热处理对电磁搅拌锌基复合材料力学性能的影响.doc

热处理对电磁搅拌锌基复合材料力学性能的影响 引言锌合金因具有良好的室温力学性能和耐磨减摩性能而被广泛用作大负荷条件下的滑动轴承材料1-4。但是，锌合金的高温强度差也是不可忽略的，这必然会影响其使用性能、限制其应用范围。而锌的熔点低是造成锌铝合金高温性能差的根源，虽然大幅度提高含铝量可以提高锌基合金的液相线温度，但在常规铸造条件下，总要产生宏观偏析形成的低熔点共晶区。近年来，电磁搅拌技术的发展和应用，使材料的力学性能发生了突破性改变。目前,具有实用化前景的电磁搅拌凝固技术己日趋成熟,这为大幅度提高锌基材料的力学性能提供了一种崭新的技术手段5-6。利用电磁搅拌技术制备纳米颗粒增锌基复合材料，国内外报道的较少，相应的成形基本问题和性能等许多应用基础研究工作和产品的实用性研究均需要开展。这一领域的研究既可丰富已有的锌材料的成形、凝固、磨损和腐蚀理论，也可作为一种新材料而扩大锌材料的应用范围，具有重要的理论意义和应用价值。本文利用直流横向稳恒磁场，制备了纳米TiC颗粒增强锌基复合材料，研究了热处理工艺对锌基复合材料材料力学性能的影响。1实验过程1.1实验材料与设备实验用的合金基体为ZA35合金，主要原材料为纯锌，纯铝，镁，铜和锰。其中Cu和Mn分别以A1-50%Cu中间合金和Al-10%Mn中间合金形式加入。合金成分为Zn-35%Al-1.0%Mn-2.5%Cu-0.1Mg(质量分数)。纳米TiC颗粒从合肥开尔纳米能源科技有限公司购进，粒度为40nm，向基体ZA35合金中加入量为7.5%(体积分数)。电磁搅拌所用磁场由直流稳恒磁场发生器提供。磁场装置中的基座和磁极都采用导磁性良好的硅钢片制作，磁极间距在0-200mm范围内可调。磁极的截面积为140140mm。在中的磁回路中绕有两个线圈，它们的大小相同，具有相同的匝数和电阻，磁感应强度的大小通过调节线路中的电流强度来控制。实验中采用ZXGl-250弧焊整流器来调节电压，改变线路中电流大小，从而调整直流稳恒磁感应强度的大小。复合材料的凝固在水平定向凝固装置上实现，根据前期研究结果7，实验选适宜的电流值为100A。复合材料的热处理在中温箱式电阻炉中进行。1.2实验方法拉伸试验是在CSS-55100电子万能拉伸试验机上进行的，拉伸的速率为0.3mm/s，拉伸试样的尺寸所示。硬度测试是在HB-3000型布氏硬度计试验机上进行的，载荷为62.5KG，钢球直径5mm，加载时间30s。每个试样测试3个点，通过硬度表查出每个点的硬度值，取其算术平均值。材料断口观察利用SSX-550型扫描电子显微镜（SEM）。腐蚀剂的配制成分为20gCrO3，15gNa2SO4和100mlH2O。2实验结果及分析2.1正交实验方案设计及实验结果本实验以抗拉强度（b）、硬度（HB）以及伸长率（）为实验指标，选择固溶温度、固溶时间、时效温度以及时效时间为影响因素，对体积分数为7.5%的TiC/ZA35复合材料进行正交实验，选用L9（34）正交试验表。为实验因素表，表2为实验安排及结果表。2.2正交实验结果分析在得出正交试验数据后需要对试验数据进行显著性水平分析，正交试验数据分析方法有很多，比如回归分析法、方差分析法和级差分析法等，本实验采用级差分析法。为了能够更直观地看到试验指标随各因素的变化趋势，将计算结果绘制成图，所得结果。根据前期研究结果7，纳米TiC颗粒加入量为7.5%（体积百分数）时，TiC/ZA35复合材料拉伸强度达到410.5MPa，伸长率4.67%，HB硬度122.4。从中可以看出对TiC/ZA35复合材料进行热处理，其抗拉强度明显比未处理有所提高。当延长固溶时间，复合材料的抗拉强度随之增加。由于固溶时间的延长，使TiC颗粒更加充分的于基体结合，在基体中分布的更加均匀，抗拉强度明显提高。当固溶温度达到350时，此时已经快接近低熔点共晶物的熔点，晶界有熔化的趋势，此时的抗拉强度会明显降低。固溶温度升高时基体ZA35中相含量增加，当温度高于340后，析出显微结构为层片状的/相，使抗拉强度下降。各因素影响主次顺序为：B?A?C?D。从中可以看出TiC/ZA35复合材料进行热处理，其伸长率明显比未处理有所升高。随固溶温度和时效温度的升高，复合材料的伸长率也明显增加，固溶和时效时间的延长，复合材料的伸长率都是先下降然后上升。