原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料研究

摘 要：選用鋁—磷復合變質劑，應用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料。利用金相顯微分析方法、硬度測試法、拉伸試驗法研究了原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的顯微組織、力學性能及斷口形貌特征。結果表明，在未變質的普通鑄造條件下，復合材料中初生Mg2Si顆粒形貌多呈現粗大的漢字狀、四邊形塊狀。經過鋁—磷復合變質劑處理后，Mg2Si顆粒形貌變成細小顆粒狀，分布也相對均勻，性能得到改善。

關鍵詞：復合變質劑；Mg2Si顆粒；鋅基復合材料；性能

1 概述

我國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、加工成型方便等優點[1]，可代替黃銅合金、青銅合金甚至部分鋁合金制造機械設備中的軸瓦、軸套等耐磨零件[2]。但是鋅鋁合金共晶溫度低，在鑄造過程中凝固區間溫度差較大， 高溫環境下強度低，組織穩定性較差等缺點限制了其耐磨性、耐熱性的進一步提高[3]。Mg2Si的熔點為1085℃、硬度為HV460、彈性模量為120GPa，密度為1.99g/cm3，熱膨脹系數為7.5×10-6K-1，所以Mg2Si是Al合金、Mg合金，Zn合金等較低熔點金屬基復合材料的理想增強相[4]。因此，應用硬度高的Mg2Si顆粒作為增強相，以性價比較高的鋅鋁合金作為基體相，制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料，該復合材料可以直接鑄造成形，具有料制備工藝簡單、性能各向同性的特點，并能有效提高其耐磨性、耐熱性，延長軸承使用壽命，并具有特殊的耐腐蝕能力，可以滿足在復雜的工況條件下使用[5]。文章選用鋁—磷復合變質劑，應用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料。利用金相顯微分析方法、硬度測試法、拉伸試驗法研究了原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的顯微組織、力學性能及斷口形貌特征，以便為顆粒增強ZA40基復合材料的工業化應用提供依據。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

以工業純Zn、工業純Al、工業純Mg和Al-30wt.%Si中間合金為原料，用石墨坩堝電阻爐進行熔煉，以制備基體ZA40合金和復合材料。合金中Mg2Si的含量設計為9wt.%。實驗過程中先將預熱至200℃的Al和Al-30wt.%Si合金加入到預熱好的坩堝中，升溫至700℃，加入預熱過的工業純Zn。繼續升溫后加入C2Cl6，然后進行精煉處理，再加入純Mg。分別加入占爐料總量一定比例的鋁—磷復合變質劑進行變質處理，達到變質時間后，再次使用C2Cl6進行精煉，最后后清渣、靜置后，澆入已經預熱的金屬型標準拉伸試樣模具中。

2.2 試驗方法

應用EPIPHOT-300U 型倒置金相顯微鏡分析ZA40基體合金材料和復合材料顯微組織。利用JSM-6390LV掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌，分析斷裂機理。應用WAW-1000型的微機控制伺服萬能試驗機測試復合材料的力學性能。

3 試驗結果和分析

3.1 鋁—磷復合變質劑對復合材料顯微組織的影響

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

當采用鋁—磷復合變質劑處理時，復合變質劑不但對復合材料組織中Mg2Si顆粒的形貌、尺寸和分布的影響較顯著，而且對基體ZA40合金的顯微組織也有明顯的細化作用。當鋁—磷復合變質劑加入適量時，Mg2Si顆粒的局部簇集現象已經基本消失，棱角鈍化明顯，小塊狀進一步細化，平均尺寸約為未變質處理時的五分之一，分布也更為理想。當鋁—磷復合變質劑加入太多時，Mg2Si顆粒形貌繼續保持為顆粒狀，但顆粒尺寸長大明顯，平均尺寸約為未變質處理時的三分之一，表現出過變質現象。這是因為鋁—磷變質劑對復合材料中初生Mg2Si顆粒起到了異質形核的作用，變質處理使得Mg2Si的結晶形核數量實際上是增多，Mg2Si顆粒變得均勻、細小、分散，使得原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料具有顆粒增強金屬基復合材料的組織特點。

3.2 鋁—磷復合變質劑對復合材料力學性能的影響

硬度試驗表明，原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的硬度與鋁—磷變質劑含量有極大值的特點，硬度隨著鋁—磷變質劑含量的增加呈現出一個先增加后減小的走勢，硬度峰值為232HB，同未變質的復合材料相比，硬度值提升了四分之一左右。由于變質劑的加入細化了增強相Mg2Si顆粒和基體合金的晶粒，產生強化作用，使得復合材料的硬度得到了提高，這樣會進一步提高復合材料的耐磨損性能。

復合材料拉伸試驗表明，鋁—磷變質劑的加入不僅提高了復合材料的抗拉強度，而且改善了復合材料的伸長率。合理的變質工藝，可以使得原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的抗拉強度提高了14.1%，伸長率提高31.9%。這是因為變質處理改善了Mg2Si顆粒的形貌特征，使其彌散、細小，也細化了ZA40基體合金的晶粒尺寸，產生良好的彌散強化和細晶強化的綜合效應。同時，由于增強顆粒的細化和基體合金的細化，減小了應力集中，使得裂紋難于萌生和擴展，提高了復合材料的塑性。

4 結束語

（1）選用鋁—磷復合變質劑，應用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料。

（2）在未變質處理條件下，復合材料中初生Mg2Si顆粒形貌多呈現粗大的漢字狀、四邊形狀。經過鋁—磷復合變質劑處理后，Mg2Si顆粒形貌變成細小顆粒狀，分布也相對均勻。

（3）復合變質處理后，復合材料的硬度、抗拉強度和伸長率等力學性能都得到改善。

參考文獻

[1]王瑾，趙亮.高鋁鋅基合金的資源優勢及其應用[J].鑄造技術，2012，33（4）：293-295.

[2]解念鎖，魯朕.4.5%Sip/ZA40復合材料的組織及耐磨性能研究[J].熱加工工藝，2014，48（8）：120-122.

[3]王艷，解念鎖.SiP/ZA40復合材料的制備與力學性能研究[J].熱加工工藝，2011，40（4）：81-83.

[4]王孝良，周崎，王 .Nd對原位自生Mg2Si/Al復合材料的變質作用[J].熱加工工藝，2013，42（8）：115-120.

[5]司頤，王 ，武曉峰.Bi對過共晶Al-15Mg2Si合金Mg2Si相的變質作用[J].鑄造技術，2013，34（3）：259-262.

作者簡介：胡保珠（1990-），男，湖北黃岡人，主要研究方向為金屬基復合材料制備及性能研究。