挤压比压对za35-35mn合金微观组织及力学性能的影响

挤压比压对za35-35mn合金微观组织及力学性能的影响

采用射流沉积法制备的主轴具有一定的孔孔隙率。这些孔容易集中，材料的有效支撑面积容易减小，力学性能降低，密度相对较低。通过合理的后续致密化工艺对喷射沉积锭坯进行致密化处理,能得到高致密度组织,可以改善或提高合金的各种性能。因此,对喷射沉积锭坯的后续致密化处理成为人们研究的一个热点。目前,针对喷射沉积所得沉积锭坯采用的致密化工艺主要有热挤压、轧制、锻压、楔形压制和热等静压等。热挤压是一种可有效实现含孔隙锭坯致密化的通用工艺。喷射沉积多孔材料经过挤压过程中强烈的剪切变形,可在很大程度上消除孔洞、氧化膜等缺陷,阻止裂纹的生成和扩展,最大限度地发挥材料的塑性。用热挤压工艺可以获得棒材、管材、型材、带材等,进一步加工能得到具体制品。挤压比压、挤压温度和挤压比是热挤压工艺的3个重要工艺参数。前期实验表明,当挤压比为21.6和挤压温度为280℃可使喷射沉积ZA35-3.5Mn合金具有良好的力学性能。在此基础上,选择不同的挤压比压,研究挤压比压对喷射沉积ZA35-3.5Mn合金组织和力学性能的影响,推荐综合力学性能良好的挤压比压值。1实验方法和材料以ZA35为研究对象,主要原材料采用锌的质量分数为99.7%的锌锭;铝的质量分数大于99.95%,牌号为Al-00的纯铝锭;镁的质量分数大于99.98%的镁锭,以及Cu和Mn。其中Cu和Mn分别以A1-50Cu和Al-10Mn中间合金形式加入。合金在KH84-11型30kW井式电阻炉中熔炼,金属液保温30min,在JWC2-10型多功能超音速气体雾化喷射沉积设备制备沉积锭坯。合金化学成分的质量分数为Zn-34.67%Al-3.38%Mn-2.37%Cu-0.15%Mg。喷射沉积锭坯在YH61.500G型金属挤压机上进行热挤压,分别选择挤压比压为400,430,460,490MPa,对喷射沉积锭坯进行热挤压。在锭坯热挤压前先进行0.5h的280℃保温,并对模具进行加热,模具的预热温度不低于230℃。拉伸实验在CSS-55100电子万能拉伸实验机上进行,试样为片状标准试样。硬度测试在HB-3000型布氏硬度计上进行,数值取5点平均值;喷射沉积锭坯及不同挤压比压下合金的组织观察在S-3400N型日立扫描电子显微镜上进行;物相分析在O/MAX-RBX型X射线衍射仪上进行。2结果与分析2.1挤压态合金的x-射线衍射图1为合金在挤压比21.6、挤压温度为280℃时,不同挤压比压下的微观组织。可以看出,挤压比压低于460MPa,合金的晶粒随挤压比压增加逐渐细小;当挤压比压升高至490MPa,合金晶粒又出现粗大现象。不同挤压比压条件下,合金组织中均出现少量白色颗粒相。适宜挤压比压下合金细小,其原因在于该比压作用下合金锭坯发生塑性变形的升温。合金挤压温度为280℃,加上变形温升,实际变形温度已经超过其300℃左右的再结晶温度,挤压过程中合金发生明显的动态再结晶,使晶粒细小。但当挤压比压高至490MPa,挤压过程中挤压力增加,剪切应变加速,因变形引起的热效应使ZA35-3.5Mn合金挤压棒材的温度升得更高,再加之实验中挤压后的合金棒冷却方式采用空冷;所以在挤压过程中以及挤压变形后合金棒温度较高,进而导致再结晶晶粒长大。对白色颗粒相进行能谱分析,发现颗粒中Zn、Al、Mn元素质量分数和原子数分数依次为20.21%、60.58%、19.22%和10.64%、77.31%、12.04%,可知白色颗粒相近似为ZnMnAl6富锰相。