CN101368237B - 一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法，涉及金属基复合材料技术领域，具体为：先将过共晶Al-Si合金熔化，并升温至液相线温度以上120～150℃，保温25～35分钟，以使其中的初生硅溶解，按照常用的过共晶Al-Si合金精炼方式对合金熔体进行精炼，并加入的(P+S)复合变质剂或者P-Cu中间合金，(P+S)复合变质剂加入量为过共晶Al-Si合金质量的0.3～1.0％，P-Cu中间合金加入量为0.4～1.2％，然后降温到液相线温度以上10～40℃；同时，将纯锌或者Zn-Al合金按复合材料基体的配比所要求的量进行熔化，升温到700～740℃。然后将处理好的过共晶Al-Si合金与纯锌或者Zn-Al合金混合均匀，扒渣后浇注冷却，获得锌基复合材料。本发明硅颗粒与合金基体之间界面结合良好，没有界面污染，保证了复合材料的力学性能。

Description

一种硅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技术领域，特指一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法。更具体地说，本发明涉及一种利用Al-Si合金与Zn或Zn-Al合金进行熔体混合，并在冷却过程中形成硅增强颗粒的锌基复合材料的制备方法。

背景技术

锌铝合金具有良好的力学性能和耐磨性能、熔点低耗能少、成本低廉、成形方便，可代替铜合金制备轴瓦、轴套、轴承等耐磨构件。该类合金共晶温度低、凝固区间大，高温强度很低。Zn-Al系α相中Al的固溶度随温度升高变化较大，组织欠稳定，限制了耐热性的提高。因此，大多数锌铝合金实际使用温度最高不超过150℃。为了解决锌铝合金在中高速重载荷时耐摩擦磨损特性差、耐高温性能差和尺寸不稳定等问题，锌铝基复合材料的研究日益受到重视。其中，颗粒增强锌基复合材料制备工艺简单，可直接铸造成形，受到了各国学者的广泛关注。

在颗粒增强锌基复合材料的制备方法中，按增强体与合金混合方式及成形工艺不同可分为挤压铸造、离心铸造、熔体浸渗、粉末冶金、定向凝固和原位反应合成等方法。在这些制备方法中，外加颗粒法如前所述的粉末冶金法、挤压铸造、离心铸造以及浸渗法等，在制备锌基复合材料之前，增强颗粒需要单独合成，主要以混料方式(如粉末冶金)引入基体或通过机械搅拌、电磁搅拌或悬浮铸造直接加入到锌合金熔体中。这类方法存在的主要不足有：增强颗粒的尺寸大，往往在几十微米以上，很少小于10μm。由于增强体颗粒表面吸附气体与杂质而受到污染，导致颗粒与锌基体之间润湿性差，二者的界面反应难于控制，较难实现增强颗粒在基体中的均匀分布，颗粒在基体中的割裂作用较为明显，削弱了增强作用。从国内外的研究来看，颗粒增强复合材料与锌铝合金相比，高温(150～180℃)性能(强度、耐磨性、蠕变等)提高显著，但室温性能改善并不明显甚至有下降趋势。

反应生成颗粒法与传统外加颗粒法相比，增强颗粒在锌基体中为热力学稳定相，利于高温工作，增强颗粒与锌基体界面干净、润湿性好、界面结合强度高，颗粒尺寸细小、分布均匀。但目前的反应生成颗粒增强锌基复合材料中多为整体增强材料，导致整体零件韧性下降，降低安全可靠性，材料成本较高。此外，反应生成的增强体多是高熔点陶瓷颗粒，在液态成形之前已经生成，体积分数较低对熔体流动性影响不大，但增强效果不明显；体积分数过高，锌合金熔体流动性下降浇注成形困难，质量稳定性差。因此，不论是外加颗粒还是反应生成法制备颗粒增强锌基复合材料在制备技术，特别是颗粒的分布上均存在较大难题，使得该方面的研究成果并不很多。由于在制备技术、防止基体或颗粒氧化、颗粒均匀分散以及提高综合性能等方面还存在诸多问题，因此颗粒增强锌基复合材料远未达到工业化生产的要求。

发明内容

本发明针对上述难题，提出一种颗粒增强锌基复合材料的制备方法，以期推动颗粒增强锌基复合材料的产业化应用。

具体而言为：

先将过共晶Al-Si合金熔化，并升温至液相线温度以上120～150℃，保温25～35分钟，以使其中的初生硅溶解，按照常用的过共晶Al-Si合金精炼方式对合金熔体进行精炼，并加入的(P+S)复合变质剂或者P-Cu中间合金，(P+S)复合变质剂加入量为过共晶Al-Si合金质量的0.3～1.0％，P-Cu中间合金加入量为过共晶Al-Si合金质量的0.4～1.2％，然后降温到液相线温度以上10～40℃；同时，将纯锌或者Zn-Al合金按复合材料基体的配比所要求的量进行熔化，升温到700～740℃。然后将处理好的过共晶Al-Si合金与纯锌或者Zn-Al合金混合均匀，扒渣后浇注冷却，获得硅颗粒细小圆整的硅颗粒增强锌基复合材料。

