原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料研究

摘 要：選用鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑，應(yīng)用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料。利用金相顯微分析方法、硬度測(cè)試法、拉伸試驗(yàn)法研究了原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的顯微組織、力學(xué)性能及斷口形貌特征。結(jié)果表明，在未變質(zhì)的普通鑄造條件下，復(fù)合材料中初生Mg2Si顆粒形貌多呈現(xiàn)粗大的漢字狀、四邊形塊狀。經(jīng)過(guò)鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑處理后，Mg2Si顆粒形貌變成細(xì)小顆粒狀，分布也相對(duì)均勻，性能得到改善。

關(guān)鍵詞：復(fù)合變質(zhì)劑；Mg2Si顆粒；鋅基復(fù)合材料；性能

1 概述

我國(guó)具有較豐富的鋅資源，鋅鋁合金是重要的有色金屬材料，采用鋅鋁合金制備金屬零件具有耐磨減摩性能好、能源消耗少、制造成本低廉、加工成型方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，可代替黃銅合金、青銅合金甚至部分鋁合金制造機(jī)械設(shè)備中的軸瓦、軸套等耐磨零件[2]。但是鋅鋁合金共晶溫度低，在鑄造過(guò)程中凝固區(qū)間溫度差較大， 高溫環(huán)境下強(qiáng)度低，組織穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)限制了其耐磨性、耐熱性的進(jìn)一步提高[3]。Mg2Si的熔點(diǎn)為1085℃、硬度為HV460、彈性模量為120GPa，密度為1.99g/cm3，熱膨脹系數(shù)為7.5×10-6K-1，所以Mg2Si是Al合金、Mg合金，Zn合金等較低熔點(diǎn)金屬基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)相[4]。因此，應(yīng)用硬度高的Mg2Si顆粒作為增強(qiáng)相，以性價(jià)比較高的鋅鋁合金作為基體相，制備原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料，該復(fù)合材料可以直接鑄造成形，具有料制備工藝簡(jiǎn)單、性能各向同性的特點(diǎn)，并能有效提高其耐磨性、耐熱性，延長(zhǎng)軸承使用壽命，并具有特殊的耐腐蝕能力，可以滿足在復(fù)雜的工況條件下使用[5]。文章選用鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑，應(yīng)用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料。利用金相顯微分析方法、硬度測(cè)試法、拉伸試驗(yàn)法研究了原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的顯微組織、力學(xué)性能及斷口形貌特征，以便為顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的工業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

以工業(yè)純Zn、工業(yè)純Al、工業(yè)純Mg和Al-30wt.%Si中間合金為原料，用石墨坩堝電阻爐進(jìn)行熔煉，以制備基體ZA40合金和復(fù)合材料。合金中Mg2Si的含量設(shè)計(jì)為9wt.%。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先將預(yù)熱至200℃的Al和Al-30wt.%Si合金加入到預(yù)熱好的坩堝中，升溫至700℃，加入預(yù)熱過(guò)的工業(yè)純Zn。繼續(xù)升溫后加入C2Cl6，然后進(jìn)行精煉處理，再加入純Mg。分別加入占爐料總量一定比例的鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，達(dá)到變質(zhì)時(shí)間后，再次使用C2Cl6進(jìn)行精煉，最后后清渣、靜置后，澆入已經(jīng)預(yù)熱的金屬型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣模具中。

2.2 試驗(yàn)方法

應(yīng)用EPIPHOT-300U 型倒置金相顯微鏡分析ZA40基體合金材料和復(fù)合材料顯微組織。利用JSM-6390LV掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌，分析斷裂機(jī)理。應(yīng)用WAW-1000型的微機(jī)控制伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)復(fù)合材料顯微組織的影響

