CN103540783A - 一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料及其无压烧结制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，所述复合材料包含如下体积百分数的原料：5～45%钛铝碳，余量为锌铝合金。本发明提供的复合材料组织均匀，基体与增强相之间结合紧密，具有良好的物理性能和力学性能，生产成本低，适于批量生产。本发明还公开了制备上述钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的无压烧结制备方法。

Description

一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料及其无压烧结制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料及其制备领域，特别涉及一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料及其无压烧结制备方法。

背景技术

锌铝合金（ZA8、ZA12、ZA22、ZA27等合金系列）具有良好的力学性能、机械加工性能及耐磨减摩性能，同时原材料成本低、熔化能耗小。但由于锌的熔点低（419.5℃），使得锌铝合金工作温度低、抗蠕变性能差、尺寸稳定性不足。为克服这些缺点以提高锌铝合金的使用性能，研究者们通过在锌铝合金中加入颗粒、晶须和纤维等增强相制得锌铝基复合材料，其耐温性能比锌铝合金有明显改善。锌铝基复合材料可替代青铜、黄铜、铝合金等材料，用于制造低速、中温条件使用的轴承、轴套、轴瓦等耐磨密封件，作为一种性能优良的耐磨减摩材料具有很高的经济性。

目前开发的锌铝基复合材料以加入颗粒增强相为主，包括碳化硅、氧化铝、碳化钛、硅及石墨颗粒等。复合材料制备工艺有熔体搅拌铸造法、喷射成型法、粉末热锻法、叠层复合法和原位生成复合法等。例如发明专利“喷射沉积纳米颗粒增强锌基复合材料及其制备方法”（申请号201010557276.1）采用喷射沉积技术制备了纳米碳化钛颗粒增强的锌铝基复合材料；发明专利“一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法”（申请号200810155784.X）采用熔体浇注法制备了硅颗粒增强的锌基复合材料；发明专利“一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复合材料的制备方法”（申请号201110341289.X）采用粉末热锻法制备了碳化硅、氧化铝、氧化锆等陶瓷颗粒增强的锌铝基复合材料；发明专利“原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法”（申请号200710020458.3）采用熔体浇注法制备了Al₂O₃、TiB₂+Al₃Ti等陶瓷颗粒原位增强的锌铝基复合材料；发明专利“钛酸钾晶须增强锌铝合金复合材料及其制造方法”（申请号98113701.6）采用熔体挤压复合法制备了钛酸钾晶须增强的锌铝基复合材料。但已有的各种锌铝基复合材料也存在着一些难以克服的问题，如增强相与基体之间润湿性差，颗粒表面易于吸附气体导致材料内部缺陷，以及颗粒与基体之间热膨胀系数差异大造成界面脱开等，这些问题的存在显著影响了锌铝基复合材料的推广应用。为突破锌铝基复合材料发展的这一瓶颈，寻找更为适合的颗粒增强相无疑是一条行之有效的途径。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，该复合材料中颗粒增强相分布均匀，与基体之间结合紧密，缺陷少，具有良好的物理性能和力学性能。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的无压烧结制备方法，该方法工艺简单，成本低，适合批量生产。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，该材料包含下述体积百分数的原料，钛铝碳5～45%，余量为锌铝合金。

优选地，所述钛铝碳为粒度在0.5～20μm的颗粒，其纯度大于90%；所述锌铝合金为粒度100～400目的粉末。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种无压烧结制备上述钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的方法，该方法包括如下步骤：

1)称量钛铝碳粉和锌铝合金粉，将它们混合配料；

2)步骤1)中的混合配料合金化、过筛、得到均匀细化的混合粉末；

3)将步骤2)的混合粉末放入模具中，进行冷压成型；

4)将步骤3)冷压成型的坯体放入冷等静压机中进行冷等静压成型；

5)将步骤4)冷等静压成型的坯体进行无压烧结，制得钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料。

优选地，步骤2)所述合金化指机械合金化，所述机械合金化指在行星式球磨机中进行的机械合金化，所述机械合金化的合金条件为：球料比5:1～15:1，转速200～500r/min，球磨时间2～12小时。

