CN101016594A - 原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法，涉及金属基复合材料的制备技术领域，首先采用熔体反应方法制备出原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料，同时将锌或锌铝合金熔化。根据要制备的锌基复合材料中所要求的增强颗粒体积分数、该锌基复合材料基体合金中铝的含量以及已制备出的铝基复合材料浆料中增强颗粒的体积分数，如先熔化的是锌铝合金还要考虑该锌铝合金的成分，从而确定在锌或锌铝合金中需要加入的铝基复合材料浆料的量，将定量出的铝基复合材料浆料加入到锌或锌铝合金熔体中，并通过缓慢搅拌，制备出颗粒增强锌基复合材料。本发明生成原位增强颗粒的化学反应温度受锌或锌合金的制约小，可以有效地控制锌基复合材料中增强颗粒的体积分数。

Description

原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料的制备技术领域，即采用原位合成颗粒增强铝基复合材料或其浆料与锌或锌合金液体混合制备原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法。
背景技术
近年来，由于锌铝合金优异的性能/价格比，国内外学者对锌铝合金开展了大量的研究工作，其研究范围非常广泛，不断取得新的进展，其中一个重要的方面就是锌基复合材料的开发应用。目前开发应用的锌基复合材料多为外加颗粒增强锌基复合材料，主要采用熔体搅拌法制备(如《铸造》2003年第4期的《高能超声作用下SiCp/ZA27复合材料的制备及性能》)。但是采用熔体搅拌法制备金属基复合材料的过程中，由于陶瓷增强颗粒与液态金属的润湿性差，使得小尺寸、高含量增强体在熔体中弥散困难，分布不均；复合过程通常还伴随着有害化学反应的发生，使材料冲击韧性下降。针对这些情况，已开发出不少复合工艺，如利用比较成熟的粉末冶金法、机械合金化法等获得了界面反应不严重、增强体含量较高，能均匀分布的金属基复合材料，但缺点是成本较高，而且对于锌合金适用性也比较差。为此，寻求一种能显著改善颗粒/熔体润湿性、促进颗粒在熔体中均匀分散，工艺简便、成本低廉的锌基复合材料制备方法非常必要。
施忠良(Zhong-liang Shi)等人(见Structure control of in-situ silicon particle reinforcedZn-27Al composite materials.Journal of Materials Processing Technology，1997：417-420)提出采用过共晶Al-Si合金半固态浆料与Zn-Al合金熔体混合的方法原位制备锌基复合材料，获得了硅颗粒分布良好的锌基复合材料。但是该方法本身有其局限性，生成的颗粒只能是硅颗粒，而且体积分数也受到了极大的限制。因此，如何利用原位生成复合材料增强颗粒/熔体界面润湿好的优点，同时拓宽所生成的增强颗粒的类型，并有效控制增强颗粒的体积分数，就成了开发新型锌基复合材料及其制备技术的关键。
发明内容
本发明的目的是提出一种原位颗粒增强锌基复合材料的制备技术，即采用原位合成颗粒增强铝基复合材料或其浆料与锌或锌合金液体混合制备原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法。
具体而言为：首先采用熔体反应方法制备出原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料，同时将锌或锌铝合金熔化。将锌熔化时，根据要制备的原位颗粒增强锌基复合材料中所要求的增强颗粒体积分数、该锌基复合材料基体合金中铝的质量百分含量以及已制备出的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料中增强颗粒的体积分数，确定在锌熔体中需要加入的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料的量；而熔化锌铝合金时，还要同时考虑锌铝合金中铝的质量百分含量，从而确定在锌铝合金熔体中需要加入的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料的量。将定量出的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料加入到锌或锌铝合金熔体中，缓慢搅拌，以不引起合金熔体剧烈翻腾为限，制备出原位颗粒增强锌基复合材料。
锌基复合材料的基体合金一般为高铝锌基合金，如ZA22、ZA27或ZA35。
根据实际需要，也可以先制备出原位合成颗粒增强铝基复合材料坯料，然后根据要求对铝基复合材料坯料进行重熔，制备原位颗粒增强锌基复合材料。还可以直接把原位合成颗粒增强铝基复合材料坯料加入到锌或锌铝合金液体中重熔，制备原位颗粒增强锌基复合材料。在混合或直接重熔过程中，要对熔体进行必要的搅拌，以防止增强颗粒出现团聚现象。
该制备技术的主要优点有：
1)原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料与锌或锌合金液体直接混合，有利于增强颗粒的均匀分散；
2)生成原位增强颗粒的化学反应温度受锌或锌合金的制约小，有利于选择合适类型的增强颗粒，如可以制备出分别采用Al2O3、TiB2+Al3Ti、ZrB2+Al3Zr以及Al2O3+ZrB2+Al3Zr各类颗粒增强的原位颗粒增强锌基复合材料；
3)通过控制加入的铝基复合材料本身的增强颗粒体积分数以及铝基复合材料在锌基合金中的加入量，可以有效地控制锌基复合材料中原位增强颗粒的体积分数。
