CN102337423A

CN102337423A - 一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法

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Publication number: CN102337423A
Application number: CN201110341289XA
Authority: CN
Inventors: 李荐; 杨俊�; 周宏明; 杨亮; 黄祖琼; 刘凡; 方珍奇; 刘雯雯; 朱玉华
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: CN102337423B

Abstract

一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，是将雾化锌铝合金粉末中加入陶瓷粉末，经球磨混料，压型制作成粉末预制件，在气氛保护下预热，经热锻得到复合材料，最后对锌铝合金基复合材料进行热处理消除材料中缺陷，优化复合材料的综合力学性能。本发明工艺方法简单、操作方便、制备的锌铝合金基体与强化相分布均匀、组织致密、综合力学性能好。克服了陶瓷粉末与锌铝合金熔液润湿性差加不进去，粉末分布不均，及团聚的缺陷，同时也克服了粉末烧结法制备的复合材料致密度差，内部组织不均，孔洞较多、较大的问题，提高了复合材料的综合力学性能。适于工业化应用。

Description

一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，特别是指采用合金粉末中加入陶瓷粉末，高压热锻粉末预制件得到复合材料，再对复合材料进行热处理优化其性能的方法；属于复合材料制备技术领域。

背景技术

锌铝合金具有良好力学和耐磨减摩性能、熔点低、耗能少、成本低廉、成型方便，可代替铜合金甚至铝合金制备轴瓦、轴套、轴承等耐磨构件，备受人们的关注。但其共晶温度低，凝固区间大，高温强度很低。此外，Zn-Al系α相的固溶度随温度升高变化较大，组织欠稳定，也限制其耐热性的提高。因此，大多数锌铝合金实际使用温度最高不超过150℃，实际摩擦过程中，由于润滑不良及高速运转引起摩擦生热会使温度高达150℃甚至200℃以上，显然会严重恶化ZA合金的使用性能，限制了它的使用范围。采用陶瓷粉末强化手段可以显著改善其相关性能并能提高常温力学性能，受各国学者的广泛关注。

目前陶瓷粉末增强锌基复合材料复合材料的制备方法有挤压铸造法，半固态搅溶铸造法，离心铸造法，液态浸渗法，粉末烧结法以及原位生成法。欧阳柳章及隋贤栋用挤压铸造方法成功地浇注锌铝基复合材料活塞；王俊利用半固态搅溶铸造法制备出SiC颗粒增强锌铝基复合材料；刘政等利用液态浸渍法制备了氧化铝增强锌合金复合材料。不管是挤压铸造法还是离心铸造法，都要求合金的熔液对增强颗粒有很好的润湿性，但是锌铝合金对SiC这样的颗粒润湿性很差，因此制备的复合材料增强颗粒的团聚性太大，使其力学性能严重下降。半固态搅溶铸造法利用固相粒子对SiC阻挡和滞留的作用，在一定程度能够克服上面两种方法的缺陷，但仍然不能解决增强体的团聚现象，只是减小了团聚颗粒的尺度。液态浸渗法不能制出预定比例的复合材料，原位生成法制造Si颗粒增强的复合材料还行，但是低温下生成SiC，ZrO₂等颗粒不太可能，所以不能用于制造SiC，ZrO₂等颗粒增强锌基复合材料，特别是高陶瓷颗粒体积分数的复合材料。

粉末烧结法虽然增强体的加入量可以任意调节，成分比例准确，体积分数控制方便；但制造出的复合材料的内部组织，出现不均匀，孔洞率较大，严重影响了复合材料的力学性能。特别是锌铝合金熔点低，合金中的原子尺寸大，并且与陶瓷颗粒的润湿性差，烧结很难使复合材料组织致密，难得到性能优异的锌铝合金基复合材料。这也是这么多年粉末冶金法没有在锌铝合金基复合材料领域得到广泛应用的原因。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便、制备的锌铝合金基体与强化相分布均匀、组织致密、综合力学性能好的陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法；

本发明一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

第一步：取雾化锌铝合金粉末与陶瓷粉末按质量比：陶瓷粉末∶锌铝合金粉末＝1∶(53～2.8)混合，球磨过100目筛后对粉末进行成型，制成粉末预制块；

第二步：将粉末预制块在保护气氛下预热至热锻上限温度以上10～20℃，对预热后的粉末预制块在300℃～370℃热锻，得到陶瓷粉末增强的锌合金基复合材料；预热的升温速率为5～10℃/min；

