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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140×140mm。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20gCrO3，15g Na2SO4 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（σb）、硬度（HB）以及伸长率（δ）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β相含量增加，当温度高于340℃后，析出显微结构为层片状的α/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。
主要原因是：时效温度和固溶时间的延长使基体与增强颗粒之间的连续性发生变化。由于合金元素的析出降低了固溶强化效果，析出的合金元素聚集在晶界形成新相，温度越高新相聚集长大越明显，破坏了晶界的连续性，所以硬度会明显降低。各因素影响主次顺序为：B?C?D?A。此外，总体上热处理后材料的硬度值较未热处理材料的硬度值无明显提高，即热处理对该复合材料硬度影响并不明显。
综合上述分析，考虑各因素影响的主次顺序，本实验选择合适的热处理工艺为固溶温度330℃，固溶时间5h，时效温度120℃，时效时间8h，即取A2B2C1D3 组合。在正交实验安排中并未包含此实验，进行追加补充实验，得到在该热处理工艺下，复合材料的拉伸强度达到476.8MPa，伸长率6.51%，HB 硬度123.7。
2.3 复合材料拉伸断口分析
对 ZA35 合金、纳米TiC 增强锌基复合材料、以及经固溶温度330℃，固溶时间5h，时效温度120℃，时效时间8h 的热处理后的纳米TiC 增强锌基复合材料拉伸断口进行扫描电镜观察，结果见。
ZA35 合金的拉伸断口呈杯锥状，断口的微观特征是沿晶断裂。可能是由于晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。也可看到少量标志塑性断裂的韧窝，但主要是呈解理断裂的脆性特征。
同时，还能看到晶界上有较深的孔洞存在，这些孔洞或者是由于晶界上第二相质点在拉伸过程中因其周边产生裂隙而脱落所形成，或者本身形成的缺陷。TiC/ZA35 复合材料拉伸断口由大量韧窝所组成，呈现典型的塑性断裂特征，但韧窝大小并不均匀。
TiC/ZA35 复合材料经固溶温度330℃，固溶时间5h，时效温度120℃，时效时间8h 的热处理后塑性断裂特征明显，韧窝数量多，均匀细小。脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显的征兆。断口平齐而光亮，呈放射状或结晶状。韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。这种断裂有一个缓慢的撕裂过程。当拉伸试样受到拉伸力作用，在实验力达到拉伸力—伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。在三向拉应力的作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔，微孔不断长大和聚合就形成纤维裂纹[8]。
3 结论
（1）经330℃固溶5h,120℃时效8h 的7.5%TiC/ZA35 复合材料其抗拉强度、伸长率、硬度高于未处理的7.5%TiC/ZA35 复合材料。本实验条件下，其抗拉强度可达476.8MPa，伸长率6.51%，HB 硬度123.7。
（2）TiC/ZA35 复合材料经固溶温度330℃，固溶时间5h，时效温度120℃，时效时间8h 的热处理后塑性断裂特征明显，韧窝数量多，均匀细小。
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[参考文献] (References)
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