ZA4-1/ZL102雙金屬復(fù)合材料的擠壓鑄造研究

汪文杰 羅繼相 周 麗

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (杭州易泰達(dá)科技有限公司2) 杭州 310000)

擠壓鑄造作為一種精確鑄造技術(shù),在國內(nèi)外穩(wěn)步發(fā)展,部分替代了壓鑄及其他鑄造成形技術(shù),生產(chǎn)出一系列形狀復(fù)雜、力學(xué)性能良好的鑄件[1].以金屬合金為基體,以高強(qiáng)度第二相為增強(qiáng)體而制得的金屬基復(fù)合材料,具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐磨、耐熱、導(dǎo)熱、低熱膨脹系等優(yōu)良性能,作為先進(jìn)復(fù)合材料將逐步取代部分傳統(tǒng)的金屬材料而應(yīng)用于航天航空、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[2].由于在擠壓鑄造工藝下,固態(tài)增強(qiáng)體的預(yù)熱溫度以及擠壓壓力的大小將對復(fù)合材料的滲透距離以及結(jié)合面的組織都有重要的影響[3].文中研究了固態(tài)鋅基合金ZA4-1與液態(tài)鋁基合金ZL102的復(fù)合[4-8],主要通過改變鋅合金的預(yù)熱溫度以及擠壓壓力的大小來控制ZA4-1/ZL102雙金屬復(fù)合材料的結(jié)合界面組織,并對材料的顯微組織進(jìn)行了分析和總結(jié).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1)鋁基合金 本實(shí)驗(yàn)采用的鋁合金為ZAl-Si12,其合金代號為ZL102,主要化學(xué)成分如表1所列.

2)鋅基合金 試驗(yàn)中復(fù)合體采用的是ZA4-14Cu1Mg鋅基合金,化學(xué)成分見表2.由于材料有限,本實(shí)驗(yàn)中用到了少量其他鋅基合金.

表1 ZL102的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 ZA4-1的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 試驗(yàn)方法

將表面處理過的ZL102合金放入坩堝電爐中按正常的操作規(guī)程進(jìn)行熔煉,熔煉溫度控制在690～730℃之間.在四柱式萬能液壓機(jī)上完成擠壓復(fù)合的試驗(yàn).通電將模具溫度加熱到200℃;并將被復(fù)合試樣(鋅合金)預(yù)熱后置于四柱式萬能液壓機(jī)的模具型腔內(nèi).控制ZL102的澆注溫度在690～730℃.將熔煉好的液態(tài)的鋁合金澆注其中,施加一定壓力保壓 8～15 s,然后回程、開模得到復(fù)合材料.

改變鋅合金的預(yù)熱溫度和擠壓壓力,制得不同的復(fù)合材料試樣.用正置式透反金相顯微鏡,通過軟件NIS-Elements-[live-Fast]測得滲透的平均距離,對材料試樣進(jìn)行微觀組織分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋅合金預(yù)熱溫度對復(fù)合界面組織的影響

如圖1是A4-1合金在不同的預(yù)熱溫度下與ZL102合金擠壓復(fù)合后的組織.表3為試樣的各項(xiàng)參數(shù)情況,圖2為通過放大倍數(shù)為1 250倍的偏光顯微鏡(polarizing microscope,PM)拍得.

表3 試樣的各項(xiàng)參數(shù)情況

圖1 鋅合金在不同預(yù)熱溫度下與鋁合金復(fù)合后的組織

圖2 滲透平均距離對照圖

由圖1對比可看出,預(yù)熱溫度為300～350℃時(shí),橢圓形內(nèi)白色組織處的滲透距離明顯要長,復(fù)合效果較好,通過軟件NIS-Elements-[live-Fast]可以測得滲透的平均距離約為11.9μm,如圖2 a)所示.圖1 c)中的界面處僅呈現(xiàn)一條直線,而圖1 b)中,ZA4-1的界面滲透處形成一道不規(guī)則的曲線,少量的鋁合金原子掙脫了金屬內(nèi)部組織的束縛滲透到鋅合金組織中,通過軟件NIS-Elements-[live-Fast]測得滲透的平均距離約為7.4μm,如圖2b)所示.由此可見,在擠壓鑄造工藝下,鋅合金的預(yù)熱溫度對ZA4-1/ZL102復(fù)合材料的滲透距離以及鋅合金組織的晶粒細(xì)化有重要的影響.預(yù)熱溫度在300～350℃時(shí)鋅合金組織的晶粒細(xì)化程度較高,復(fù)合材料的界面組織滲透現(xiàn)象較好.

