擠壓比壓對za35-35mn合金微觀組織及力學性能的影響

擠壓比壓對za35-35mn合金微觀組織及力學性能的影響

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，力學性能降低，密度相對較低。通過合理的后續(xù)致密化工藝對噴射沉積錠坯進行致密化處理,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,對噴射沉積錠坯的后續(xù)致密化處理成為人們研究的一個熱點。目前,針對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)過擠壓過程中強烈的剪切變形,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個重要工藝參數(shù)。前期實驗表明,當擠壓比為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性能。在此基礎上,選擇不同的擠壓比壓,研究擠壓比壓對噴射沉積ZA35-3.5Mn合金組織和力學性能的影響,推薦綜合力學性能良好的擠壓比壓值。1實驗方法和材料以ZA35為研究對象,主要原材料采用鋅的質量分數(shù)為99.7%的鋅錠;鋁的質量分數(shù)大于99.95%,牌號為Al-00的純鋁錠;鎂的質量分數(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備制備沉積錠坯。合金化學成分的質量分數(shù)為Zn-34.67%Al-3.38%Mn-2.37%Cu-0.15%Mg。噴射沉積錠坯在YH61.500G型金屬擠壓機上進行熱擠壓,分別選擇擠壓比壓為400,430,460,490MPa,對噴射沉積錠坯進行熱擠壓。在錠坯熱擠壓前先進行0.5h的280℃保溫,并對模具進行加熱,模具的預熱溫度不低于230℃。拉伸實驗在CSS-55100電子萬能拉伸實驗機上進行,試樣為片狀標準試樣。硬度測試在HB-3000型布氏硬度計上進行,數(shù)值取5點平均值;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行;物相分析在O/MAX-RBX型X射線衍射儀上進行。2結果與分析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,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小;當擠壓比壓升高至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,實際變形溫度已經(jīng)超過其300℃左右的再結晶溫度,擠壓過程中合金發(fā)生明顯的動態(tài)再結晶,使晶粒細小。但當擠壓比壓高至490MPa,擠壓過程中擠壓力增加,剪切應變加速,因變形引起的熱效應使ZA35-3.5Mn合金擠壓棒材的溫度升得更高,再加之實驗中擠壓后的合金棒冷卻方式采用空冷;所以在擠壓過程中以及擠壓變形后合金棒溫度較高,進而導致再結晶晶粒長大。對白色顆粒相進行能譜分析,發(fā)現(xiàn)顆粒中Zn、Al、Mn元素質量分數(shù)和原子數(shù)分數(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-射線衍射結果,見圖2?？梢钥闯?在擠壓態(tài)合金中,確實有富錳相ZnMnAl6存在。由于未發(fā)現(xiàn)富銅相,Cu仍分布于基體中,Cu在合金中固溶強化而使合金具有較高的強度。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,起固溶強化作用。根據(jù)Mn-Al相圖可知,Mn在α-鋁相中的固溶度能達到9.2%,噴射沉積冷卻速率高,實驗中Mn加入的質量分數(shù)為3.5%,未擠壓前合金組織中并不含有富錳相;在擠壓過程中,由于是熱擠壓,一定程度上對合金進行了時效處理,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和再結晶晶粒長大,從而控制晶粒尺寸使ZA35-3.5Mn合金的力學性能提高。2.2應力擠壓過程圖3為不同擠壓比壓對噴射沉積ZA35-3.5Mn合金抗拉強度、伸長率和硬度的影響?？梢?隨著擠壓比壓的增加,抗拉強度、硬度及伸長率都有所增加,當壓力達到460MPa,抗拉強度為508MPa、伸長率為6.3%、硬度為140HBS,綜合力學特性達到最大值。擠壓比壓繼續(xù)增加,合金抗拉強度和硬度基本保持略上升,而伸長率則下降較明顯?？梢?擠壓比壓達到一定數(shù)值之后,再增大擠壓比壓對力學性能的提高作用不大,反而增加動力消耗而降低模具壽命。因此,實驗選擇擠壓比壓為460MPa。噴射沉積ZA35-3.5Mn合金錠坯在三向壓應力擠壓過程中產(chǎn)生徑向壓縮軸向延伸的變形流動,可使合金錠坯內部孔洞閉合,阻止裂紋生成及擴展。擠壓時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,形成新的結合界面,通過冶金結合提高材料的強度。當擠壓比壓為400MPa,由于壓力不足,由圖1a可見合金中尚存在少量孔隙,降低了材料的強度和伸長率。進一步增大擠壓比壓,由圖1b和圖1c可知合金中孔隙逐漸消失,力學性能得到提高;熱擠壓本身是一個復雜的熱力學過程,當擠壓比壓達到490MPa,擠壓力大幅提高,相應地施加在錠坯外部能量也增加,這些能量轉化為熱能,引起錠坯的溫度大幅升高,為晶粒生長提供能量和驅動力,導致晶粒發(fā)生粗化,降低合金力學性能。另外,固溶于合金中的過飽合錳部分析出,形成富錳相,出現(xiàn)彌散強化,固溶強化的降低和彌散強化增強的綜合結果使合金的硬度略有升高,而伸長率下降?？傮w而言,當擠壓比壓為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,細晶強化和彌散強化協(xié)同作用使噴射沉積ZA35-3.5Mn合金的綜合力學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?？芍?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,當擠壓比壓為460MPa合金的斷口出現(xiàn)大量的韌窩,撕裂棱細小且分布均勻,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,進一步印證了擠壓比壓為460MPa的合金伸長率最高的現(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,伴隨少量標志韌性斷裂的韌窩,斷口上有裂紋。裂紋主要從脆性相上產(chǎn)生并擴展,使合金塑性變差,伸長率下降。3擠壓比壓對za33-3.2mn合金力學性能的影響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一步細化;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