专利名称：陶瓷颗粒增强锌—铝基复合材料及其制备工艺的制作方法
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。
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。
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。
表4不同pH中和液中和后不同时间用离子交换柱提取质粒中超螺旋质粒含量比较
图3显示碱裂解液中和至pH值3.2-3.5后存放不同时间对所得粗纯质粒液中超螺旋质粒含量的影响(凝胶电泳图)。泳道1，存放1小时内；泳道2，存放2小时；泳道3，存放4小时；泳道4，存放7小时；泳道5，存放过夜。oc＝缺口质粒条带，lc＝线性质粒条带，ccc＝超螺旋质粒条带。可见随着存放时间的增加，超螺旋质粒条带减少，而缺口和线性质粒条带增加。
从表4和图3结果可见，中和裂解液中的超螺旋质粒在碱性条件下较稳定，而在酸性条件下不稳定，在pH值越低的环境中越不稳定。因此在低pH条件下应尽快上离子交换柱提纯。在我们所采用的pH6.5-7.0条件下2-4小时内对超螺旋质粒影响不大，而一旦调酸至pH3.2-3.5后最好在1小时内上离子交换柱提取，我们的方法是调酸后立即上离子交换柱，从而保证了获得最多的超螺旋质粒。
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(σb)达到405MPa，冲击韧性(ak)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。
权利要求
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。
3.陶瓷颗粒增强锌—铝基复合材料的制备工艺，其特征在于提供了前期制备+后期制备的二步法材料熔炼制备工艺前期制备工艺程序为首先，按前期制备工艺用铝料的重量百分比，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；将铝料熔化升温至920-1100℃，然后将在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，将材料配料中50-100％的锌料、全部铝料和铝—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25％的同成分纯净回炉料，随即迅速搅拌合金液2-8分钟，在690-740℃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，浇注成型。
全文摘要
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、KBF
文档编号C22C18/00GK1648269SQ20041002345
公开日2005年8月3日 申请日期2004年1月30日 优先权日2004年1月30日
发明者耿浩然, 刘玲, 崔峰 申请人:济南大学