原位结晶法制备Mg2Si/ZA40复合材料研究

李政+解念锁

摘 要：应用重力铸造工艺，选用Sb变质剂制备Mg2Si/ZA40复合材料。利用金相显微镜、扫描电镜分析复合材料显微组织及断口特征。应用硬度测试、拉伸试验研究复合材料硬度及抗拉强度。结果表明，应用重力铸造工艺制备Mg2Si/ZA40基复合材料，在未变质处理条件下，初生Mg2Si相颗粒较粗大，形貌多呈现树枝形状。选用Sb变质剂进行变质处理后，Mg2Si相以小颗粒状分布，组织更加致密；随着变质处理温度的提高，复合材料的硬度先升高，然后下降；复合材料的强度在720℃升高明显。

关键词：Sb变质剂；Mg2Si/ZA40复合材料；力学性能

1 概述

随着机械工业、电器工业，电子信息工业的高速发展，对铜及其合金的消耗量不断增大。铜资源的可开采量也不断减少，影响了铜资源的可持续发展。机械工业中，制造滑动轴承零件使用大量的青铜、黄铜等铜合金，开发性价比较高，能代替铜合金的环境替代材料，具有重要的现实意义。锌铝合金是重要的锌合金材料，具有比重小、成形方便、熔铸工艺简单，价格低等优点[1]。但是，锌铝合金制造滑动轴承零件时，在低速重载条件下，用于替代铜合金具有良好的经济效益，对于节约铜资源具有一定的价值[2]；当承受重载荷时，耐磨损性能并不明显[3]。锌中加入40wt%的铝元素后，由于铝含量增加，锌铝合金中的α相数量增多，提高固溶强化能力，从而改善锌铝合金的机械性能、提高耐磨性能。同时，以锌铝合金为基体，以金属化合物等硬颗粒为增强相，制备颗粒增强锌铝合金基复合材料，可以合理利用锌铝合金基体的固溶强化能力和金属化合物等硬颗粒的高硬度、良好耐磨性能，提高材料的使用性能。采用普通重力铸造法，在ZA40合金中添加一定量硅元素和镁元素制备出Mg2Si/ZA40复合材料，采用变质处理工艺，可以改善合金基体及增强相组织[4，5]。所以研究Mg2S/ZA40复合材料的制备工艺及力学性能，对于发展以锌合金代替铜合金，扩大锌铝合金的应用范围，节约重要的我国铜资源，保护环境，促进铜工业可持续发展具有一定的实际应用价值。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验原材料有工业纯Zn、Al-30wt.%Si中间合金、工业纯Mg、工业纯Al。熔炼Mg2S/ZA40复合材料的加热电阻炉为3kW坩埚电阻炉，熔炼坩埚选用石墨坩埚。RJX-45-9型箱式电阻炉对钟罩、Mg2S/ZA40复合材料溶体搅拌棒、扒渣勺子、浇勺等进行预热加热或烘干。熔炼Mg2S/ZA40复合材料前必须保证设备的安全性、可靠性及完整性。由于使用电阻炉，熔炼温度较高，一定要检查电源线是否完好，电源线插头是否正常等，熔炼坩埚是否存在裂纹及形变等缺陷。为了保护金属模具、容器和工具，熔炼复合材料前要涂刷自制的涂料，涂料配方为25wt.%滑石粉，6wt.%水玻璃，其余是水。涂刷涂料后的容器及工具，先在200℃箱式电阻炉进行预热烘干处理。熔炼复合材料时，先将预热至200℃的Al和Al-30wt.%Si合金加入到预热好的石墨坩埚中，当温度升高温到700℃时，加入预热过的工业纯Zn。然后加入C2Cl6进行精炼处理，精炼处理后，在金属熔体中加入工业纯Mg。采用Sb作为变质剂，合金溶液经过变质处理后，进行清渣、静置，然后浇入经过预热处理的金属型标准拉伸试样模具。

2.2 试验方法

选用金属型标准拉伸试样模具，应用重力铸造法，应用EPIPHOT-300U 型显微镜进行分析ZA40基体合金材料和Mg2S/ZA40复合材料的显微组织。利用JSM-6390LV扫描电镜进行分析基体合金材料和复合材料的断口形貌观察及断裂机理。复合材料的力学性能实验应用WAW-1000型的微机控制伺服万能试验机进行测试。采用氢氟酸、盐酸、硝酸混合水溶液腐蚀金相试样。

