电磁搅拌TiC 增强锌基复合材料的制备和力学性能

1、电磁搅拌TiC 增强锌基复合材料的制备和力学性能    摘要：为了拓宽锌基合金在实际应用中的领域，本实验在ZA35 合金中加入纳米TiC 颗粒作为增强相，采用电磁搅拌技术制备了纳米TiC 颗粒增强锌基复合材料。通过力学性能测试确定了纳米TiC 颗粒的适宜加入量，分析了TiC 对颗粒增强锌基复合材料的力学性能的影响。实验结果表明：磁搅拌有明显的细化合金作用，随着电流的增加，枝晶细小，但电流超过一定值，细化效果减弱，本研究中适宜的电流值为100A；当纳米TiC 颗粒加入量为7.5%时锌基复合材料综合力学性能最优，拉伸强度410.5MPa，伸长率4.67%。关

2、键词：电磁搅拌；锌基复合材料；制备；力学性能0 引言锌基合金具有良好力学和耐磨减摩性能、熔点低、耗能少、成本低廉、成形方便，可代替铜合金甚至铝合金制备轴瓦、轴套、轴承等耐磨构件1-2，备受人们的关注。由于锌基合金在中高速重载荷时存在耐摩擦磨损特性差、耐高温性能差和尺寸不稳定等缺点，近年来，人们对锌基复合材料的研究日趋广泛。其中，由于颗粒增强锌基复合材料制备工艺简单，并可直接铸造成形，近年来一直受到各国学者的广泛关注3-5。增强颗粒首先应具有能明显提高基体某种特性的性能6，作为结构材料时，增强颗粒应具有高强度、高弹性模量；而作为耐磨材料时，硬度和耐磨性是主要的选择依据。TiC 属非氧化物无机材料

3、，其性能分别为:密度4.92 g/cm3，熔点3300，弹性模量322 GPa，热膨胀系数7.4×10-6/，硬度26000MPa7，它具有硬度高，模量高，抗弯强度高，熔点高及热稳定性好等特点。可见，TiC 颗粒作为增强体对提高复合材料的耐磨性和高温性能有显着效果。本文在自行设计的水平Bridgman 定向凝固装置上，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TiC 颗粒加入量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1.1.1 实验材料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A

4、1-50%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 合金中加入量分别为5%、7.5%、10%、12.5%(体积分数)。1.1.2 实验设备电磁搅拌所用磁场由直流稳恒磁场发生器提供，如图1 所示。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140×140mm。在图1 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

5、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，如图2 所示。该装置由加热保温系统，冷却系统和牵引系统三大部分组成。由于本实验不用实现定向凝固，故只利用加热保温系统。加热与保温系统功能是加热金属使其熔化并保持在一定的温度范围内，建立凝固的基本条件。该系统主要由坩埚，圆形内丝炉膛，电炉丝，硅酸铝纤维，隔热挡板，辐射挡板等组成。1) 坩埚的选择实验中，综合考虑到坩埚的耐热要求、形状要求以及导磁情况，选择石英坩埚。为保证单向散热及防止合金液流出坩埚外部，使用石墨塞塞住坩埚两端。最后确

6、定的石英坩埚尺寸为内径为15mm，外径18mm，长80mm。2) 加热热源选择由于实验装置需要在稳恒磁场中工作，因此为避免因采用高频感应加热产生的额外磁场对恒稳磁场形成干扰，采用电阻丝加热。选择1.0 kW 的工业用铁铬合金电阻丝。将其均匀绕于圆形内丝炉膛之上。炉膛尺寸为90×150mm。3) 绝热、保温层材料选择装置的保温绝热材料选择硅酸铝纤维。它具有重量轻、耐高温、抗热震、热容小、保温性能好、化学稳定性好，具有良好的电绝缘性及高温电绝缘性，抗酸碱腐蚀及耐铝、锌侵蚀等优点。所用的硅酸铝纤维的厚度为50mm，对绕好电阻丝的炉膛进行多层包裹，并保证有一定的紧度。这样就构成了加热保温系统

7、的主体部分-炉体。在炉体外部缠绕玻璃丝，以提高保温效果及外观效果。最后炉体尺寸为140×150 mm。4)辐射挡板的设计使用轻质耐火砖以及石棉板制作隔热挡板和辐射挡板，放置于如图2 中所示位置。同时，放置热电偶于炉膛内部，通过DRZ.4 电阻炉温度控制器实现对炉膛内温度的监视与控制。隔热挡板和辐射挡板的作用是防止炉膛内的热量沿其轴向散出造成热量的散失，加热系统与冷却系统之间的辐射挡板厚度在30mm。材料选择具有良好的绝热性，抗高温性，耐碱蚀性，易切割的石棉板。实验中先选择不同的电流制备基体合金，确定适宜的电流值，在此基础上向合金中分别添加5%、7.5%、10%、12.5%(体积分数)