研究復(fù)合材料顯微組織發(fā)現(xiàn)，在未加入鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑的重力鑄造條件下，復(fù)合材料組織中Mg2Si顆粒的形貌比較復(fù)雜，有的為大塊的漢字狀形貌、有的是多邊形塊狀形態(tài)，部分呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，大部分Mg2Si顆粒的棱角十分尖銳，分布簇集明顯，尺寸較大。這種形態(tài)的Mg2Si顆粒容易割裂基體，在ZA40合金基體中容易造成應(yīng)力集中。部分Mg2Si的特點(diǎn)同Mg2Si增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料中所呈現(xiàn)的形貌特征類似。

當(dāng)采用鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑處理時(shí)，復(fù)合變質(zhì)劑不但對(duì)復(fù)合材料組織中Mg2Si顆粒的形貌、尺寸和分布的影響較顯著，而且對(duì)基體ZA40合金的顯微組織也有明顯的細(xì)化作用。當(dāng)鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑加入適量時(shí)，Mg2Si顆粒的局部簇集現(xiàn)象已經(jīng)基本消失，棱角鈍化明顯，小塊狀進(jìn)一步細(xì)化，平均尺寸約為未變質(zhì)處理時(shí)的五分之一，分布也更為理想。當(dāng)鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑加入太多時(shí)，Mg2Si顆粒形貌繼續(xù)保持為顆粒狀，但顆粒尺寸長(zhǎng)大明顯，平均尺寸約為未變質(zhì)處理時(shí)的三分之一，表現(xiàn)出過(guò)變質(zhì)現(xiàn)象。這是因?yàn)殇X—磷變質(zhì)劑對(duì)復(fù)合材料中初生Mg2Si顆粒起到了異質(zhì)形核的作用，變質(zhì)處理使得Mg2Si的結(jié)晶形核數(shù)量實(shí)際上是增多，Mg2Si顆粒變得均勻、細(xì)小、分散，使得原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料具有顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的組織特點(diǎn)。

3.2 鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

硬度試驗(yàn)表明，原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的硬度與鋁—磷變質(zhì)劑含量有極大值的特點(diǎn)，硬度隨著鋁—磷變質(zhì)劑含量的增加呈現(xiàn)出一個(gè)先增加后減小的走勢(shì)，硬度峰值為232HB，同未變質(zhì)的復(fù)合材料相比，硬度值提升了四分之一左右。由于變質(zhì)劑的加入細(xì)化了增強(qiáng)相Mg2Si顆粒和基體合金的晶粒，產(chǎn)生強(qiáng)化作用，使得復(fù)合材料的硬度得到了提高，這樣會(huì)進(jìn)一步提高復(fù)合材料的耐磨損性能。

復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)表明，鋁—磷變質(zhì)劑的加入不僅提高了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，而且改善了復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率。合理的變質(zhì)工藝，可以使得原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高了14.1%，伸長(zhǎng)率提高31.9%。這是因?yàn)樽冑|(zhì)處理改善了Mg2Si顆粒的形貌特征，使其彌散、細(xì)小，也細(xì)化了ZA40基體合金的晶粒尺寸，產(chǎn)生良好的彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的綜合效應(yīng)。同時(shí)，由于增強(qiáng)顆粒的細(xì)化和基體合金的細(xì)化，減小了應(yīng)力集中，使得裂紋難于萌生和擴(kuò)展，提高了復(fù)合材料的塑性。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）選用鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑，應(yīng)用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40基復(fù)合材料。

（2）在未變質(zhì)處理?xiàng)l件下，復(fù)合材料中初生Mg2Si顆粒形貌多呈現(xiàn)粗大的漢字狀、四邊形狀。經(jīng)過(guò)鋁—磷復(fù)合變質(zhì)劑處理后，Mg2Si顆粒形貌變成細(xì)小顆粒狀，分布也相對(duì)均勻。

（3）復(fù)合變質(zhì)處理后，復(fù)合材料的硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能都得到改善。

參考文獻(xiàn)

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[5]司頤，王 ，武曉峰.Bi對(duì)過(guò)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.

作者簡(jiǎn)介：胡保珠（1990-），男，湖北黃岡人，主要研究方向?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料制備及性能研究。