优选地，步骤3)所述模具为钢模，所述冷压成型压强为50～200MPa。

优选地，步骤4)所述冷等静压是将坯体放入橡胶或塑料包套中，在100～300MPa压强下冷等静压成型。

优选地，步骤5)所述的烧结条件为在真空、氩气或氮气保护下以10～40℃/min的升温速率升至500～900℃，保温0.5～3小时后降温。

本发明所采用的颗粒增强相钛铝碳（Ti₃AlC₂）是一种三元层状碳化物陶瓷，为M_n+1AX_n化合物族的一种，属于六方晶系，晶格参数a=0.3075nm，c=1.8578nm。钛铝碳具有类似金属的高导电、导热性，在高温下具有一定塑性，能用高速切削刀具进行机械加工；同时又具有陶瓷的高弹性模量、低密度、高热稳定性和良好的抗氧化性能；而且具有自润滑性和优异的摩擦学性能。与目前锌铝基复合材料中常用的颗粒增强相相比，钛铝碳作为增强相具有许多独特的优势。首先由其层状结构所致的良好自润滑性有助于提高复合材料耐磨性能，这对于以耐磨密封件为主要应用方向的锌铝基复合材料来说十分重要；其次钛铝碳的热膨胀系数大（～10×10^-6K^-1），介于普通陶瓷和金属之间，使其与锌铝合金之间的热失配小于其它复合体系，材料中的热应力小；更为重要的是，钛铝碳晶格中结合能较低的Al原子在高温下可部分脱出，与同样含有Al的锌铝合金基体能形成润湿性良好的界面，这为解决目前锌铝基复合材料中基体与增强相之间界面结合不佳的难题提供了新的思路。

本发明的有益效果是：

1)复合材料中颗粒增强相与基体之间结合紧密，材料组织均匀，缺陷少，力学性能高。

2)无压烧结制备工艺简单，适于批量生产，成本低，易于推广。

附图说明

图1是实施例1无压烧结工艺制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料表面微观形貌图；

图2是实施例1无压烧结工艺制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料断口微观形貌图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明。

实施例1

钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为95%，平均粒径7.39μm。

锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA27合金粉，粉末粒度为300目，其质量百分比成分如下：Zn72.31%、Al27.47%、Fe0.09%、Si0.10%、其它0.03%。

将ZA27合金粉与钛铝碳粉按照7:3的体积比配料，称取ZA27粉29.34g，钛铝碳粉10.66g，放入行星球磨机中，按球料比为10:1，转速300r/min，球磨混合3小时，冷却后过100目筛；将混合粉放入钢模中，在150MPa压强下模压成型，再将成型后的坯体放入橡胶包套中，在200MPa压强下冷等静压成型；将冷等静压成型后的坯体放入烧结炉中，在氮气保护下进行无压烧结，以20℃/min的升温速率升至860℃，保温2.5小时。

所制备30vol%Ti₃AlC₂/ZA27复合材料的力学性能为：弯曲强度592MPa，抗拉强度326MPa，维氏硬度132HV。

实施例2

钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为97%，平均粒径4.21μm。

锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA27合金粉，粉末粒度为300目，其质量百分比成分如下：Zn72.31%、Al27.47%、Fe0.09%、Si0.10%、其它0.03%。

将ZA27合金粉与钛铝碳粉按照7:3的体积比配料，称取ZA27粉29.34g，钛铝碳粉10.66g，放入行星球磨机中，按球料比为15:1，转速200r/min，球磨混合9小时，冷却后过100目筛；将混合粉放入钢模中，在200MPa压强下模压成型，再将成型后的坯体放入塑料包套中，在250MPa压强下冷等静压成型；将冷等静压成型后的坯体放入烧结炉中，在氩气保护下进行无压烧结，以30℃/min的升温速率升至700℃，保温2小时。

所制备30vol%Ti₃AlC₂/ZA27复合材料的力学性能为：弯曲强度357MPa，抗拉强度252MPa，维氏硬度137HV。

实施例3

钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为95%，平均粒径7.39μm。

锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA27合金粉，粉末粒度为300目，其质量百分比成分如下：Zn72.31%、Al27.47%、Fe0.09%、Si0.10%、其它0.03%。

将ZA27合金粉与钛铝碳粉按照8:2的体积比配料，称取ZA27粉33.0g，钛铝碳粉7.0g，放入行星球磨机中，按球料比为5:1，转速400r/min，球磨混合6小时，冷却后过100目筛；将混合粉放入钢模中，在100MPa压强下模压成型，再将成型后的坯体放入橡胶包套中，在300MPa压强下冷等静压成型；将冷等静压成型后的坯体放入烧结炉中，在真空条件下进行无压烧结，以40℃/min的升温速率升至800℃，保温1.5小时。