各因素影响主次顺序为：A?B=D?C。从中可以看出随时效温度的升高，复合材料的硬度值反而下降。固溶温度和时效时间对硬度值的影响不大。随固溶时间的增加，试样的硬度值先上升然后下降。 引言锌合金因具有良好的室温力学性能和耐磨减摩性能而被广泛用作大负荷条件下的滑动轴承材料1-4。但是，锌合金的高温强度差也是不可忽略的，这必然会影响其使用性能、限制其应用范围。而锌的熔点低是造成锌铝合金高温性能差的根源，虽然大幅度提高含铝量可以提高锌基合金的液相线温度，但在常规铸造条件下，总要产生宏观偏析形成的低熔点共晶区。近年来，电磁搅拌技术的发展和应用，使材料的力学性能发生了突破性改变。目前,具有实用化前景的电磁搅拌凝固技术己日趋成熟,这为大幅度提高锌基材料的力学性能提供了一种崭新的技术手段5-6。利用电磁搅拌技术制备纳米颗粒增锌基复合材料，国内外报道的较少，相应的成形基本问题和性能等许多应用基础研究工作和产品的实用性研究均需要开展。这一领域的研究既可丰富已有的锌材料的成形、凝固、磨损和腐蚀理论，也可作为一种新材料而扩大锌材料的应用范围，具有重要的理论意义和应用价值。本文利用直流横向稳恒磁场，制备了纳米TiC颗粒增强锌基复合材料，研究了热处理工艺对锌基复合材料材料力学性能的影响。1实验过程1.1实验材料与设备实验用的合金基体为ZA35合金，主要原材料为纯锌，纯铝，镁，铜和锰。其中Cu和Mn分别以A1-50%Cu中间合金和Al-10%Mn中间合金形式加入。合金成分为Zn-35%Al-1.0%Mn-2.5%Cu-0.1Mg(质量分数)。纳米TiC颗粒从合肥开尔纳米能源科技有限公司购进，粒度为40nm，向基体ZA35合金中加入量为7.5%(体积分数)。电磁搅拌所用磁场由直流稳恒磁场发生器提供。磁场装置中的基座和磁极都采用导磁性良好的硅钢片制作，磁极间距在0-200mm范围内可调。磁极的截面积为140140mm。在中的磁回路中绕有两个线圈，它们的大小相同，具有相同的匝数和电阻，磁感应强度的大小通过调节线路中的电流强度来控制。实验中采用ZXGl-250弧焊整流器来调节电压，改变线路中电流大小，从而调整直流稳恒磁感应强度的大小。复合材料的凝固在水平定向凝固装置上实现，根据前期研究结果7，实验选适宜的电流值为100A。复合材料的热处理在中温箱式电阻炉中进行。1.2实验方法拉伸试验是在CSS-55100电子万能拉伸试验机上进行的，拉伸的速率为0.3mm/s，拉伸试样的尺寸所示。硬度测试是在HB-3000型布氏硬度计试验机上进行的，载荷为62.5KG，钢球直径5mm，加载时间30s。每个试样测试3个点，通过硬度表查出每个点的硬度值，取其算术平均值。材料断口观察利用SSX-550型扫描电子显微镜（SEM）。腐蚀剂的配制成分为20gCrO3，15gNa2SO4和100mlH2O。2实验结果及分析2.1正交实验方案设计及实验结果本实验以抗拉强度（b）、硬度（HB）以及伸长率（）为实验指标，选择固溶温度、固溶时间、时效温度以及时效时间为影响因素，对体积分数为7.5%的TiC/ZA35复合材料进行正交实验，选用L9（34）正交试验表。为实验因素表，表2为实验安排及结果表。2.2正交实验结果分析在得出正交试验数据后需要对试验数据进行显著性水平分析，正交试验数据分析方法有很多，比如回归分析法、方差分析法和级差分析法等，本实验采用级差分析法。为了能够更直观地看到试验指标随各因素的变化趋势，将计算结果绘制成图，所得结果。根据前期研究结果7，纳米TiC颗粒加入量为7.5%（体积百分数）时，TiC/ZA35复合材料拉伸强度达到410.5MPa，伸长率4.67%，HB硬度122.4。从中可以看出对TiC/ZA35复合材料进行热处理，其抗拉强度明显比未处理有所提高。当延长固溶时间，复合材料的抗拉强度随之增加。由于固溶时间的延长，使TiC颗粒更加充分的于基体结合，在基体中分布的更加均匀，抗拉强度明显提高。当固溶温度达到350时，此时已经快接近低熔点共晶物的熔点，晶界有熔化的趋势，此时的抗拉强度会明显降低。固溶温度升高时基体ZA35中相含量增加，当温度高于340后，析出显微结构为层片状的/相，使抗拉强度下降。各因素影响主次顺序为：B?A?C?D