3 试验结果和分析

3.1 变质剂对复合材料显微组织的影响

图1是Mg2Si/ZA40复合材料金相组织，其中Mg2Si含量为9%。图1（a）是未变质的Mg2Si/ZA40复合材料金相组织，由图1（a）可知，未變质的基体中的初生Mg2Si相呈灰黑色，Mg2Si较粗大且基本都带有尖角，更多的Mg2Si相表现为十字花状、树枝状，少部分是花瓣状。这是因为Mg2Si相在熔体中形核后，是以小平面择优取向的生长方式进行定向生长，表现为沿着不同的晶向生长速度不同。分析金相组织发现，初生的α相枝晶间距比较大，基体组织比较粗大，不利于金属材料的细晶强化作用。图1（b）是在720℃加入0.9%的变质剂Sb进行变质处理后的金相组织，由图1（b）可知，对Mg2Si/ZA40复合材料进行Sb变质处理后，材料的显微组织变化较大，其中基体合金晶粒细化，组织更加致密。复合材料中树枝状的初生Mg2Si相已经非常少，由较细小的颗粒状Mg2Si取代，Mg2Si大多以多边形存在，有的呈现四边形的形貌特征。大多数Mg2Si相没有尖锐的棱角，呈现出显著的钝化效果，整体表现Mg2Si颗粒较为规则，分布也较均匀。这种细小、致密的显微组织，有利于减小应力集中，改善复合材料的力学性能。

3.2 变质处理对复合材料力学性能的影响

对Mg2Si/ ZA40复合材料在700℃-740℃进行变质处理，变质剂Sb的加入量为0.9%，变质处理时间为20min。结果发现，随着变质处理温度的提高，Mg2Si/ZA40复合材料强度先升高，然后下降。在高温区随温度升高，强度降低不大；在低温区随温度升高，强度增大较多。这是因为随着变质处理温度的提高，Mg2Si相形态和分布变化较大。高温区随温度升高，Mg2Si相呈现为颗粒状，Mg2Si有增大的趋势；在低温区随温度升高，Mg2Si相呈现为由花瓣状变为颗粒状，Mg2Si颗粒化明显，细化趋势较大，具有细晶强化效果。对Mg2Si/ZA40复合材料在720℃进行变质处理，变质时间为20min，然后在730℃下进行浇注。变质剂Sb含量由0.2%增加到1.8%时，Mg2Si/ ZA40硬度值随变质剂Sb的增加表现出极大值的特征。当变质剂Sb的加入量为0.9%时，Mg2Si/ZA40硬度最高。Sb的加入量为小于0.9%时，Sb的加入量越大，硬度越大；Sb的加入量为大于0.9%时Sb的加入量越大，硬度越小。这是因为，变质剂Sb加入到复合材料熔体中，一方面细化了ZA40基体合金的晶粒；另一方面改变了Mg2Si相的生长方式，抑制了Mg2Si相的定向长大现象，改变了Mg2Si相的形态和分布，使得Mg2Si颗粒变得细小，棱角钝化，分布均匀。但是，变质剂Sb含量较少时，变质处理不充分，变质程度达不到最佳效果；变质剂Sb含量太多时，形成过变质现象，使得复合材料基体组织及增强颗粒达不到理想效果。

Mg2Si/ZA40复合材料拉伸断口分析表明，选用Sb变质剂进行变质处理后，复合材料断口上Mg2Si颗粒断面较细小，分布较均匀，Mg2Si颗粒周围基体合金的断口撕裂棱细小，分布较细密，这同基体合金晶粒尺寸细化有关，有利于提高材料的力学性能。

4 结束语

（1）应用重力铸造工艺制备Mg2Si/ZA40基复合材料。在未变质处理条件下，初生Mg2Si相颗粒较粗大，形貌多呈现树枝形状。（2）选用Sb变质剂进行变质处理后，Mg2Si相变化较大，主要以小颗粒状分布，组织更加致密，Mg2Si分布也相对均匀。（3）Sb变质剂进行变质处理后，随着变质处理温度的提高，复合材料的硬度先升高，然后下降；复合材料的强度在720℃升高明显。

参考文献

[1]康巍，李振国，郑子樵.原位反应法TiB2/ZA27复合材料的组织及性能研究[J].热加工工艺，2016，45（16）：84-88.

[2]解念锁，鲁朕.4.5%Sip/ZA40复合材料的组织及耐磨性能研究[J].热加工工艺，2014，48（8）：120-122.

[3]王艳，解念锁，李春月，等.原位结晶法制备颗粒增强锌基复合材料的研究进展[J].铸造技术，2010，31（5）：656-659.

[4]王孝良，周崎，王 .Nd对原位自生Mg2Si/Al复合材料的变质作用[J].热加工工艺，2013，42（8）：115-120

[5]司颐，王 ，武晓峰.Bi对过共晶Al-15Mg2Si合金Mg2Si相的变质作用[J].铸造技术，2013，34（3）：259-262.