CN101967595A - 喷射沉积纳米颗粒增强锌基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米TiC颗粒增强锌基复合材料的成分及其制备方法，材料的成分由两部分组成，一种是基体合金，另一种是纳米TiC颗粒；基体合金的重量百分比为：Al27—43；Cu1.5-2.5；Mn3.0-3.5，余量为Zn；纳米TiC颗粒的加入量占基体合金体积百分数的5-20。其制备方法为：将Al、Cu、Mn、Zn按照合金的设计成分比例配好，过热的高锰锌铝合金液由保温坩埚流至雾化室被氮气雾化成细小的液态雾滴；纳米TiC按照添加的体积百分数由另一组喷嘴射入液体雾化流中并与之混合，在气流及本身动能驱动下向冷却基板运动。本发明的目的是解决在关键轴承(瓦)构件耐高温磨损及腐蚀等问题。

Description

喷射沉积纳米颗粒增强锌基复合材料及其制备方法

一、技术领域：本发明涉及一种纳米TiC颗粒增强锌基复合材料及其制备方法，可应用于新型锌基轴承（瓦）材料的生产领域。

二、背景技术：锌铝合金代替青铜、黄铜做低速重载下工作的轴承（瓦）耐磨件，有明显的经济优势。但锌铝合金结晶温度区间大，常规铸造宏观偏析严重，初生树枝晶间存在低熔点共晶区。温度升高，其强度、硬度急剧下降，超过150℃后，抗拉强度低于铝合金和铜合金，这严重限制其在高温环境中应用。锌铝合金用作轴承（瓦）工作时，即使在油润滑良好的中低速条件下使用，整体温升接近40℃，无润滑时温升高达150℃以上。因此，改善锌铝合金力学性能特别是高温力学性能，对提高其作为轴承（瓦）件服役寿命和工作速率显得尤为重要。 

采用Si、Mn等合金化虽可改善锌铝合金的高温性能,但其提高幅度有限。为克服锌铝合金耐高温性能差、尺寸不稳定和重载条件摩擦磨损严重等缺点，以锌铝合金为基体制备非连续增强复合材料, 特别是颗粒增强锌铝基复合材料,已得到越来越多的研究者关注。所添加增强相有碳化硅颗粒、石墨颗粒、氧化铝颗粒等，研究包括复合材料制备、微观结构（界面）、力学性能、摩擦磨损特性等。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。由于制备工艺原因，基体金属对增强体的润湿性与界面反应存在矛盾，增强体在基体金属中的混合与分布不均匀等问题难以解决，所添加颗粒的尺度均在10um以上，没有发现添加纳米颗粒作为增强相的报道。当增强相为纳米颗粒，由于其表面效应和小尺寸效应，在基体中混合与均匀分布问题显得尤为突出，其成形问题更复杂。

制备纳米锌基复合材料，选择合适颗粒及适宜的加入方法很重要。在诸多颗粒中，TiC具有高硬度、高模量、高熔点等特性,作为增强体对提高复合材料的耐磨性和高温性能有显著效果。此外，TiC粒子可作为有效的异质晶核,能显著细化基体合金的组织。单一手段很难解决纳米颗粒的分散均匀性和浸润性，本研究在对纳米TiC颗粒表面处理基础上准备采用超音速喷射沉积方法制备锌铝基复合材料。

在许多颗粒增强金属基复合材料的制备方法中，喷射共沉积法有十分引人注目的特点。这种工艺在保留了粉末冶金方法优点的同时，还克服了其主要缺点。而且这种基于把液态金属雾化成细小液滴后和固体增强相质点混合共同沉积时具备快速凝固的条件，所得复合材料有快速凝固特征。用这种工艺既可直接制备复合材料零件，也可制备大尺寸毛坯供变形加工。

过热的锌铝合金液由保温坩埚流至雾化室被氮气雾化成细小的液态雾滴，液漓尺寸、形状及分布可通过雾化器设计和工艺参数调整而变化。固体增强质点如TiC由一组喷嘴射入液体雾化流中并与之混合，在气流或本身动能驱动下向冷却基板运动。改善颗粒与基体润湿性、通过控制喷射沉积工艺参数使纳米粒子具有足够的动能，是获得组织、性能符合要求的沉积体的关键。

从喷射沉积成形具体工艺入手，同时对基体合金进行合金化处理，对颗粒进行增大润湿性处理，是获得综合性能满足需求的纳米颗粒增强锌基复合材料的技术关键。

三、发明内容：

1、发明目的：本发明涉及一种纳米TiC颗粒增强锌基复合材料及其制备方法，属于新型锌基轴承（瓦）材料，解决在关键轴承（瓦）构件耐高温磨损及腐蚀等问题。

2、技术方案：本发明是按照以下技术方案实施的：

一种喷射沉积纳米颗粒增强锌基复合材料，其特征在于：这种材料的成分由两部分组成，一种是基体合金，另一种是纳米TiC颗粒；基体合金的重量百分比为：Al 27—43 ；Cu 1.5-2.5；Mn 3.0-3.5，余量为Zn；纳米TiC颗粒的加入量占基体合金体积百分数的5-20。

一种如上所述的喷射沉积纳米颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其特征在于：这种方法的具体过程为：

