熱處理對(duì)電磁攪拌鋅基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.doc

熱處理對(duì)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(dòng)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(huì)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(guó)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(chǎng)，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(duì)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(gòu)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(chǎng)由直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)發(fā)生器提供。磁場(chǎng)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140140mm。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(wàn)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(cè)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(cè)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20gCrO3，15gNa2SO4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（b）、硬度（HB）以及伸長(zhǎng)率（）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(duì)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(duì)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(jí)差分析法等，本實(shí)驗(yàn)采用級(jí)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(shì)，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(zhǎng)率4.67%，HB硬度122.4。從中可以看出對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(shì)，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度會(huì)明顯降低。固溶溫度升高時(shí)基體ZA35中相含量增加，當(dāng)溫度高于340后，析出顯微結(jié)構(gòu)為層片狀的/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(zhǎng)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(zhǎng)率也明顯增加，固溶和時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合材料的伸長(zhǎng)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(duì)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。 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(dòng)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(huì)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(guó)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(chǎng)，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(duì)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(gòu)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(chǎng)由直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)發(fā)生器提供。磁場(chǎng)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140140mm。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(wàn)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(cè)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(cè)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20gCrO3，15gNa2SO4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（b）、硬度（HB）以及伸長(zhǎng)率（）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(duì)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(duì)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(jí)差分析法等，本實(shí)驗(yàn)采用級(jí)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(shì)，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(zhǎng)率4.67%，HB硬度122.4。從中可以看出對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(shì)，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度會(huì)明顯降低。固溶溫度升高時(shí)基體ZA35中相含量增加，當(dāng)溫度高于340后，析出顯微結(jié)構(gòu)為層片狀的/相，使抗拉強(qiáng)度下降。各因素影響主次順序?yàn)椋築?A?C?D