CN1309853C - 陶瓷颗粒增强锌—铝基复合材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料领域，特别涉及到可用于制作滑动摩擦件的陶瓷颗粒增强锌—铝基复合材料及其制备工艺。发明材料的成分组成为(重量比)：Al 25-45%，Cu 1.0-2.5%，Sb 0.2-2.5%，Te 0.05-0.15%，Mg 0.02-0.15%，Ti 1.80-5.0%，B 0.8-2.5%，其余为Zn和总量不超过0.3%的Fe及其它不可避免的杂质。提供了二步法材料熔炼制备工艺。前期制备工艺是：将由钛粉、KBF₄粉、Na₃AlF₆粉和铝粉组成的预制块与铝液反应，制作出铝—钛—硼炉料。后期制备工艺是：将铝—钛—硼炉料与其它炉料以一定方式熔化，浇注成铸件或铸锭。通过适量地加入上述合金元素和使用以上的熔炼制备生产工艺，使本发明材料获得优良的性能，制得了具有高强度、高耐磨性、较低线膨胀系数和较好高温性能的陶瓷颗粒增强铸造锌-铝基复合材料。

Description

陶瓷颗粒增强锌—铝基复合材料及其制备工艺

一、技术领域

本发明属于复合材料领域，特别涉及到一种用于制作滑动摩擦件的陶瓷颗粒增强锌—铝基耐磨复合材料及其制备工艺。

二、背景技术

锌—铝基合金具有低能耗、原材料丰富、铸造性能和机加工性能好等优点，另外它还具有铝合金等有色金属合金难以达到的高强度和耐磨性能，其作为部分锡青铜材料的替代品在滑动轴承和模具方面的应用已经得到很大发展。但是作为耐磨材料，锌—铝基合金存在着耐磨硬质点少、韧性偏低和线膨胀系数较大等缺点。另外，在较高的工作温度下，锌—铝基合金的耐磨性急剧下降，因此通常条件下含铝27％的ZA27的工作温度不宜超过120℃，含铝12％的ZA12不宜超过90℃，这些不利因素限制了锌—铝基合金材料的应用。

研究表明，在Zn-Al合金中加入陶瓷粒子或纤维制成复合材料，不仅能明显改善高温力学性能，而且还可进一步提高其它性能。对于陶瓷颗粒增强复合材料，通过设计和优化复合材料的成分、制备和熔炼工艺，在基体中生成弥散分布的尺寸细小、表面纯净的陶瓷颗粒，并与基体良好的结合，从而形成力学性能、物理性能及摩擦磨损性能优良的复合材料。陶瓷颗粒在摩擦过程中起到耐磨质点的作用，依靠其自身高硬度和高刚度的特点以及对合金基体的钉扎作用，能有效地减少基体材料的损耗，增加变形抗力，提高高温力学性能，改善材料在常温特别是高温条件下的耐磨性能。

三、发明内容

本发明选用TiB₂颗粒作为增强体。TiB₂是一种高熔点、高硬度、高弹性模量的陶瓷材料，它具有稳定的化学特性，在1000℃以下难于氧化，不易与熔融的Zn、Al、Cu等金属反应，符合作为本发明材料增强相的的要求。本发明采用了预制压块在铝液中原位反应的方法，使得TiB₂颗粒相在金属熔体中自发生成。原位反应法生成的TiB₂颗粒尺寸细小、分布均匀，生成的颗粒与基体润湿性好，结合强度高。该制备熔炼工艺简便，生产成本低。

本发明材料以锌和铝元素为基，加入了铜、锑、碲、镁等合金元素。提供的二步法熔炼制备工艺既保证了钛粉与KBF₄的正常反应，从而为充分生成纯净的TiB₂颗粒创造了良好的条件；又可以使得TiB₂颗粒在较低的温度下进入到锌—铝合金基体中，避免了金属锌熔液的过热氧化烧损。以铝—钛—硼材料为载体的二次熔炼制备方法将TiB₂颗粒加入到复合材料基体中，TiB₂颗粒相与锌—铝合金基体之间保持良好润湿，结合强度较高。本发明材料中的TiB₂颗粒相保持了其原位生成形貌，弥散均匀分布于复合材料基体中，尺寸为直径1～8μm。

本发明材料的成分组成为(重量比)：

Al 25-45％，Cu 1.0-2.5％，Sb 0.2-2.5％，Te 0.05-0.15％，Mg 0.02-0.15％，Ti 1.8-5.0％，B 0.8-2.5％，其余为Zn和总量不超过0.3％的Fe及其它不可避免的杂质。

本发明材料的最佳成分组成为(重量比)：

Al 35％，Cu 2.0％，Sb 0.7％，Te 0.15％，Mg 0.03％，Ti 3.0％，B 1.4％，其余为Zn和总量不超过0.3％的Fe及其它不可避免的杂质。

陶瓷颗粒增强锌—铝基复合材料采用前期制备+后期制备的二步法熔炼制备工艺。通过变化前期制备的铝—钛—硼炉料中钛、硼元素的含量和铝—钛—硼炉料用量来调整发明材料的铝、钛、硼成分比例。

其前期制备工艺程序为：

首先，按前期制备工艺用铝料重量百分比，将占5-12％粒度小于80μm的纯钛粉、10-35％KBF₄粉、2-6％Na₃AlF₆粉和2-6％粒度小于120μm的纯铝粉混合均匀，压成预制块。再将铝料熔化升温至920-1100℃，然后把在400-500℃温度预热的该预制块加入，搅拌熔液，待反应完毕后，用氮气进行去气处理3-10分钟，静置10分钟，待温度降至780-850℃，扒渣，浇注成锭，由此制作出含钛和硼总重量为6-16％的铝—钛—硼炉料。

