CN1155730C - 锌基硅相复合材料及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明锌基硅相复合材料及其制备属于金属基复合材料及其制备领域，具体来讲是一种耐磨、耐热的硅相增强锌铝合金基体复合材料及其制备方法，其特征在于是一种球团硅相的锌基复合材料，在锌铝合金基体上均匀分布着球团硅相，球团硅相增强颗粒是在合金液体中自生形成，无需外加陶瓷增强颗粒，球团硅相的微观形态为多面晶体，其球团直径为40-90μm，该复合材料制备工艺简单，性能好，成本低，经济效益可观。
Description
本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种锌铝合金基复合材料及其制备方法。
目前，锌铝合金基复合材料主要作为耐磨减磨材料用于制造轴瓦、轴套等零件。CN1140766针对一般锌铝合金的耐磨硬质点较少、耐磨性差、特别是合金的高温性能差、仅能在低于120℃温度下使用的缺点，设计了能在100℃以上一定范围内具有高抗拉强度、良好耐磨性能及低热膨胀系数的锌铝耐磨合金。这种合金的含铝量在22-32wt.％范围，并且含有一定量的铜、镁、钙、锆及铪元素。除此之外，还含有1.0-10.0wt.％的陶瓷颗粒。陶瓷材料可以是刚玉、碳化硅、硼砂及氧化锌中的一种或混合物。陶瓷颗粒在使用前需加热到900-1400℃高温焙烧，焙烧后的颗粒在加入合金液体前还需加热到550-850℃进行预热。陶瓷颗粒可用机械力或电磁力或超声波搅拌金属液加入。由此可见，这种方法的最大缺点是工艺操作比较复杂，需要通过搅拌等设施加入陶瓷颗粒，工作过程所需要消耗的能量较大，生产成本也较高。
本发明的目的就是针对上述缺点，提出一种既耐磨又具有一定高温强度的新型锌铝基球团硅相增强复合材料及其制备方法。
本发明提供一种锌基硅相复合材料，其特征在于该复合材料是一种球团硅相的，以锌铝合金为基体的复合材料，在锌铝合金的基体上均匀分布着球团硅相，该球团硅相是在合金液体中自生形成的，微观形态为多面晶体的，直径为40-90μm的球团硅相，该复合材料的化学成分(wt.％)为铝(25-45)，铜(0-1.0)，镁(0-0.1)，硅(3.0-6.0)，其余为锌，其分布在锌铝合金基体上的球团硅相含量(体积百分数)为4-8％。
本发明所提供的锌基硅相复合材料制备方法的特征在于：首先采用特殊处理剂处理液态锌铝硅合金，使合金中带棱角而无规则形态的硅相变成球团状，其增强颗粒是在合金液体中自生形成，无需外加陶瓷增强颗粒，其采用的特殊处理剂主要成分为钠盐、钾盐、钙盐及稀土混合物，其比例为(2.5-4)∶(0.5-1.2)∶(0.5-1.2)∶(1.0-2.0)，加入量为2.5-5.0wt.％，其合金液态中纯锌的加入量(wt.％)为(51-70)，硅通过铝硅合金的形式加入，铝硅加入量(wt.％)为(29-49)，当合金液体被加热到670-710℃时，将特殊处理剂用钟罩压入熔融液体中，做适当搅动后，在710-750℃保持5-30分钟即可浇铸成相应铸件。
本发明的优点之一是新型复合材料的室温强度、高温强度以及耐磨性均比复合材料基体相对应的合金高，适用性强。本发明的另外一个优点是，不需要外加陶瓷颗粒，增强颗粒在合金液中自生形成。这样不仅解决了颗粒与基体的结合问题以及在基体中的均匀分布问题，也使材料制造变得十分简便，无需增加准备陶瓷颗粒所需的一系列工序及巨大的能量消耗。本发明的复合材料性能好，材料易于制造，成本低。
本发明所制造的锌铝基复合材料可用于制造润滑条件不利时工作的减磨零件，如轴承、轴瓦及轴套等。
实施例1