8、纳米TiC 颗粒，利用电磁搅拌制备复合材料。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.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。合金组织观察选用金相显微镜， 复合材料微观组织观察利用SSX-550 型扫描电子显微镜（ SEM） 。腐蚀剂的配制成分为20gCrO3，15g Na2SO4 和100mlH2O。2 实验结果及分析2.1 电流对 ZA35 合金组织的影响电流分别为 80A、10

9、0A 和120A 下ZA35 合金的凝固显微组织。电流强度增大，合金硬度呈现先上升后下降的规律，其组织也体现先细化后粗化的趋势。电流强度增大意味着磁感应强度升高，电磁搅拌力使初生晶的形态发生了很大的变化，随搅拌强度的提高一方面合金液中初生相的形状圆整，另一方面使晶粒细化。图4 中金相组织的变化，随磁感应强度增加，初生相由玫瑰状演变为熟化态的玫瑰状，最终演变为球状、类球状，同时晶粒尺寸有所减少，组织的变化使得合金的硬度大大提高。但是当磁感应强度升高到较高值（对应电流强度120A）时，会使初生相晶粒长大，并且初生相间的聚集现象增多，即发生了晶粒的异常长大和团聚现象如图4 (c)，这对ZA35 合金

10、的力学性能很不利，表现为硬度值下降。晶粒的团聚是流体动力学和各种表面力共同相互作用的结果，团聚的程度与流体的运动速度、流体的粘度及颗粒的分布情况密切相关8-11。当电流达到100 A 时，ZA35 合金粗大枝晶已被完全打碎，晶粒显着细化，由原来粗大的树枝晶转变为细小的等轴晶；当电流继续增加到120 A 时，虽然树枝晶也被打碎，但其晶粒尺寸反而增大，如图4 (c)。可见电磁搅拌电流为100 A 时，晶粒细化效果最显着。因此，复合材料制备时选用的电流强度值确定为100A。2.2 电磁搅拌纳米 TiC 颗粒增强锌基复合材料的力学性能控制直流磁场发生器的电流强度为100A，向ZA35 合金中加入量分别

11、为5%、7.5%、10%、12.5%(体积分数)经焙烧处理后的纳米TiC 颗粒，制的锌基复合材料的力学性能。随着纳米TiC 颗粒含量的增加，复合材料抗拉强度也随之增加，但当纳米TiC 颗粒含量增加到一定程度时（7.5%），复合材料的拉伸强度达到最大值，随后当TiC 颗粒含量继续增加，复合材料的拉伸强度开始逐渐降低。而随着纳米TiC 颗粒含量的增加，复合材料伸长率逐渐下降，特别是随着TiC 颗粒含量大于7.5%时，伸长率下降幅度更为明显。此外，随TiC 颗粒含量的增加，复合材料硬度逐渐增大。影响复合材料力学性能的主要因素有：孔隙度、TiC 颗粒非均匀分布、TiC 颗粒和合金基体间较差的界面结合1

12、2。气孔存在导致材料弱化是因为气孔减少了材料承载面积，随着TiC 颗粒的含量增加，更多的TiC 颗粒进入孔隙中，增大了复合材料的承载面积，使其强度增加。另外，当复合材料受载荷作用时，适当含量的TiC 颗粒对基体塑性变形的约束或对基体中位错运动的阻碍最为有效。增强颗粒作为位错滑动和交割的障碍，阻止了位错的运动，起到了钉扎晶界的作用，从而对基体产生强化。纳米TiC 颗粒加入量少，增强效果不明显，当其含量为7.5%时，增强效果达到最大，复合材料中纳米TiC 颗粒分布均匀（图6a）。当TiC 颗粒含量大过7.5%时，由于合金中颗粒过多，造成TiC 颗粒在基体中的分布不均匀形成团簇，如图6（b）所示，T

13、iC 颗粒团簇内部组织疏松，造成强度下降，伸长率也明显下降。3 结论（1）电磁搅拌有明显的细化合金枝晶作用,随着电流的增加,搅拌效果更明显,枝晶更细小,分布更均匀。但电流超过一定值,细化效果反而减弱。本研究中适宜的电流值为100A。（2）本实验条件下，纳米TiC 颗粒加入量为7.5%（体积百分数）时，TiC/ZA35 复合材料的综合力学性能最好，其拉伸强度达到410.5MPa，伸长率为4.67%。本硕士论文来自专业的硕士论文网，如需转载请保留连接：参考文献 (References)1 胡塞育.发展中的锌铝合金及其应用J.机械工程材料,1988,12(4):4-8.2 王培毅.锌铝系列合金的发展

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