擠壓比壓對(duì)za35-35mn合金微觀組織及力學(xué)性能的影響

擠壓比壓對(duì)za35-35mn合金微觀組織及力學(xué)性能的影響

采用射流沉積法制備的主軸具有一定的孔孔隙率。這些孔容易集中，材料的有效支撐面積容易減小，力學(xué)性能降低，密度相對(duì)較低。通過(guò)合理的后續(xù)致密化工藝對(duì)噴射沉積錠坯進(jìn)行致密化處理,能得到高致密度組織,可以改善或提高合金的各種性能。因此,對(duì)噴射沉積錠坯的后續(xù)致密化處理成為人們研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前,針對(duì)噴射沉積所得沉積錠坯采用的致密化工藝主要有熱擠壓、軋制、鍛壓、楔形壓制和熱等靜壓等。熱擠壓是一種可有效實(shí)現(xiàn)含孔隙錠坯致密化的通用工藝。噴射沉積多孔材料經(jīng)過(guò)擠壓過(guò)程中強(qiáng)烈的剪切變形,可在很大程度上消除孔洞、氧化膜等缺陷,阻止裂紋的生成和擴(kuò)展,最大限度地發(fā)揮材料的塑性。用熱擠壓工藝可以獲得棒材、管材、型材、帶材等,進(jìn)一步加工能得到具體制品。擠壓比壓、擠壓溫度和擠壓比是熱擠壓工藝的3個(gè)重要工藝參數(shù)。前期實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)擠壓比為21.6和擠壓溫度為280℃可使噴射沉積ZA35-3.5Mn合金具有良好的力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上,選擇不同的擠壓比壓,研究擠壓比壓對(duì)噴射沉積ZA35-3.5Mn合金組織和力學(xué)性能的影響,推薦綜合力學(xué)性能良好的擠壓比壓值。1實(shí)驗(yàn)方法和材料以ZA35為研究對(duì)象,主要原材料采用鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%的鋅錠;鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.95%,牌號(hào)為Al-00的純鋁錠;鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.98%的鎂錠,以及Cu和Mn。其中Cu和Mn分別以A1-50Cu和Al-10Mn中間合金形式加入。合金在KH84-11型30kW井式電阻爐中熔煉,金屬液保溫30min,在JWC2-10型多功能超音速氣體霧化噴射沉積設(shè)備制備沉積錠坯。合金化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Zn-34.67%Al-3.38%Mn-2.37%Cu-0.15%Mg。噴射沉積錠坯在YH61.500G型金屬擠壓機(jī)上進(jìn)行熱擠壓,分別選擇擠壓比壓為400,430,460,490MPa,對(duì)噴射沉積錠坯進(jìn)行熱擠壓。在錠坯熱擠壓前先進(jìn)行0.5h的280℃保溫,并對(duì)模具進(jìn)行加熱,模具的預(yù)熱溫度不低于230℃。拉伸實(shí)驗(yàn)在CSS-55100電子萬(wàn)能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試樣為片狀標(biāo)準(zhǔn)試樣。硬度測(cè)試在HB-3000型布氏硬度計(jì)上進(jìn)行,數(shù)值取5點(diǎn)平均值;噴射沉積錠坯及不同擠壓比壓下合金的組織觀察在S-3400N型日立掃描電子顯微鏡上進(jìn)行;物相分析在O/MAX-RBX型X射線衍射儀上進(jìn)行。2結(jié)果與分析2.1擠壓態(tài)合金的x-射線衍射圖1為合金在擠壓比21.6、擠壓溫度為280℃時(shí),不同擠壓比壓下的微觀組織?？梢钥闯?擠壓比壓低于460MPa,合金的晶粒隨擠壓比壓增加逐漸細(xì)小;當(dāng)擠壓比壓升高至490MPa,合金晶粒又出現(xiàn)粗大現(xiàn)象。不同擠壓比壓條件下,合金組織中均出現(xiàn)少量白色顆粒相。適宜擠壓比壓下合金細(xì)小,其原因在于該比壓作用下合金錠坯發(fā)生塑性變形的升溫。合金擠壓溫度為280℃,加上變形溫升,實(shí)際變形溫度已經(jīng)超過(guò)其300℃左右的再結(jié)晶溫度,擠壓過(guò)程中合金發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,使晶粒細(xì)小。但當(dāng)擠壓比壓高至490MPa,擠壓過(guò)程中擠壓力增加,剪切應(yīng)變加速,因變形引起的熱效應(yīng)使ZA35-3.5Mn合金擠壓棒材的溫度升得更高,再加之實(shí)驗(yàn)中擠壓后的合金棒冷卻方式采用空冷;所以在擠壓過(guò)程中以及擠壓變形后合金棒溫度較高,進(jìn)而導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。對(duì)白色顆粒相進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)顆粒中Zn、Al、Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和原子數(shù)分?jǐn)?shù)依次為20.21%、60.58%、19.22%和10.64%、77.31%、12.04%,可知白色顆粒相近似為ZnMnAl6富錳相。