材料在普通电阻坩埚炉中制备。先将原料中的占67wt.％的锌锭装入刷有涂料的石墨坩埚中。当炉内温度达670℃时，将占原料29wt.％的铝硅合金、3.5wt.％铝铜合金及0.5wt.％铝镁合金加入锌液中。处理剂加入量为2.6wt.％，处理剂中钠盐、钾盐、钙盐与稀土混合物的比例为2.5∶0.5∶0.6∶1。处理温度为710℃。在保温15分钟后浇入砂型，制成相应的轴套。在轴套合金中含铝量为27wt.％，含硅量为3.3wt.％，含铜量为1.2wt.％，含镁量为0.05wt.％，其余为锌。合金中团球硅的平均直径为90μm。团球硅相颗粒所占的体积百分数约为4％。合金的性能见表1。
表1实施例中复合材料的性能
| 试样 抗拉强度(MPa) 硬度 磨耗倍率室温 150℃ HB (相对普通ZA27) |
| 普通ZA27 390-420 155-165 88-95 1ZA27Six* 340-380 188-210 110-120 少2-3倍实施例1 400-430 220-270 110-130 少≮5倍 |
*x表示含硅量在3.0-4.0wt.％范围，该合金未经处理。
实施例2
材料制备工艺基本与实施例1相同。先将占原料60wt.％的锌锭在坩埚炉中熔化，当炉温达700℃时将40wt.％的铝硅合金加入锌液中。处理剂加入量为3.1wt.％。处理剂中钠盐、钾盐、钙盐与稀土混合物的比例为3.0∶1∶1∶1。处理温度为730℃。保温时间为25分钟。合金中含铝量为35wt.％，含硅量为4wt.％，其余为锌。团球硅所占体积百分数约为5％，其平均直径为70μm。材料的室温抗拉强度为320-370MPa，是普通ZA35合金的1.1倍左右；材料在150℃时的抗拉强度为170-190MPa，是普通ZA35合金的1.4倍左右；磨耗减少3倍以上。
实施例3
材料制备工艺基本与实施例1相同。先将占原料51wt.％的锌锭在坩埚炉中熔化，当炉温达700℃时将49wt.％的铝硅合金加入锌液中。处理剂加入量为3.9wt.％。处理剂中钠盐、钾盐、钙盐与稀土混合物的比例为3.5∶0.7∶1∶1.8。处理温度为750℃。保温时间为15分钟。合金中含硅量为5.5wt.％。团球硅所占体积百分数约为8％，其平均直径为50μm。材料室温抗拉强度为325-365MPa，是普通ZA35合金的1.1倍左右；材料在150℃时的抗拉强度为160-173MPa，是普通ZA35合金的1.45倍左右；磨耗减少3倍以上。
Claims (2)
1.一种锌基硅相复合材料，其特征在于该复合材料是一种球团硅相的，以锌铝合金为基体的复合材料，在锌铝合金的基体上均匀分布着球团硅相，该球团硅相是在合金液体中自生形成的，微观形态为多面晶体的，直径为40-90μm的球团硅相，该复合材料的化学成分(wt.％)为铝(25-45)，铜(0-1.0)，镁(0-0.1)，硅(3.0-6.0)，其余为锌，其分布在锌铝合金基体上的球团硅相含量(体积百分数)为4-8％。
2.按照权利要求1所述的锌基硅相复合材料制备方法的特征在于：首先将钠盐、钾盐、钙盐及稀土混合物以重量比为(2.5-4)∶(0.5-1.2)∶(0.5-1.2)∶(1.0-2.0)的比例机械混合制成一种处理剂；其次是制备含硅的锌铝合金熔液，将纯锌以(5.1-7.0)wt.％的加入量加入到铝液中，硅通过铝硅合金的形式加入(29-49)wt.％的量；当合金液体被加热到670-710℃时，将2.5-5.0wt.％的特殊处理剂用钟罩压入熔融液体中，使合金中带棱角而无规则形态的硅相变成球团状，其增强颗粒是在合金液体中自生形成，无需外加陶瓷增强颗粒；接着对加有处理剂的锌铝硅熔液搅动后，在710-750℃保持5-30分钟后即可浇铸成相应铸件。
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