的α/相，使抗拉強(qiáng)度下降。各因素影響主次順序?yàn)椋築?A?C?D。從中可以看出TiC/ZA35 復(fù)合材料進(jìn)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(shí)效溫度的升高，復(fù)合材料的伸長率也明顯增加，固溶和時(shí)效時(shí)間的延長，復(fù)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?yàn)椋篈?B=D?C。從中可以看出隨時(shí)效溫度的升高，復(fù)合材料的硬度值反而下降。固溶溫度和時(shí)效時(shí)間對硬度值的影響不大。隨固溶時(shí)間的增加，試樣的硬度值先上升然后下降。
主要原因是：時(shí)效溫度和固溶時(shí)間的延長使基體與增強(qiáng)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(qiáng)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?yàn)椋築?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(fù)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(shí)驗(yàn)選擇合適的熱處理工藝為固溶溫度330℃，固溶時(shí)間5h，時(shí)效溫度120℃，時(shí)效時(shí)間8h，即取A2B2C1D3 組合。在正交實(shí)驗(yàn)安排中并未包含此實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行追加補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，得到在該熱處理工藝下，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到476.8MPa，伸長率6.51%，HB 硬度123.7。
2.3 復(fù)合材料拉伸斷口分析
對 ZA35 合金、納米TiC 增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料、以及經(jīng)固溶溫度330℃，固溶時(shí)間5h，時(shí)效溫度120℃，時(shí)效時(shí)間8h 的熱處理后的納米TiC 增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料拉伸斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)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缟系囊槐舆B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(zhì)元素向晶界偏聚引起的。也可看到少量標(biāo)志塑性斷裂的韌窩，但主要是呈解理斷裂的脆性特征。
同時(shí)，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(zhì)點(diǎn)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(fù)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(fù)合材料經(jīng)固溶溫度330℃，固溶時(shí)間5h，時(shí)效溫度120℃，時(shí)效時(shí)間8h 的熱處理后塑性斷裂特征明顯，韌窩數(shù)量多，均勻細(xì)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(jié)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(gè)緩慢的撕裂過程。當(dāng)拉伸試樣受到拉伸力作用，在實(shí)驗(yàn)力達(dá)到拉伸力—伸長曲線最高點(diǎn)時(shí)，便在試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸，同時(shí)試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿�，且中心軸向應(yīng)力最大。在三向拉應(yīng)力的作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)本身碎裂，或使夾雜物質(zhì)點(diǎn)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(jié)論
�。�1）經(jīng)330℃固溶5h,120℃時(shí)效8h 的7.5%TiC/ZA35 復(fù)合材料其抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度高于未處理的7.5%TiC/ZA35 復(fù)合材料。本實(shí)驗(yàn)條件下，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)476.8MPa，伸長率6.51%，HB 硬度123.7。
�。�2）TiC/ZA35 復(fù)合材料經(jīng)固溶溫度330℃，固溶時(shí)間5h，時(shí)效溫度120℃，時(shí)效時(shí)間8h 的熱處理后塑性斷裂特征明顯，韌窩數(shù)量多，均勻細(xì)小。
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