第三步：将第二步所得锌合金基复合材料在370～420℃范围内保温2～5h后，在90～125℃，时效9～12h。

本发明一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法中，所述的锌铝合金组分按重量百分比组成为：Al 8％～35％，Cu 0.05％～5％，余量为Zn和总量不超过0.3％的Fe及其他不可避免的杂质。

本发明一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法中，所述的锌铝合金组分按重量百分比组成为：Al 8％～35％，Cu 0.05％～5％，Ti 0.2～0.4％，Mg 0.02％～1％，余量为Zn和总量不超过0.3％的Fe及其他不可避免的杂质。

本发明一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法中，所述的陶瓷粉末选自SiC，Al₂O₃，ZrO₂，TiC，B₄C，Si₃N₄，Cr₂O₃中的至少一种；所述的陶瓷粉末为颗粒状或纤维状。

本发明一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法中，所述锌铝合金粉末的粒径小于等于20μm，陶瓷颗粒的粒径为1～50μm或陶瓷短纤维的长度为50μm～1000μm。

本发明一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法中，所述球磨以无水乙醇为球磨介质，采用湿式球磨法球磨8～12h；所述成型的成型压力为10～40Mpa。

本发明一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法中，所述保护气氛为氢气、氮气、氩气中的一种或上述混合气；所述预热时间为2～5h；所述热锻的压力为150～200t，模具预热温度250～350℃，保压时间为10～30min。

本发明通过在雾化合金粉末中加入高体积分数的陶瓷粉末，经球磨混料，压型等工艺，克服了陶瓷粉末与锌铝合金熔液润湿性差加不进去，粉末分布不均，易团聚的缺陷，能够实现基体与增强体的任意配比，并保证了增强体在基体中的弥散分布。

本发明通热锻粉末预制块并对热锻后的复合材料进行热处理的方式，克服了粉末烧结法制备的锌铝合金基复合材料致密度差，内部组织不均，孔洞较多、较大的缺陷，保证了锌铝合金基复合材料具有良好的力学性能。

本发明通过对复合材料进行后续热处理，可有效消除材料中的缺陷，优化其综合力学性能。结合材料的硬度测试，抗拉强度的测试以及是湿摩擦系数的测试表明此方法制备的粉末增强复合材料具有较好的力学性能。

综上所述，本发明工艺方法简单、操作方便、制备的锌铝合金基体与强化相分布均匀、组织致密、综合力学性能好。克服了陶瓷粉末与锌铝合金熔液润湿性差加不进去，粉末分布不均，及团聚的缺陷，同时也克服了粉末烧结法制备的复合材料致密度差，内部组织不均，孔洞较多、较大的问题，提高了复合材料的综合力学性能。适于工业化应用。

附图说明

附图1为本发明实施例2制备20％SiC/ZAT10复合材料的SEM照片。

具体实施方式

实施例1以商业用高纯锌(99.995％)、高纯铝(99.99％)、Al-5％Ti中间合金、电解铜等为原料，按Zn 87.6％，Al 10.17％，Cu 1.933％，Ti 0.0265％配比，在680℃下熔化精炼后雾化沉积过筛后得到粒径小于20μm的ZAT10粉末。然后将粒径为18μm的SiC粉末与ZAT10粉末按1∶53的质量比称取后，装入球磨罐，以无水乙醇为球磨介质，在球磨罐内球磨8h；烘干，过100目筛；然后压制成型，压力为10Mpa。将压制成型的坯体在管式炉中以5-6℃/min的升温速率升至390℃，氮气保护下预热2-5h；接着放在直径为50mm的模具桶内(预热温度为250℃)中在300t液压机下进行热锻：热锻压力150t，模具预热温度250℃，热锻温度370℃，保压10min，得到体积分数为5％的SiC/ZAT10复合材料。最后将所得的复合材料在370℃温度保温2h，90℃下时效9h。

将所得的复合材料样品进行力学性能的测试。其硬度为160HB，抗拉强度为427.8Mpa，湿摩擦系数为0.045，较原合金硬度提高了60％，抗拉强度仅降低了3％，湿摩擦系数降低了10％。