后期制备工艺程序为；

首先，以电解铜为原料，制成铝—50％铜中间合金，再按照发明材料的成分配比，将发明材料配料中50-100％的锌料、全部铝—铜中间合金和铝料装炉熔化，炉料熔清后加入锑料、碲料，将合金液升温至800-850℃并保温5-30分钟，然后加入前期制作的、经150-450℃温度预热的所需的固体铝—钛—硼炉料，搅拌熔液，直到没有火星冒出为止。待炉料全部熔清后，加入剩余的锌料或(和)小于合金料重量10-40％的同成分纯净回炉料，随即迅速搅拌合金液2-8分钟，在680-740℃下用是熔液重量0.5-1.5％的精炼剂进行去渣、去气精炼处理，然后加入镁料，合金液在680-740℃温度下保温静置5-15分钟后，扒渣，浇注。

本发明材料通过适量地加入上述合金元素和采用以上的制备熔炼生产工艺，使本发明材料获得优良的性能，同ZA27合金比较，尤其是材料的常温及耐磨性得到很大的提高，制得了具有高强度、高耐磨性、较高塑韧性、较低线膨胀系数和较好高温性能的陶瓷颗粒增强铸造耐磨复合材料。

所提供的二步法材料熔炼制备工艺除应用于本发明材料外，还可通用于其它Zn-Al复合材料的制备。

四、具体实施方式

实施例1

用表1所示材料1的成分配比制作滑动轴承或蜗轮件，用中频电炉熔炼制作铝—钛—硼炉料材料，用电阻炉熔炼制作材料1。

按照前期制备工艺用铝料重量百分比，将8％粒度小于80μm的钛粉、25％KBF₄粉、5％Na₃AlF₆粉和5％粒度小于100μm的铝粉混合均匀，压制成直径30mm、高度40mm的预制块体。将铝料熔化升温至1100℃，然后将经350℃温度预热的该预制块加入，搅拌熔液，反应完毕后，用氮气吹炼熔液4分钟，静置10分钟，待温度至800-850℃，扒渣，浇注成锭。

                    表1实施的本发明材料的化学成分(重量百分比)

材料种类	Al	Cu	Ti	B	Sb	Te	Mg	Zn
									材料1材料2	3542	2.02.0	2.53.5	1.21.6	0.61.0	0.150.20	0.040.04	剩余剩余

再将材料1配料中65％的锌料、全部铝—铜中间合金装炉熔化，炉料熔清后加入锑料和碲料，将合金液升温至820℃并保温10分钟，加入前期制作的、经350℃温度预热的所需铝—钛—硼料，搅拌熔液，待炉料全部熔清后，加入剩余的固体锌料，随即迅速搅拌合金液5分钟。在720℃下用是熔液重量1.5％的精炼剂进行去气和去渣精炼处理，然后加入镁料，合金液在720℃温度下保温静置10分钟后，扒渣，浇注金属型。

本材料1试样的抗拉强度(σ_b)达到420MPa，冲击韧性(a_k)42J/cm²，润滑摩擦系数0.022，磨损率2.15×10^-10mm³/N.cm，线膨胀系数24.5×10^-6(20-100℃)。比较ZA27合金，新材料的抗拉强度、冲击韧性分别提高了5％和4％，磨损率减少了75％，热膨胀系数减小了7％，滑动摩擦系数基本相当。

实施例2

用表1所示材料2的成分配比制作滑动轴承或蜗轮件，采用与实施例1同样的成分及制备工艺制成的铝—钛—硼炉料，用电阻炉熔炼制作材料2。

将材料2配料中的75％的锌料、铝料、全部铝—铜中间合金装炉熔化，炉料熔清后加入锑料和碲料，将合金液升温至830℃并保温10分钟，加入经450℃温度预热的所需铝—钛—硼料，搅拌熔液，待炉料全部熔清后，加入剩余的固体锌料和是熔体重量15％的同成分回炉料，随即迅速搅拌合金液7分钟。在720℃下用是熔液重量1.5％的精炼剂进行去气和去渣精炼处理，然后加入镁料，合金液在735℃温度下保温静置10分钟后，扒渣，浇注金属型。

本材料2试样的抗拉强度(σ_b)达到405MPa，冲击韧性(a_k)36J/cm²，润滑摩擦系数0.028，磨损率1.25×10^-10mm³/N.cm，线膨胀系数23.5×10^-6(20-100℃)。比较ZA27合金，新材料的抗拉强度、冲击韧性分别提高了4％和3％，磨损率减少了88％，热膨胀系数减小了8.5％，摩擦系数略有增高。

Claims (2)

1、陶瓷颗粒增强锌-铝基复合材料，其特征在于它的材料成分组成为(重量比)：Al 25-45％，Cu 1.0-2.5％，Sb 0.2-2.5％，Te 0.05-0.15％，Mg 0.02-0.15％，Ti 1.8-5.0％，B 0.8-2.5％，其余为Zn和总量不超过0.3％的Fe及其它不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强锌-铝基复合材料，其特征在于最佳材料成分组成为(重量比)：Al 35％，Cu 2.0％，Sb 0.7％，Te 0.15％，Mg 0.03％，Ti 3.0％，B 1.4％，其余为Zn和总量不超过0.3％的Fe及其它不可避免的杂质。