总之，通过上述制备技术，可以成功制备增强颗粒体积分数可控、分布均匀的原位颗粒增强锌基复合材料。
附图说明
图1 8.5％Al2O3颗粒增强锌基复合材料的SEM照片
具体实施方式
根据本发明所述技术方案选取具体实施例进行说明如下：
实施例1
首先采用熔体反应方法，在纯铝中720℃添加Al2(SO4)3，通过机械搅拌方法使其均匀分散在铝熔体中，并在该温度下通过化学反应制备出含Al2O3颗粒15％(体积分数)的原位合成Al2O3颗粒增强铝基复合材料浆料，同时将1300克纯锌熔化。要制备的原位颗粒增强锌基复合材料的基体选择ZA27合金，ZA27合金的成分要求为：Al为25％～28％、Cu为1.5％～2.5％、Mg为0.01％～0.03％。根据这一成分要求、原位合成Al2O3颗粒增强铝基复合材料浆料以及要制备的原位颗粒增强锌基复合材料中要求的增强颗粒体积分数，各组成材料的加入量要求如表1所示。将颗粒增强铝基复合材料浆料与锌液均匀混合，即制备出基体为ZA27合金的原位颗粒增强锌基复合材料。所制备的原位颗粒增强锌基复合材料扫描电镜(SEM)照片如图1，锌基复合材料中Al2O3增强颗粒的实际体积分数为8.5％。
表1制备Al2O3p/ZA27复合材料所使用的各种材料的量
材料名称 纯锌   原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料 Al-20％Cu中间合金 Al-10％Mg中间合金
  加入量(g)   1300   660   100   5
实施例2
首先对熔体反应方法，在纯铝中720℃添加Al2(SO4)3，通过机械搅拌方法使其均匀分散在铝熔体中，并在该温度下通过化学反应制备出的含15％(体积分数)Al2O3颗粒的反应合成颗粒增强铝基复合材料坯料进行重熔，同时将1200克ZA6锌铝合金熔化。要制备的原位颗粒增强锌基复合材料的基体选择ZA35合金，ZA35合金的成分要求为：Al为34％～36％、Cu为2.3％～2.5％、Mg为0.02％～0.04％。根据这一成分要求、原位合成Al2O3颗粒增强铝基复合材料浆料以及要制备的原位颗粒增强锌基复合材料中要求的增强颗粒体积分数，各组成材料的加入量要求如表2所示。将颗粒增强铝基复合材料浆料与ZA6锌铝合金熔体均匀混合，制备出基体为ZA35合金的原位颗粒增强锌基复合材料。所制备的原位颗粒增强锌基复合材料中Al2O3增强颗粒的实际体积分数为8.0％。
表2制备Al2O3p/ZA35复合材料所使用的各种材料的量
材料名称 ZA6锌铝合金   原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料 Al-20％Cu中间合金 Al-10％Mg中间合金
  加入量(g)   1200   700   150   5
实施例3
首先采用熔体反应方法，在纯铝中720℃添加K2TiF6和KBF4的混合盐，并通过机械搅拌方法使其均匀分散在铝熔体中，然后在850℃左右通过化学反应制备出(TiB2+Al3Ti)混合颗粒体积分数为10％的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料，同时将1300克纯锌熔化。要制备的原位颗粒增强锌基复合材料的基体选择ZA27合金，ZA27合金的成分要求为：Al为25％～28％、Cu为1.5％～2.5％、Mg为0.01％～0.03％。根据这一成分要求、原位合成(TiB2+Al3Ti)颗粒增强铝基复合材料浆料以及要制备的原位颗粒增强锌基复合材料中要求的增强颗粒体积分数，各组成材料的加入量要求如表3所示。将颗粒增强铝基复合材料浆料与锌液均匀混合，制备出基体为ZA27合金的原位颗粒增强锌基复合材料。所制备的原位颗粒增强锌基复合材料中(TiB2+Al3Ti)增强颗粒的实际体积分数为5.2％。
表3制备(TiB2+Al3Ti)p/ZA27复合材料所使用的各种材料的量
材料名称 纯锌   原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料 Al-20％Cu中间合金 Al-10％Mg中间合金
  加入量(g)     1300   650   100   5
实施例4
首先采用熔体反应方法，在纯铝中720℃添加Zr(CO3)2，并通过机械搅拌方法使其均匀分散在铝熔体中，然后在850℃左右通过化学反应制备制备出(Al2O3+Al3Zr)混合颗粒体积分数为15％的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料，同时将将1300克纯锌熔化。要制备的原位颗粒增强锌基复合材料的基体选择ZA27合金，ZA27合金的成分要求为：Al为25％～28％、Cu为1.5％～2.5％、Mg为0.01％～0.03％。根据这一成分要求、原位合成(Al2O3+Al3Zr)颗粒增强铝基复合材料浆料以及要制备的原位颗粒增强锌基复合材料中要求的增强颗粒体积分数，各组成材料的加入量要求如表4所示。将颗粒增强铝基复合材料浆料与锌液均匀混合，出基体为ZA27合金的原位颗粒增强锌基复合材料。所制备的原位颗粒增强锌基复合材料中(Al2O3+Al3Zr)增强颗粒的实际体积分数为8.3％。
表4制备(Al2O3+Al3Zr)p/ZA27复合材料所使用的各种材料的量
材料名称 纯锌   原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料 Al-20％Cu中间合金 Al-10％Mg中间合金
  加入量(g)     1300   650   100   5