实施例2以商业用高纯锌(99.995％)、高纯铝(99.99％)、Al-5％Ti中间合金、电解铜等为原料，按Zn 87.6％，Al 10.17％，Cu 1.933％，Ti 0.0265％配比，在700℃下熔化精炼后雾化沉积过筛后得到粒径小于20μm的ZAT10粉末。然后将粒径为3μm的SiC粉末与ZAT10粉末按1∶11的质量比称取后，装入球磨罐，以无水乙醇为球磨介质，在球磨罐内球磨10h；烘干，过100目筛；然后压制成型，压力为30Mpa。将压制成型的坯体在管式炉中以7-8℃/min的升温速率升至380℃，氩气保护下预热3h；接着放在直径为50mm的模具桶内(预热温度为250℃)中在300t液压机下进行热锻：热锻压力180t，模具预热温度300℃，热锻温度370℃，保压20min，得到体积分数为20％的SiC/ZAT10复合材料。最后将所得的复合材料在400℃温度保温4h，100℃下时效10h。

将所得的复合材料样品进行力学性能的测试。其硬度为174HB，抗拉强度为411Mpa，湿摩擦系数为0.018，较原合金硬度提高了74％，抗拉强度降低了6.5％，湿摩擦系数降低了64％。

实施例3以商业用高纯锌(99.995％)、高纯铝(99.99％)、Al-5％Ti中间合金、电解铜等为原料，按Zn 87.6％，Al 10.17％，Cu 1.933％，Ti 0.0265％配比，在750℃下熔化精炼后雾化沉积过筛后得到粒径小于20μm的ZAT10粉末。然后将粒径为48μm的SiC粉末与ZAT10粉末按1∶2.8的质量比称取后，装入球磨罐，以无水乙醇为球磨介质，在球磨罐内球磨12h；烘干，过100目筛；然后压制成型，压力为40Mpa。将压制成型的坯体在管式炉中以9-10℃/min的升温速率升至390℃，氢气保护下预热5h；接着放在直径为50mm的模具桶内(预热温度为250℃)中在300t液压机下进行热锻：热锻压力200t，模具预热温度350℃，热锻温度300℃，保压30min，得到体积分数为50％的SiC/ZAT10复合材料。最后将所得的复合材料在420℃温度保温5h，120℃下时效12h。

将所得的复合材料样品进行力学性能的测试。其硬度为205HB，抗拉强度为356.4Mpa，湿摩擦系数为0.023，较原合金硬度提高了105％，抗拉强度仅降低了19％，湿摩擦系数降低了54％。

实施例4以商业用高纯锌(99.995％)、高纯铝(99.99％)、Al-5％Ti中间合金、电解铜等为原料，按Zn 87.6％，Al 10.17％，Cu 1.933％，Ti 0.0265％配比，在700℃下熔化精炼后雾化沉积过筛后得到粒径小于20μm的ZAT10粉末。然后将粒径为30μm的SiC粉末与ZAT10粉末按1∶11的质量比称取后，装入球磨罐，以无水乙醇为球磨介质，在球磨罐内球磨10h；烘干，过100目筛；然后压制成型，压力为30Mpa。将压制成型的坯体在管式炉中以6-9℃/min的升温速率升至380℃，氮气保护下预热4h；接着放在直径为50mm的模具桶内(预热温度为250℃)中在300t液压机下进行热锻：热锻压力180t，模具预热温度300℃，热锻温度340℃，保压230min，得到体积分数为20％的SiC/ZAT10复合材料。最后将所得的复合材料在390℃温度保温3h，90℃下时效10h。

将所得的复合材料样品进行力学性能的测试。其硬度为183HB，抗拉强度为408Mpa，湿摩擦系数为0.019，较原合金硬度提高了83％，抗拉强度仅降低了7.2％，湿摩擦系数降低了62％。

实施例5以商业用高纯锌(99.995％)、高纯铝(99.99％)、Al-5％Ti中间合金、电解铜等为原料，按Zn 87.6％，Al 10.17％，Cu 1.933％，Ti 0.0265％配比，在730℃下熔化精炼后雾化沉积过筛后得到粒径小于20μm的ZAT10粉末。然后将粒径为1μm的SiC粉末与ZAT10粉末按1∶11的质量比称取后，装入球磨罐，以无水乙醇为球磨介质，在球磨罐内球磨9h；烘干，过100目筛；然后压制成型，压力为20Mpa。将压制成型的坯体在管式炉中以6-9℃/min的升温速率升至390℃，氩气保护下预热3h；接着放在直径为50mm的模具桶内(预热温度为250℃)中在300t液压机下进行热锻：热锻压力200t，模具预热温度350℃，热锻温度350℃，保压20min，得到体积分数为20％的SiC/ZAT10复合材料。最后将所得的复合材料在380℃温度保温4h，90℃下时效10h。