（1）将Al、Cu、Mn、Zn按权利要求1设计的成分比例配好，加热使其熔化，过热的高锰锌铝合金液由保温坩埚流至雾化室，被氮气雾化成细小的液态雾滴；纳米TiC颗粒按照权利要求1设计的体积百分数由另一组喷嘴射入液体雾化流中并与之混合，在气流及本身动能驱动下向冷却基板运动；通过调整喷射沉积的雾化压力、喷射距离、沉积盘下降速率，确定适宜的工艺参数，获得复合材料坯锭；

（2）复合材料坯锭经热挤压处理，通过调整比压、挤压温度和挤压比，得到复合材料棒材。

在该方法的步骤（1）中，雾化压力为0.7～1.0 MPa, 喷射距离为420～430mm，沉积盘下降速率为50～55 mm.min^-1。

在该方法的步骤（2）复合材料坯锭经热挤压处理中，比压为420～445 MPa，挤压温度为270～290℃，挤压比为7～12。

3、优点及效果：本发明纳米TiC颗粒增强锌基复合材料具有较高的强度和硬度，同时具有高的伸长率。复合材料可用于挖土机抓斗滑轮，中小轧钢机轴瓦，水炉烘干机轴瓦，制砖机轴瓦，纺织机械轴瓦，测量墨器蜗轮，汽车外壳压型模具，轧钢机瓦向联轴节滑块以及冲载模具，拉延成型模具等方面，每年可以达到几十亿元的产值。可以相信，随着锌基复合材料的性能提高和潜在市场逐渐被开发，其社会应用前景必将十分广阔。

在工业基地振兴中，重大先进装备中的一些关键部件的材料性能及成形问题已成为进一步提高这些装备水平的制约因素，而喷射沉积制备纳米复合材料新技术为解决这个关键问题提供了一个有效的方法。喷射沉积技术既克服了传统铸造过程中存在的晶粒粗大、偏析严重的缺点，又摈弃了粉末冶金工序繁多，氧化严重等不足，同时又兼有粉末冶金技术的优点，是一种极具竞争力的快速凝固工艺。

利用喷射沉积工艺制备的纳米TiC颗粒增强锌基复合材料具有较高的强度和良好的塑、韧性，可用于较宽范围内加入纳米TiC颗粒增强ZA系锌基复合材料的制备。

四、具体实施方式：

本发明纳米TiC颗粒增强锌基复合材料的化学成分重量百分比（wt%）为：Al 27—43 ；Cu 1.5-2.5；Mn 3.0-3.5，余量为Zn，纳米TiC颗粒加入量（占基体合金的体积百分数 v%）为5-20。

本发明的纳米TiC颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其具体的工艺步骤过程为：

（1）将Al、Cu、Mn、Zn按照合金的设计成分比例配好，过热的高锰锌铝合金液由保温坩埚流至雾化室被氮气雾化成细小的液态雾滴；纳米TiC按照添加的体积百分数由另一组喷嘴射入液体雾化流中并与之混合，在气流及本身动能驱动下向冷却基板运动。通过调整喷射沉积的雾化压力、喷射距离、沉积盘下降速率，确定适宜的工艺参数，获得复合材料坯锭。

（2）复合材料坯锭经热挤压处理，通过调整比压、挤压温度和挤压比，得到复合材料棒材。

所述的纳米TiC颗粒一般的粒径分布为：平均粒径50nm。（颗粒是购买的成品，说明书给出平均粒径50nm，纯度大于99%）

喷射沉积纳米TiC颗粒增强锌基复合材料的成分及制备工艺如表1所示。

喷射沉积纳米TiC颗粒增强锌基复合材料的力学性能如表2所示。

表1 喷射沉积纳米TiC颗粒增强锌基复合材料的成分及制备工艺。

表2 喷射沉积纳米TiC颗粒增强锌基复合材料的力学性能

Claims (4)

1.一种喷射沉积纳米颗粒增强锌基复合材料，其特征在于：这种材料的成分由两部分组成，一种是基体合金，另一种是纳米TiC颗粒；基体合金的重量百分比为：Al 27—43 ；Cu 1.5-2.5；Mn 3.0-3.5，余量为Zn；纳米TiC颗粒的加入量占基体合金体积百分数的5-20。

2.一种如权利要求书1所述的喷射沉积纳米颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其特征在于：这种方法的具体过程为：

（1）将Al、Cu、Mn、Zn按权利要求1设计的成分比例配好，加热使其熔化，过热的高锰锌铝合金液由保温坩埚流至雾化室，被氮气雾化成细小的液态雾滴；纳米TiC颗粒按照权利要求1设计的体积百分数由另一组喷嘴射入液体雾化流中并与之混合，在气流及本身动能驱动下向冷却基板运动；通过调整喷射沉积的雾化压力、喷射距离、沉积盘下降速率，确定适宜的工艺参数，获得复合材料坯锭；

（2）复合材料坯锭经热挤压处理，通过调整比压、挤压温度和挤压比，得到复合材料棒材。

3.根据权利要求2所述的喷射沉积纳米颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其特征在于：在该方法的步骤（1）中，雾化压力为0.7～1.0 MPa, 喷射距离为420～430mm，沉积盘下降速率为50～55 mm.min^-1。

4.根据权利要求2所述的喷射沉积纳米颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其特征在于：在该方法的步骤（2）复合材料坯锭经热挤压处理中，比压为420～445 MPa，挤压温度为270～290℃，挤压比为7～12。