Claims (4)

1、原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其特征在于：首先采用熔体反应方法制备出原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料，同时将锌或锌铝合金熔化；将锌熔化时，根据要制备的原位颗粒增强锌基复合材料中所要求的增强颗粒体积分数、该锌基复合材料基体合金中铝的质量百分含量以及已制备出的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料中增强颗粒的体积分数，确定在锌熔体中需要加入的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料的量；而熔化锌铝合金时，还要同时考虑锌铝合金中铝的质量百分含量，从而确定在锌铝合金熔体中需要加入的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料的量；将定量出的铝基复合材料浆料加入到锌或锌铝合金熔体中，缓慢搅拌，以不引起合金熔体剧烈翻腾为限，制备出原位颗粒增强锌基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其特征在于：锌基复合材料基体合金为高铝锌基合金。
3、一种原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其特征在于：先将权利要求1中所述的熔体反应方法制备出原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料制备成坯料后根据要求对铝基复合材料坯料进行重熔，同时将锌或锌铝合金熔化；将锌熔化时，根据要制备的原位颗粒增强锌基复合材料中所要求的增强颗粒体积分数、该锌基复合材料基体合金中铝的质量百分含量以及已制备出的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料中增强颗粒的体积分数，确定在锌熔体中需要加入的原位合成颗粒增强铝基复合材料重熔浆料的量；而熔化锌铝合金时，还要同时考虑锌铝合金中铝的质量百分含量，从而确定在锌铝合金熔体中需要加入的原位合成颗粒增强铝基复合材料重熔浆料的量；将定量出的铝基复合材料浆料加入到锌或锌铝合金熔体中，缓慢搅拌，以不引起合金熔体剧烈翻腾为限，制备出原位颗粒增强锌基复合材料。
4、一种原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其特征在于：先将权利要求1中所述的熔体反应方法制备出原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料制备成坯料然后直接加入到锌或锌铝合金液体中重熔；加入到锌中重熔时，根据要制备的原位颗粒增强锌基复合材料中所要求的增强颗粒体积分数、该锌基复合材料基体合金中铝的质量百分含量以及已制备出的原位合成颗粒增强铝基复合材料浆料中增强颗粒的体积分数，从而确定在锌中需要加入的原位合成颗粒增强铝基复合材料坯料的量；加入到锌铝合金中重熔时，还要同时考虑锌铝合金中铝的质量百分含量，从而确定在锌铝合金熔体中需要加入的原位合成颗粒增强铝基复合材料坯料的量；重熔过程中，要对熔体进行搅拌，以不引起合金熔体剧烈翻腾为限，制备出原位颗粒增强锌基复合材料。
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Assignor: Jiangsu University

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Denomination of invention: Method of preparing original position particle reinforced zinc-based composite material

Granted publication date: 20090520

License type: Exclusive License

Open date: 20070815

Record date: 20100611