专利名称：一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及金属基复合材料技术领域，特指一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法。 更具体地说，本发明涉及一种利用Al-Si合金与Zn或Zn-Al合金进行熔体混合，并在冷却 过程中形成硅增强颗粒的锌基复合材料的制备方法。
背景技术：
锌铝合金具有良好的力学性能和耐磨性能、熔点低耗能少、成本低廉、成形方便，可 代替铜合金制备轴瓦、轴套、轴承等耐磨构件。该类合金共晶温度低、凝固区间大，高温 强度很低。Zn-Al系a相中Al的固溶度随温度升高变化较大，组织欠稳定，限制了耐热性 的提高。因此，大多数锌铝合金实际使用温度最高不超过150°C。为了解决锌铝合金在中 高速重载荷时耐摩擦磨损特性差、耐高温性能差和尺寸不稳定等问题，锌铝基复合材料的 研究日益受到重视。其中，颗粒增强锌基复合材料制备工艺简单，可直接铸造成形，受到 了各国学者的广泛关注。
在颗粒增强锌基复合材料的制备方法中，按增强体与合金混合方式及成形工艺不同可 分为挤压铸造、离心铸造、熔体浸渗、粉末冶金、定向凝固和原位反应合成等方法。在这 些制备方法中，外加颗粒法如前所述的粉末冶金法、挤压铸造、离心铸造以及浸渗法等， 在制备锌基复合材料之前，增强颗粒需要单独合成，主要以混料方式(如粉末冶金)引入基 体或通过机械搅拌、电磁搅拌或悬浮铸造直接加入到锌合金熔体中。这类方法存在的主要 不足有增强颗粒的尺寸大，往往在几十微米以上，很少小于10um。由于增强体颗粒表 面吸附气体与杂质而受到污染，导致颗粒与锌基体之间润湿性差，二者的界面反应难于控 制，较难实现增强颗粒在基体中的均匀分布，颗粒在基体中的割裂作用较为明显，削弱了 增强作用。从国内外的研究来看，颗粒增强复合材料与锌铝合金相比，高温(150 18(TC) 性能(强度、耐磨性、蠕变等)提高显著，但室温性能改善并不明显甚至有下降趋势。
反应生成颗粒法与传统外加颗粒法相比，增强颗粒在锌基体中为热力学稳定相，利于 高温工作，增强颗粒与锌基体界面干净、润湿性好、界面结合强度高，颗粒尺寸细小、分 布均匀。但目前的反应生成颗粒增强锌基复合材料中多为整体增强材料，导致整体零件韧 性下降，降低安全可靠性，材料成本较高。此外，反应生成的增强体多是高熔点陶瓷颗粒， 在液态成形之前已经生成，体积分数较低对熔体流动性影响不大，但增强效果不明显；体
积分数过高，锌合金熔体流动性下降浇注成形困难，质量稳定性差。因此，不论是外加颗 粒还是反应生成法制备颗粒增强锌基复合材料在制备技术，特别是颗粒的分布上均存在较 大难题，使得该方面的研究成果并不很多。由于在制备技术、防止基体或颗粒氧化、颗粒 均匀分散以及提高综合性能等方面还存在诸多问题，因此颗粒增强锌基复合材料远未达到 工业化生产的要求。
发明内容
本发明针对上述难题，提出一种颗粒增强锌基复合材料的制备方法，以期推动颗粒增 强锌基复合材料的产业化应用。 具体而言为
先将过共晶Al-Si合金熔化，并升温至液相线温度以上120 15(TC，保温25 35分钟， 以使其中的初生硅溶解，按照常用的过共晶AI-Si合金精炼方式对合金熔体进行精炼，并 加入的(P+S)复合变质剂或者P-Cu中间合金，(P+S)复合变质剂加入量为过共晶Al-Si 合金质量的0.3~1.0%， P-Cu中间合金加入量为过共晶Al-Si合金质量的0.4~1.2%,然后降 温到液相线温度以上10~40°C;同时，将纯锌或者Zn-Al合金按复合材料基体的配比所要 求的量进行熔化，升温到700~740°C。然后将处理好的过共晶Al-Si合金与纯锌或者Zn-Al 合金混合均匀，扒渣后浇注冷却，获得硅颗粒细小圆整的硅颗粒增强锌基复合材料。
上述发明内容中所指Zn-Al合金，是指含铝量低于要制备的锌基复合材料基体成分的 Zn-Al 二元合金。
采用上述制备方法制备的硅颗粒增强锌基复合材料，合金基体的铝的质量分数在 20~43%之间调整，硅颗粒的体积分数为5~15%。可以根据具体材料的要求进行配比，当 要求强度、硬度高时取上限，当要求具有较好的塑性时取下限。复合材料中，硅颗粒的体 积分数分数要求越高，采用的过共晶Al-Si合金中Si的含量也要求越高。当采用较高Si 含量的Al-Si合金作为中间合金时，可以根据需要选择Zn-Al合金作为混合原料。
该发明技术的主要优点有
1) 通过液-液混合的方法，保证了合金成分的均匀性，混合方便，工艺简单；
