CN105177473A - 一种以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属基复合材料，具体地说是一种以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料。一种以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料，包括基体和增强相，其特征在于，所述基体为ZA27合金，增强相为Al2O3短纤维。本发明的金属基复合材料硬度比ZA27合金高出26.4-52.8％，且硬度值随着纤维体积分数的增大而明显提高；其耐磨性比ZA27材料合金优良，磨痕宽度是以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料的3.2-3.7倍；其耐磨性随着纤维体积分数增加呈单调上升趋势。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料，具体地说是一种以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上的材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，纤维增强金属基复合材料的开发研究近年来虽然取得了一些进展，但由于价格、界面等棘手问题的制约进展缓慢。
ZA27合金在铸造业中既适于当作压铸合金使用，也适于重力铸造。其中一个典型用途是制造耐磨轴承。锌基轴承合金具有价格便宜，比重小，硬度高，容易铸造及加工，与油的亲和力较大，摩擦系数较低，力学性能优良，具有减震性等优点。其缺点是热膨胀系数较大，室温韧性与高温强度较差。在我国，锌是非铁金属工业中重点发展的主要金属之一，用锌合金取代铜合金和铝合金，在节约能源和降低原材料成本以及合理使用本国资源方面具有重要意义，因此，采用添加Al2O3短纤维进一步提高ZA27合金的性能，扩大其使用范围。至今未发现用Al2O3短纤维增强ZA27合金的报导。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料，包括基体和增强相，其特征在于，所述基体为ZA27合金，增强相为Al2O3短纤维。
作为优选，所述的ZA27合金按重量百分比包括下列化学成分：Al25-27％、Cu2.2-2.3％、Mg0.025-0.035％、Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Cd≤0.003％、Sn≤0.002％，余量为Zn。
作为优选，所述的Al2O3短纤维按重量百分比包括下列化学成分：Al2O393-96％、SiO24-7％，其余杂质≤0.1％；其物理性能为：平均直径3μm，平均长度70μm，密度3.3-3.5g/cm3，拉伸强度σb＝2000MPa，杨氏模量E＝310Gpa，晶相δ-Al2O3(主晶)、θ、α-Al2O3。
本发明还提供了所述的以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料的熔炼工艺，包括以下步骤：
(1)按重量百分比称取Al、Cu、Mg、Zn；
(2)将石墨坩埚预热至暗红色；
(3)加入电解铜并加热使其融化；
(4)加入全部的Al；
(5)待Al熔清后加入全部的Zn；
(6)当金属液温度达到650℃以上时，用钟罩压入所需的Mg；
(7)用六氯乙烷精炼，待合金液反应停止后扒渣并静置5-10Min；
(8)继续加热，当熔体温度达700℃左右即进行浇注。
所述的以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料的熔炼工艺所使用的方法为挤压铸造法；所述的熔炼工艺所使用的挤压铸造设备为Y32-200四柱液压机，各压铸工艺参数为：合金熔体浇注温度700℃，预制件预热温度650℃，压铸压力150MPa，压铸模具预热温度300℃，保压时间60s。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明以Al2O3短纤维作为增强相，加入ZA27合金形成金属基复合材料，硬度比ZA27合金高出26.4-52.8％，且硬度值随着纤维体积分数的增大而明显提高。
(2)本发明以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料的耐磨性比ZA27材料合金优良，ZA27合金的磨痕宽度是以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料的3.2-3.7倍。
(3)本发明以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料的耐磨性随着纤维体积分数增加呈单调上升趋势。
附图说明
附图1是ZA27合金试样断口形貌相片。
附图2是以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料试样的断口形貌相片。
附图3是以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料试样的断口形貌SEM相片。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例1：
