2017, Vol. 38
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.
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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 |
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.
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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. |
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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. |
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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. |
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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