擠壓比壓為460MPa下合金的X-射線衍射結(jié)果,見圖2?？梢钥闯?在擠壓態(tài)合金中,確實(shí)有富錳相ZnMnAl6存在。由于未發(fā)現(xiàn)富銅相,Cu仍分布于基體中,Cu在合金中固溶強(qiáng)化而使合金具有較高的強(qiáng)度。少量富錳相主要偏聚于晶界處,大部分Mn元素仍固溶到基體中,起固溶強(qiáng)化作用。根據(jù)Mn-Al相圖可知,Mn在α-鋁相中的固溶度能達(dá)到9.2%,噴射沉積冷卻速率高,實(shí)驗(yàn)中Mn加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%,未擠壓前合金組織中并不含有富錳相;在擠壓過(guò)程中,由于是熱擠壓,一定程度上對(duì)合金進(jìn)行了時(shí)效處理,因而析出部分富錳相。由于擠壓后析出的富錳相粒子絕大多數(shù)分布于晶界處,有助于阻礙晶界移動(dòng)和再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大,從而控制晶粒尺寸使ZA35-3.5Mn合金的力學(xué)性能提高。2.2應(yīng)力擠壓過(guò)程圖3為不同擠壓比壓對(duì)噴射沉積ZA35-3.5Mn合金抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度的影響?？梢?隨著擠壓比壓的增加,抗拉強(qiáng)度、硬度及伸長(zhǎng)率都有所增加,當(dāng)壓力達(dá)到460MPa,抗拉強(qiáng)度為508MPa、伸長(zhǎng)率為6.3%、硬度為140HBS,綜合力學(xué)特性達(dá)到最大值。擠壓比壓繼續(xù)增加,合金抗拉強(qiáng)度和硬度基本保持略上升,而伸長(zhǎng)率則下降較明顯。可見,擠壓比壓達(dá)到一定數(shù)值之后,再增大擠壓比壓對(duì)力學(xué)性能的提高作用不大,反而增加動(dòng)力消耗而降低模具壽命。因此,實(shí)驗(yàn)選擇擠壓比壓為460MPa。噴射沉積ZA35-3.5Mn合金錠坯在三向壓應(yīng)力擠壓過(guò)程中產(chǎn)生徑向壓縮軸向延伸的變形流動(dòng),可使合金錠坯內(nèi)部孔洞閉合,阻止裂紋生成及擴(kuò)展。擠壓時(shí)錠坯與擠壓筒壁之間存在摩擦,形成剪切作用,利于錠坯中夾雜氧化膜的破碎,形成新的結(jié)合界面,通過(guò)冶金結(jié)合提高材料的強(qiáng)度。當(dāng)擠壓比壓為400MPa,由于壓力不足,由圖1a可見合金中尚存在少量孔隙,降低了材料的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。進(jìn)一步增大擠壓比壓,由圖1b和圖1c可知合金中孔隙逐漸消失,力學(xué)性能得到提高;熱擠壓本身是一個(gè)復(fù)雜的熱力學(xué)過(guò)程,當(dāng)擠壓比壓達(dá)到490MPa,擠壓力大幅提高,相應(yīng)地施加在錠坯外部能量也增加,這些能量轉(zhuǎn)化為熱能,引起錠坯的溫度大幅升高,為晶粒生長(zhǎng)提供能量和驅(qū)動(dòng)力,導(dǎo)致晶粒發(fā)生粗化,降低合金力學(xué)性能。另外,固溶于合金中的過(guò)飽合錳部分析出,形成富錳相,出現(xiàn)彌散強(qiáng)化,固溶強(qiáng)化的降低和彌散強(qiáng)化增強(qiáng)的綜合結(jié)果使合金的硬度略有升高,而伸長(zhǎng)率下降?？傮w而言,當(dāng)擠壓比壓為460MPa,熱擠壓合金組織中微小孔隙消失,晶粒和析出富錳相的尺寸均很小,細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化協(xié)同作用使噴射沉積ZA35-3.5Mn合金的綜合力學(xué)性能保持在較高的水平。不同擠壓比壓下噴射沉積ZA35-3.5Mn合金的拉伸斷口形貌,如圖4所示。可知,擠壓比壓為400MPa合金的斷口出現(xiàn)明顯的解理層,隨著擠壓比壓的增加,合金斷口韌窩數(shù)量逐漸增加,當(dāng)擠壓比壓為460MPa合金的斷口出現(xiàn)大量的韌窩,撕裂棱細(xì)小且分布均勻,韌窩較深且直徑較小,趨近于完全的韌性斷裂,其塑性得到提高,進(jìn)一步印證了擠壓比壓為460MPa的合金伸長(zhǎng)率最高的現(xiàn)象。擠壓比壓為490MPa下合金的斷裂形式為混合型斷裂,但以脆性斷裂為主。合金斷口存在明顯的解理平臺(tái),伴隨少量標(biāo)志韌性斷裂的韌窩,斷口上有裂紋。裂紋主要從脆性相上產(chǎn)生并擴(kuò)展,使合金塑性變差,伸長(zhǎng)率下降。3擠壓比壓對(duì)za33-3.2mn合金力學(xué)性能的影響1)擠壓比壓低于460MPa,噴射沉積ZA35-3.5Mn合金的晶粒隨擠壓比壓增加進(jìn)一步細(xì)化;擠壓比壓升高至490MPa,合金晶粒發(fā)生粗化。隨著擠壓比壓增大,合金組織中出現(xiàn)較多白色富錳相。2)隨著擠壓比壓增加,噴