挤压比压为460MPa下合金的X-射线衍射结果,见图2。可以看出,在挤压态合金中,确实有富锰相ZnMnAl6存在。由于未发现富铜相,Cu仍分布于基体中,Cu在合金中固溶强化而使合金具有较高的强度。少量富锰相主要偏聚于晶界处,大部分Mn元素仍固溶到基体中,起固溶强化作用。根据Mn-Al相图可知,Mn在α-铝相中的固溶度能达到9.2%,喷射沉积冷却速率高,实验中Mn加入的质量分数为3.5%,未挤压前合金组织中并不含有富锰相;在挤压过程中,由于是热挤压,一定程度上对合金进行了时效处理,因而析出部分富锰相。由于挤压后析出的富锰相粒子绝大多数分布于晶界处,有助于阻碍晶界移动和再结晶晶粒长大,从而控制晶粒尺寸使ZA35-3.5Mn合金的力学性能提高。2.2应力挤压过程图3为不同挤压比压对喷射沉积ZA35-3.5Mn合金抗拉强度、伸长率和硬度的影响。可见,随着挤压比压的增加,抗拉强度、硬度及伸长率都有所增加,当压力达到460MPa,抗拉强度为508MPa、伸长率为6.3%、硬度为140HBS,综合力学特性达到最大值。挤压比压继续增加,合金抗拉强度和硬度基本保持略上升,而伸长率则下降较明显。可见,挤压比压达到一定数值之后,再增大挤压比压对力学性能的提高作用不大,反而增加动力消耗而降低模具寿命。因此,实验选择挤压比压为460MPa。喷射沉积ZA35-3.5Mn合金锭坯在三向压应力挤压过程中产生径向压缩轴向延伸的变形流动,可使合金锭坯内部孔洞闭合,阻止裂纹生成及扩展。挤压时锭坯与挤压筒壁之间存在摩擦,形成剪切作用,利于锭坯中夹杂氧化膜的破碎,形成新的结合界面,通过冶金结合提高材料的强度。当挤压比压为400MPa,由于压力不足,由图1a可见合金中尚存在少量孔隙,降低了材料的强度和伸长率。进一步增大挤压比压,由图1b和图1c可知合金中孔隙逐渐消失,力学性能得到提高;热挤压本身是一个复杂的热力学过程,当挤压比压达到490MPa,挤压力大幅提高,相应地施加在锭坯外部能量也增加,这些能量转化为热能,引起锭坯的温度大幅升高,为晶粒生长提供能量和驱动力,导致晶粒发生粗化,降低合金力学性能。另外,固溶于合金中的过饱合锰部分析出,形成富锰相,出现弥散强化,固溶强化的降低和弥散强化增强的综合结果使合金的硬度略有升高,而伸长率下降。总体而言,当挤压比压为460MPa,热挤压合金组织中微小孔隙消失,晶粒和析出富锰相的尺寸均很小,细晶强化和弥散强化协同作用使喷射沉积ZA35-3.5Mn合金的综合力学性能保持在较高的水平。不同挤压比压下喷射沉积ZA35-3.5Mn合金的拉伸断口形貌,如图4所示。可知,挤压比压为400MPa合金的断口出现明显的解理层,随着挤压比压的增加,合金断口韧窝数量逐渐增加,当挤压比压为460MPa合金的断口出现大量的韧窝,撕裂棱细小且分布均匀,韧窝较深且直径较小,趋近于完全的韧性断裂,其塑性得到提高,进一步印证了挤压比压为460MPa的合金伸长率最高的现象。挤压比压为490MPa下合金的断裂形式为混合型断裂,但以脆性断裂为主。合金断口存在明显的解理平台,伴随少量标志韧性断裂的韧窝,断口上有裂纹。裂纹主要从脆性相上产生并扩展,使合金塑性变差,伸长率下降。3挤压比压对za33-3.2mn合金力学性能的影响1)挤压比压低于460MPa,喷射沉积ZA35-3.5Mn合金的晶粒随挤压比压增加进一步细化;挤压比压升高至490MPa,合金晶粒发生粗化。随着挤压比压增大,合金组织中出现较多白色富锰相。2)随着挤压比压增加,喷