所制备20vol%Ti₃AlC₂/ZA27复合材料的力学性能为：弯曲强度346MPa，抗拉强度230MPa，维氏硬度119HV。

实施例4

钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为92%，平均粒径12.52μm。

锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA8合金粉，粉末粒度为200目，其质量百分比成分如下：Zn91.73%、Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、其它0.03%。

将ZA8合金粉与钛铝碳粉按照8:2的体积比配料，称取ZA8粉34.23g，钛铝碳粉5.77g，放入行星球磨机中，按球料比为10:1，转速300r/min，球磨混合3小时，冷却后过100目筛；将混合粉放入钢模中，在100MPa压强下模压成型，再将成型后的坯体放入橡胶包套中，在150MPa压强下冷等静压成型；将冷等静压成型后的坯体放入烧结炉中，在氩气保护下进行无压烧结，以10℃/min的升温速率升至860℃，保温1小时。

所制备20vol%Ti₃AlC₂/ZA8复合材料的力学性能为：弯曲强度369MPa，抗拉强度238MPa，维氏硬度79HV。

实施例5

钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为92%，平均粒径12.52μm。

锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA8合金粉，粉末粒度为200目，其质量百分比成分如下：Zn91.73%、Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、其它0.03%。

将ZA8合金粉与钛铝碳粉按照6:4的体积比配料，称取ZA8粉27.59g，钛铝碳粉12.41g，放入行星球磨机中，按球料比为10:1，转速400r/min，球磨混合5小时，冷却后过100目筛；将混合粉放入钢模中，在150MPa压强下模压成型，再将成型后的坯体放入塑料包套中，在250MPa压强下冷等静压成型；将冷等静压成型后的坯体放入烧结炉中，在氮气保护下进行无压烧结，以25℃/min的升温速率升至650℃，保温3小时。

所制备40vol%Ti₃AlC₂/ZA8复合材料的力学性能为：弯曲强度314MPa，抗拉强度184MPa，维氏硬度98HV。

图1是实施例1无压烧结工艺制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料表面微观形貌图。图中，灰色的块体为钛铝碳颗粒增强相，条纹状部分为Zn-Al共析组织，即锌铝合金基体，可见钛铝碳增强颗粒均匀分布在锌铝基体中，两者之间结合紧密，材料中缺陷很少。

图2是实施例1无压烧结工艺制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料断口微观形貌图。由图可见，细小的钛铝碳颗粒被锌铝合金基体紧紧包裹着，断裂并未使增强颗粒脱落，说明两者间界面结合紧密。

Claims (7)

1.一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料包含如下体积百分数的原料：钛铝碳5～45%，余量为锌铝合金。

2.根据权利要求1所述的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，其特征在于：所述钛铝碳为粒度在0.5～20μm的颗粒，其纯度大于90%；所述锌铝合金为粒度100～400目的粉末。

3.权利要求1或2所述的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的无压烧结制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)称量钛铝碳粉和锌铝合金粉，将它们混合配料；

2)步骤1)中的混合配料合金化、过筛、得到均匀细化的混合粉末；

3)将步骤2)的混合粉末放入模具中，进行冷压成型；

4)将步骤3)冷压成型的坯体放入冷等静压机中进行冷等静压成型；

5)将步骤4)冷等静压成型的坯体进行无压烧结，制得钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料。

4.根据权利要求3所述的无压烧结制备方法，其特征在于：步骤2)所述合金化指机械合金化，所述机械合金化指在行星式球磨机中进行的机械合金化，所述机械合金化的合金条件为：球料比5:1～15:1，转速200～500r/min，球磨时间2～12小时。

5.根据权利要求3所述的无压烧结制备方法，其特征在于：步骤3)所述模具为钢模，所述冷压成型压强为50～200MPa。

6.根据权利要求3所述的无压烧结制备方法，其特征在于：步骤4)所述冷等静压是将坯体放入橡胶或塑料包套中，在100～300MPa压强下冷等静压成型。

7.根据权利要求3所述的无压烧结制备方法，其特征在于：步骤5)所述的烧结条件为在真空、氩气或氮气保护下以10～40℃/min的升温速率升至500～900℃，保温0.5～3小时后降温。

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