上述发明内容中所指Zn-Al合金，是指含铝量低于要制备的锌基复合材料基体成分的Zn-Al二元合金。

采用上述制备方法制备的硅颗粒增强锌基复合材料，合金基体的铝的质量分数在20～43％之间调整，硅颗粒的体积分数为5～15％。可以根据具体材料的要求进行配比，当要求强度、硬度高时取上限，当要求具有较好的塑性时取下限。复合材料中，硅颗粒的体积分数分数要求越高，采用的过共晶Al-Si合金中Si的含量也要求越高。当采用较高Si含量的Al-Si合金作为中间合金时，可以根据需要选择Zn-Al合金作为混合原料。

该发明技术的主要优点有：

1)通过液-液混合的方法，保证了合金成分的均匀性，混合方便，工艺简单；

2)由于硅颗粒是在凝固过程中形成的，保证了所制备的锌基复合材料具有良好的成型性能；

3)生成的硅颗粒直接从合金中形核生长，颗粒与合金基体之间界面结合良好，没有界面污染，保证了复合材料的力学性能；

4)生成的硅颗粒细小圆整、在合金基体上分布均匀。

总之，通过上述处理技术，可以成功制备出硅颗粒细小圆整、分布均匀的锌基复合材料。

附图说明

图1实施例制备的锌基复合材料的光学显微镜照片

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

要求合金基体的成分为Zn-27％Al，硅颗粒的体积分数为10％。选择过共晶Al-20％Si合金和Zn-7％Al合金作为原料。

先将2Kg过共晶Al-20％Si合金熔化，并升温至850℃，保温30分钟，使其中的初生硅溶解。按照常规方法对过共晶Al-Si合金进行精炼，并加入过共晶Al-20％Si合金质量0.4％的(P+S)复合变质剂(含P为15％)，然后降温到750℃左右。同时，将5.9Kg的Zn-7％Al合金进行熔化，升温到700℃，将处理好的过共晶Al-20％Si合金与Zn-7％Al合金混合，两者混合均匀后扒渣，浇注冷却得到硅颗粒增强锌基复合材料。所制备的锌基复合材料的光学显微镜照片如图1。图中，黑色颗粒为硅颗粒，灰色部分和锌合金基体。可见硅颗粒细小圆整，且均匀分布在锌合金基体上。

实施例2

要求合金基体的成分为Zn-35％Al，硅颗粒的体积分数为15％。选择过共晶Al-25％Si合金和Zn-10.6％Al合金作为原料。

先将2Kg过共晶Al-25％Si合金熔化，并升温至870℃，保温35分钟，以使其中的初生硅溶解。按照常规方法对过共晶Al-Si合金精炼进行精炼，并加入过共晶Al-20％Si合金质量0.6％的P-Cu中间合金(含P为10％)，然后降温到760℃。同时将4Kg的Zn-10.6％Al合金进行熔化，升温到730℃，将处理好的过共晶Al-25％Si合金与Zn-10.6％Al合金熔体混合均匀，扒渣后进行浇注冷却，获得硅颗粒增强锌基复合材料。所制备的锌基复合材料的光学显微镜照片与图1类似，但颗粒略多。其中硅颗粒细小圆整，且均匀分布在锌合金基体上。

Claims (1)

1.一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法，具体为：先将过共晶Al-Si合金熔化，并升温至液相线温度以上120～150℃，保温25～35分钟，以使其中的初生硅溶解，按照常用的过共晶Al-Si合金精炼方式对合金熔体进行精炼，并加入(P+S)复合变质剂或者P-Cu中间合金，(P+S)复合变质剂加入量为过共晶Al-Si合金质量的0.3～1.0％，P-Cu中间合金加入量为过共晶Al-Si合金质量的0.4～1.2％，然后降温到液相线温度以上10～40℃；同时，将纯锌或者Zn-Al合金按复合材料基体的配比所要求的量进行熔化，升温到700～740℃；然后将处理好的过共晶Al-Si合金与纯锌或者Zn-Al合金混合均匀，扒渣后浇注冷却，获得硅颗粒细小圆整的硅颗粒增强锌基复合材料。

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