东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期: 2015-09-10
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51525101, 51371046); 教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NECT-12-0109); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N130610002); 东北大学优秀博士学位论文培育项目A类。
作者简介: 孙世能(1987-),男,辽宁大连人,东北大学博士研究生;
秦高梧(1970-),男,江苏盐城人,东北大学教授,博士生导师。
摘要: 利用拉伸试验和扫描电镜, 研究了在150℃, 挤压比对反向挤压ZA15锌合金的微观组织和力学性能的影响.结果表明: 随着挤压比的增加, ZA15锌合金室温抗拉强度有所提高, 但都在150MPa以下.其伸长率在160%~180%, 具有室温超塑性.这主要是由于均匀化后形成的(α＋η)片层共析组织经塑性变形后转变成以η相为基体, α相呈粒状弥散分布组织.这意味着采用低温常规挤压制备ZA15锌合金即可获得室温超塑性, 同时, 其力学性能也能够满足热喷涂ZA15锌合金线材的新标准要求.
关键词：ZA15锌合金挤压比显微组织力学性能反向挤压
Effects of Extrusion Ratio on Microstructure and Mechanical Property of ZA15 Zn Alloy Extruded at Lower Temperature
SUN Shi-neng, WANG Li-qing, REN Yu-ping, QIN Gao-wu
Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110819, China.
Corresponding author: QIN Gao-wu, E-mail: qingw@smm.neu.edu.cn
Abstract: The effects of extrusion ratio on microstructures and mechanical properties of ZA15 Zn alloy extruded at 150℃ were investigated by microscopy and tensile test. The results showed that the tensile strength of the extruded ZA15 Zn alloy is improved with increasing of the extrusion ratio, but all are lower than 150MPa. And the tensile elongation remains about 160%~180%, which is the feature of room temperature superplasticity. This is mainly because the lamellar eutectoid microstructure composed of α+η phases formed by heat treatment is transformed into one consisting of the η matrix and small α phase particle with dispersive distribution through plastic deformation. It implies that the room temperature superplasticity can be obtained in the ZA15 Zn alloy manufactured by the common extrusion at lower temperatures, and the mechanical properties can be satisfied with the new standard of the ZA15 Zn alloy wire used to thermal spraying industry.
Key Words: ZA15 Zn alloyextrusion ratiomicrostructuremechanical propertybackward extrusion
Zn-15%Al(ZA15) 锌合金线材具有良好的耐蚀性和综合力学性能,而被广泛应用于复杂钢结构的热喷涂防腐[1-4].随着对防腐热喷涂设备要求的提高,为了减少合金线材在送丝的过程中遇到的阻力,要求降低并稳定锌铝合金线材的抗拉强度在150MPa以下,伸长率大于40%,以减少堵枪的发生[5].当前的ZA15锌合金丝的制备工艺是在共析温度(277℃)左右挤压成棒材+多道次减径拉拔至实际需要的尺寸.其挤压棒材的抗拉强度在220MPa左右,伸长率约为50%,组织形貌是片粒混合[6-7],其拉拔后的线材抗拉强度为210MPa左右,伸长率在75%左右,组织形貌没有发生明显改变,只是稍微细化了一些[8-10].而钱国统等采用轴向挤压+拉拔制备的ZA15锌合金线材其抗拉强度在220MPa左右,伸长率在80%左右,得到的基本是粗大不均匀粒状组织形貌.而采用径向挤压+拉拔制备的ZA15锌合金线材其抗拉强度在175MPa左右,伸长率在110%左右,得到的基本是细小的粒状组织形貌[11].这意味着如何制备出细小均匀的粒状组织是ZA15锌合金线材获得低强高塑的关键.与Fe-C合金相似,在Zn-Al合金中也存在相似的共析反应[12].片层的共析钢组织经过低温热变形处理获得粒状组织,可以使塑性提高,而强度降低[13-15].因此,本文研究了在150℃低温条件下,反向挤压制备ZA15锌合金线材的组织和力学性能,并探讨了挤压比对其组织与性能的影响,从而为低强高塑ZA15锌合金的制备提供基础性数据.