将所得的复合材料样品进行力学性能的测试。其硬度为168HB，抗拉强度为417Mpa，湿摩擦系数为0.016，较原合金硬度提高了68％，抗拉强度仅降低了5.3％，湿摩擦系数降低了68％。

实施例6以ZA27合金为原料，在680～750℃下熔化精炼后雾化沉积过筛得到粒径小于20μm的ZA27粉末。然后将粒径为10μm的SiC粉末与ZA27粉末按3∶25的质量比称取后，装入球磨罐，以无水乙醇为球磨介质，在球磨罐上球磨9h；烘干，过100目筛；然后压制成型，压力为40Mpa。将压制成型的坯体在管式炉中以5-7℃/min的升温速率升至390℃，氮气保护下预热5h；接着放在直径为50mm的模具桶(预热温度为250℃)内在300t液压机下进行热锻：热锻压力200t，模具预热温度300℃，热锻温度370℃，保压30min，得到体积分数为20％的SiC/ZA27复合材料。最后将所得的复合材料在410℃温度保温5h，120℃下时效12h。

将得到的复合材料样品进行力学性能测试。硬度为163HB；抗拉强度为380Mpa，湿摩擦系数为0.016，较原合金硬度提高了81％，抗拉强度仅降低了7.3％，湿摩擦系数降低了60％。

实施例7以商业用高纯锌(99.995％)、高纯铝(99.99％)、Al-5％Ti中间合金、电解铜等为原料，按Zn 87.6％，Al 10.17％，Cu 1.933％，Ti 0.0265％配比，在750℃下熔化精炼后雾化沉积过筛得到粒径小于20μm的ZAT10粉末。然后将粒径为3μm的ZrO₂粉末与ZAT10粉末按6∶23的质量比称取后，装入球磨罐，以无水乙醇为球磨介质，在球磨罐上球磨12h；烘干，过100目筛；然后压制成型，压力为35Mpa。将压制成型的坯体在管式炉中以7-9℃/min的升温速率升至380℃，氮气保护下预热4h；接着放在直径为50mm的模具桶(预热温度为250℃)中在300t液压机下进行热锻：热锻压力为150t，模具预热温度350℃，热锻温度330℃，保压25min，得到体积分数为20％的ZrO₂/ZAT10复合材料。最后将所得的复合材料在400℃温度保温4h，90℃下时效12h。

将得到的复合材料样品进行力学性能测试。硬度为156HB；抗拉强度为412Mpa，湿摩擦系数为0.024，较原合金硬度提高了56％，抗拉强度仅降低了6.3％，湿摩擦系数降低了52％。

Claims

1.一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，包括下述步骤：第一步：取雾化锌铝合金粉末与陶瓷粉末按质量比：陶瓷粉末∶锌铝合金粉末＝1∶(53～2.8)混合，球磨过筛后对粉末进行成型，制成粉末预制块；第二步：将粉末预制块在保护气氛下预热至热锻上限温度以上10～20℃，对预热后的粉末预制块在300℃～370℃热锻，得到陶瓷粉末增强的锌合金基复合材料；第三步：将第二步所得锌合金基复合材料在370～420℃范围内保温2～5h后，在90～125℃，时效9～12h。

2.根据权利要求项1所述的一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的锌铝合金组分按重量百分比组成为：Al 8％～35％，Cu 0.05％～5％，余量为Zn和总量不超过0.3％的Fe及其他不可避免的杂质。

3.根据权利要求项1所述的一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的锌铝合金组分按重量百分比组成为：Al 8％～35％，Cu 0.05％～5％，Ti 0.2～0.4％，Mg 0.02％～1％，余量为Zn和总量不超过0.3％的Fe及其他不可避免的杂质。

4.根据权利要求项2或3所述的一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷粉末选自SiC，Al₂O₃，ZrO₂，TiC，B4C，Si₃N₄，Cr₂O₃中的至少一种；所述的陶瓷粉末为颗粒状或纤维状。

5.根据权利要求项4所述的一种陶瓷颗粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：所述锌铝合金粉末的粒径小于等于20μm，陶瓷颗粒的粒径为1～50μm或陶瓷短纤维的长度为50μm～1000μm。

6.据权利要求项5所述的一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：所述球磨以无水乙醇为球磨介质，采用湿式球磨法球磨8～12h；所述成型的成型压力为10～40Mpa。

7.据权利要求项6任意一项所述的一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：所述保护气氛为氢气、氮气、氩气中的一种或它们的混合气体；所述预热时间为2～5h；所述热锻的压力为150～200t，模具预热温度250～350℃，保压时间为10～30min。