2) 由于硅颗粒是在凝固过程中形成的，保证了所制备的锌基复合材料具有良好的成型 性能；
3) 生成的硅颗粒直接从合金中形核生长，颗粒与合金基体之间界面结合良好，没有界 面污染，保证了复合材料的力学性能；
4) 生成的硅颗粒细小圆整、在合金基体上分布均匀。
总之，通过上述处理技术，可以成功制备出硅颗粒细小圆整、分布均匀的锌基复合材料。
图1实施例制备的锌基复合材料的光学显微镜照片
具体实施例方式
根据本发明所述技术方案选取具体实施例进行说明如下 实施例l
要求合金基体的成分为Zn-27%A1，硅颗粒的体积分数为10%。选择过共晶Al-20%Si 合金和Zn-7%A1合金作为原料。
先将2Kg过共晶Al-20。/。Si合金熔化，并升温至850°0,保温30分钟，使其中的初生硅 溶解。按照常规方法对过共晶Al-Si合金进行精炼，并加入过共晶Al-20%Si合金质量0.4% 的(P+S)复合变质剂(含P为15%)，然后降温到750°C左右。同时，将5.9Kg的Zn-7%A1 合金进行熔化，升温到700°C,将处理好的过共晶Al-20%Si合金与Zn-7%A1合金混合， 两者混合均匀后扒渣，浇注冷却得到硅颗粒增强锌基复合材料。所制备的锌基复合材料的 光学显微镜照片如图1。图中，黑色颗粒为硅颗粒，灰色部分和锌合金基体。可见硅颗粒 细小圆整，且均匀分布在锌合金基体上。
实施例2
要求合金基体的成分为Zn-35%A1,硅颗粒的体积分数为15%。选择过共晶Al-25%Si 合金和Zn-10.6%A1合金作为原料。
先将2Kg过共晶Al-25。/。Si合金熔化，并升温至870。C，保温35分钟，以使其中的初生 硅溶解。按照常规方法对过共晶A1-Si合金精炼进行精炼，并加入过共晶Al-20%Si合金质 量0.6%的P-Cu中间合金(含P为10%)，然后降温到760°C。同时将4Kg的Zn-10.6%A1 合金进行熔化，升温到730°C，将处理好的过共晶Al-25%Si合金与Zn-10.6%A1合金熔体 混合均匀，扒渣后进行浇注冷却，获得硅颗粒增强锌基复合材料。所制备的锌基复合材料 的光学显微镜照片与图l类似，但颗粒略多。其中硅颗粒细小圆整，且均匀分布在锌合金 基体上。
权利要求
1.一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法，具体为先将过共晶Al-Si合金熔化，并升温至液相线温度以上120～150℃，保温25～35分钟，以使其中的初生硅溶解，按照常用的过共晶Al-Si合金精炼方式对合金熔体进行精炼，并加入的(P+S)复合变质剂或者P-Cu中间合金，(P+S)复合变质剂加入量为过共晶Al-Si合金质量的0.3～1.0％，P-Cu中间合金加入量为过共晶Al-Si合金质量的0.4～1.2％，然后降温到液相线温度以上10～40℃；同时，将纯锌或者Zn-Al合金按复合材料基体的配比所要求的量进行熔化，升温到700～740℃；然后将处理好的过共晶Al-Si合金与纯锌或者Zn-Al合金混合均匀，扒渣后浇注冷却，获得硅颗粒细小圆整的硅颗粒增强锌基复合材料。
2、权利要求书1所述的一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法，其特征 在于Zn-Al合金，是指含铝量低于要制备的锌基复合材料基体成分的Zn-Al 二 元合金。
全文摘要
一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法，涉及金属基复合材料技术领域，具体为先将过共晶Al-Si合金熔化，并升温至液相线温度以上120～150℃，保温25～35分钟，以使其中的初生硅溶解，按照常用的过共晶Al-Si合金精炼方式对合金熔体进行精炼，并加入的(P+S)复合变质剂或者P-Cu中间合金，(P+S)复合变质剂加入量为过共晶Al-Si合金质量的0.3～1.0％，P-Cu中间合金加入量为0.4～1.2％，然后降温到液相线温度以上10～40℃；同时，将纯锌或者Zn-Al合金按复合材料基体的配比所要求的量进行熔化，升温到700～740℃。然后将处理好的过共晶Al-Si合金与纯锌或者Zn-Al合金混合均匀，扒渣后浇注冷却，获得锌基复合材料。本发明硅颗粒与合金基体之间界面结合良好，没有界面污染，保证了复合材料的力学性能。
文档编号C22C1/03GK101368237SQ20081015578
公开日2009年2月18日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者赵玉涛, 刚 陈 申请人:江苏大学