1 实验材料和实验方法实验选用99.99%Zn和99.99%Al(质量分数)来制备ZA15锌合金,其化学成分是Al质量分数为14.8%,其余为Zn.首先在720℃熔化Al,后加入Zn.降低到500℃浇注到水冷铁模中,得到直径为60mm的圆柱形铸锭.然后在350℃保温5h进行均匀化热处理,水淬,加工成φ46mm的挤压坯料.最终在200t挤压机上进行反挤压,挤压温度为150℃,挤压比分别为16,23,36,64,空冷至室温.
将不同挤压比的ZA15锌合金加工成标距为25mm,标距处直径为5mm的拉伸试样(其轴向平行于挤压方向),在AG-X型万能试验机上进行室温拉伸实验,应变速率为10-3 s-1.
在JSM-6510型扫描电子显微镜下进行组织观察.其样品经200#~2000＃砂纸研磨后,再用0.5μm金刚石研磨膏机械抛光制得.
2 结果与讨论2.1 不同挤压比ZA15锌合金的力学性能图 1为在150℃,不同挤压比条件下,挤压态ZA15锌合金的工程应力-应变曲线.挤压比对ZA15锌合金的伸长率没有明显影响,基本保持在160%~180%,具有明显的室温超塑性.而其抗拉强度随着挤压比增加而有所提高,即从挤压比为16的108MPa增加到挤压比为64的138MPa,提高了约28%,但都在150MPa以下.这表明了低温挤压的ZA15锌合金的抗拉强度低于高温挤压的ZA15锌合金,塑性却远远大于后者[6, 7, 11].因此低温挤压制备ZA15锌合金线材坯料有可能满足未来热喷涂行业的标准要求.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 不同挤压比的ZA15锌合金的工程应力-应变曲线Fig.1 Engineering stress-strain curves of ZA15 Zn alloy with different extrusion ratios |
2.2 不同挤压比ZA15锌合金的微观组织图 2为ZA15锌合金铸态及均匀化后的背散射电子形貌.ZA15锌合金铸态组织存在两种形貌,粗大的初晶富铝α相在凝固过程中通过共析转变产生的片层状组织以及由粗大富锌η相基体上分布细小粒状的α相组成的离异共晶体(图 2a).经过均匀化后,片层团域发生了细化,而其内部依然保持片层组织特征.在离异组织中α相发生了聚集长大,并在冷却的过程中发生了共析转变而形成了新的片层状组织(图 2b).
在150℃,经不同挤压比获得的ZA15锌合金,其组织形貌如图 3所示.经过低温挤压后,均匀化后的α＋η片层共析组织基本转变成了以η相为基体,细小粒状α相弥散分布的组织.随着挤压比增加,其粗大的离异共晶η相沿着挤压方向发生塑性变形,且分布更加均匀.这种组织形貌可能是ZA15锌合金产生室温超塑性的主要原因,并且使得其抗拉强度远低于高温挤压的[6-7].
2.3 不同挤压比ZA15锌合金断口形貌图 4为ZA15锌合金的断口形貌,断口的韧窝呈带状分布,而且深浅不一,表现出明显的韧性断裂特征.挤压比为16的合金韧窝直径较大,韧窝较浅.而挤压比为36的合金韧窝较小,且韧窝较深.不同挤压比的合金塑性都较好,相对比较而言,挤压比为16的塑性最低,挤压比为36的塑性最好.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 ZA15锌合金的微观组织Fig.2 SEM images of ZA15 Zn alloy (a)—铸态; (b)—均匀化后. |
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同挤压比ZA15锌合金的纵截面微观组织Fig.3 SEM images of extruded ZA15 Zn alloy in cross direction with different extrusion ratios (a)—16; (b)—23; (c)—36; (d)—64. |
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同挤压比ZA15锌合金的拉伸断口形貌Fig.4 Fracture morphology of ZA15 Zn alloy with different extrusion ratios (a)—16; (b)—23; (c)—36; (d)—64. |
3 结论1) 在150 ℃挤压ZA15锌合金,挤压比对其伸长率没有明显影响,都在160%~180 %,具有明显的室温超塑性.
2) ZA15锌合金的抗拉强度随着挤压比增加而有所提高,但都在150MPa以下.
3) 均匀化后的α＋η片层共析组织经低温塑性变形后基本转变成了以η相为基体,粒状α相弥散分布的组织,且粗大的离异共晶相η也沿着挤压方向发生塑性变形且变得更加细小均匀.这是其产生室温超塑性的组织因素.
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