一种以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料，采用挤压铸造法；把事先预热的纤维预制件放入铸型内，将熔融的ZA27合金浇入铸型。浇入后用压头把合金熔体压入预制件的间隙内，保压直至熔体凝固完毕，然后顶出机构将压铸件顶出；挤压铸造设备为Y32-200四柱液压机，各压铸工艺参数为：合金熔体浇注温度700℃，预制件预热温度650℃，压铸压力150MPa，压铸模具预热温度300℃，保压时间60s。
预制件的纤维体积分数(即纤维占据预制件的比例)设计为10％。用浓度为10％的硅溶胶水溶液作粘结剂。预制件制造工艺为：将纤维放进粘结剂溶液中，用搅拌器将其均匀分散开来。随后将其倒入圆柱形模具中，根据纤维体积分数大小确定压杆行程，将多余水分排去，并保压一定时间，取出预制件，让其自然干燥24h后，在100℃温度下烘干3h。
实施例2：
预制件的纤维体积分数(即纤维占据预制件的比例)设计为15％。其余同实施例1。
实施例3：
预制件的纤维体积分数(即纤维占据预制件的比例)设计为20％。其余同实施例1。
实施例4：
预制件的纤维体积分数(即纤维占据预制件的比例)设计为25％。其余同实施例1。
把实施例1-4所得的ZA27合金金属基复合材料分别先铣后车制成标准拉伸试样、金相试样、硬度试样(选取无畸变或有轻微畸变的金属基压铸件制成)和摩擦磨损试样，进行拉伸试验、硬度测试和磨损试验。金相试样在SiC水砂纸上磨光后，用金刚石研磨膏进行抛光，然后用腐蚀剂进行腐蚀。腐蚀剂为CrO3(40g)+Na2SO4(3g)+H2O(20mL)，所得的硬度测试结果如表1所示。
表1本发明的ZA27合金金属基复合材料的硬度测试
由表1可知，加入Al2O3短纤维得到的金属基复合材料硬度比ZA27合金试样高出26.4-52.8％，且硬度值随着纤维体积分数的增大而提高，所得的拉伸测试结果如表2所示。
表2本发明的ZA27合金金属基复合材料的拉伸测试
由表2可知，加入Al2O3短纤维得到的金属基复合材料抗拉强度(UTS)比ZA27合金试样下降20.5-30.2％，且纤维体积分数愈大，抗拉强度值下降愈严重。
加入Al2O3短纤维的金属基复合材料断裂应变(εf)比ZA27合金下降68.6-80.2％，且纤维体积分数愈大，εf值下降愈严重，所得的磨损试验磨痕宽度值如表3所示。
表3本发明的ZA27合金金属基复合材料的磨损试验
由表3可知，加入Al2O3短纤维得到的ZA27合金金属基复合材料试样均比ZA27合金试样试样耐磨，随着纤维体积分数的增大，加入Al2O3短纤维的ZA27金属基复合材料的耐磨性逐渐提高。
由图1可知，ZA27合金金属基复合材料试样的塑性破断比较明显；由图2、3可知，Al2O3短纤维的金属基复合材料断口上平躺着许多脱粘的纤维，出现很多韧窝和孔洞，呈明显的脆性断裂。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (5)
1.一种以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料，包括基体和增强相，其特征在于，所述基体为ZA27合金，增强相为Al2O3短纤维。
2.根据权利要求1所述的以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料，其特征在于，所述的ZA27合金按重量百分比包括下列化学成分：Al25-27%、Cu2.2-2.3%、Mg0.025-0.035%、Fe≤0.1%、Pb≤0.004%、Cd≤0.003%、Sn≤0.002%，余量为Zn。
3.根据权利要求1所述的以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料，其特征在于，所述的Al2O3短纤维按重量百分比包括下列化学成分：Al2O393-96%、SiO24-7%，其余杂质≤0.1%；其物理性能为：平均直径3μm，平均长度70μm，密度3.3-3.5g/cm3，拉伸强度σb＝2000MPa，杨氏模量E＝310Gpa，晶相δ-Al2O3（主晶）、θ、α-Al2O3。
4.根据权利要求1-3任一所述的以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料的熔炼工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按重量百分比称取Al、Cu、Mg、Zn；
（2）将石墨坩埚预热至暗红色；
（3）加入电解铜并加热使其融化；
（4）加入全部的Al；
（5）待Al熔清后加入全部的Zn；
（6）当金属液温度达到650℃以上时，用钟罩压入所需的Mg；
（7）用六氯乙烷精炼，待合金液反应停止后扒渣并静置5-10Min；
（8）继续加热，当熔体温度达700℃左右即进行浇注。
5.根据权利要求4所述的以Al2O3短纤维作为增强相的ZA27合金金属基复合材料的熔炼工艺所使用的方法为挤压铸造法；所述的熔炼工艺所使用的挤压铸造设备为Y32-200四柱液压机，各压铸工艺参数为：合金熔体浇注温度700℃，预制件预热温度650℃，压铸压力150MPa，压铸模具预热温度300℃，保压时间60s。
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| JP2004238646A (ja) * | 2003-02-04 | 2004-08-26 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 熱流速を制御した良熱伝導体及びその製造方法 |
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