2.2 擠壓鑄造壓力對復(fù)合界面組織的影響

實(shí)驗(yàn)過程中所采用的四柱式萬能液壓機(jī)的公稱壓力最大值為2 000 k N,圖3中,a)、b)、c)分別顯示了擠壓壓力分別為1 200,1 600,1 760 kN情況下,ZA4-1/ZL102復(fù)合材料的界面組織.圖4同樣是在1 250倍的偏光顯微鏡拍得,圖4a)、4b)分別對應(yīng)圖3a)和圖3b)2個(gè)試樣,圖中滲透的平均距離也是通過軟件NIS-Elements-[live-Fast]測得.

圖3a)所示,當(dāng)擠壓壓力為1 200 k N時(shí),橢圓形處中間的顏色較淺的組織與鋁合金和鋅合金的組織不一樣,中間的有一層明顯的滲透,其滲透距離比較大,通過軟件NIS-Elements-[live-Fast]測得滲透的平均距離約為 8.4μm,而當(dāng)壓力為1 600 k N時(shí),兩種材料的結(jié)合處組織只有少量的滲透現(xiàn)象,平均距離約為4.6μm.圖3c)中,由于擠壓壓力過大造成了組織內(nèi)部斷裂,這一缺陷將對ZA4-1/ZL102的力學(xué)性能帶來嚴(yán)重的影響.

由此可見,在擠壓鑄造工藝下,擠壓壓力同樣對ZA4-1/ZL102復(fù)合材料的制備有重要的影響.如果壓力過大,就會(huì)帶來裂紋等缺陷.當(dāng)壓力不夠時(shí),兩種材料的滲透效果不夠好,所以合理控制擠壓壓力的值是制備過程的關(guān)鍵.壓力在120 t時(shí)ZA 4-1/ZL102復(fù)合材料的界面組織滲透現(xiàn)象較好,表4是以上幾種情況下試樣的各項(xiàng)參數(shù)值.

圖3 不同擠壓壓力下復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組織

圖4 滲透平均距離對照表

2.3 最佳復(fù)合效果工藝參數(shù)的確定

通過多次實(shí)驗(yàn)的分析和總結(jié),對比不同參數(shù)下的組織圖,找到相對較好的一組工藝參數(shù).表5所列為最佳復(fù)合效果圖的各種參數(shù)情況,在此參數(shù)下所得到的最佳復(fù)合效果組織如圖5所示.從圖5可見,兩種材料的界面處有明顯的滲透,通過軟件NIS-Elements-[live-Fast]測得其滲透平均距離約為13.4μm,如圖6所示.

表4 試樣的各項(xiàng)參數(shù)

表5 最佳復(fù)合效果圖的各參數(shù)情況

圖5 最佳復(fù)合效果組織圖(MM-40)

3 結(jié)束語

圖6 滲透平均距離圖(PM-1250)

在擠壓鑄造工藝下,鋅合金的預(yù)熱溫度和擠壓壓力對ZA 4-1/ZL102復(fù)合材料的滲透距離以及鋅合金組織的晶粒細(xì)化有重要的影響.當(dāng)鋅合金預(yù)熱溫度較低時(shí),復(fù)合材料的界面組織滲透達(dá)不到良好的效果.當(dāng)擠壓壓力較小時(shí),兩種材料無法滲透或者滲透效果不好;當(dāng)擠壓壓力過大時(shí),又會(huì)帶來裂紋等缺陷[9].

在鋅合金預(yù)熱溫度約為320℃、擠壓壓力為120 t、鋁液澆注溫度約為700℃、模具溫度約為200℃、保壓時(shí)間10S時(shí)ZA4-1/ZL102的復(fù)合界面組織效果較好,此時(shí)獲得的復(fù)合界面的組織有明顯的滲透并且其平均距離約為13.4μm,為最佳復(fù)合效果.

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