熱處理對電磁攪拌鋅基復合材料力學性能的影響.doc

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140140mm。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20gCrO3，15gNa2SO4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（b）、硬度（HB）以及伸長率（）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中相含量增加，當溫度高于340后，析出顯微結構為層片狀的/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。 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140140mm。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20gCrO3，15gNa2SO4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（b）、硬度（HB）以及伸長率（）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中相含量增加，當溫度高于340后，析出顯微結構為層片狀的/相，使抗拉強度下降。各因素影響主次順序為：B?A?C?D