专利名称：一种内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法
技术领域：
本发明涉及一种内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，属于材料技术领域。
背景技术：
锌合金具有优良的铸造性能、优良的力学性能和良好的耐磨、减摩性能。我国铜资源缺乏，在工业领域用锌合金代替铜合金具有显著的资源效益和经济效益。但是，通用的锌合金熔点低，尺寸稳定性差，高温性能较低，在使用温度超过100°c时合金的性能急剧下降， 用其作为耐磨材料替代铜合金受到限制。目前，现有的耐磨锌基合金材料的制备方法主要有以下几种1、固态复合法。固态复合法主要采取粉末冶金工艺，通过混料、压坯、烧结、二次加工获得耐磨锌合金或锌合金基复合材料。该方法缺点是难以制备较大尺寸的耐磨材料零件，而且材料内有一定的气孔，体系中各组分之间相容性差，性能受到影响。2、液态或半固态复合法。液态或半固态复合法是将锌合金加热到熔化状态，在搅拌液态熔体或半固态浆料过程中，加入增强相颗粒，获得锌合金基复合材料。该方法缺点是增强体与基体金属在物理、化学性能方面的差异较大，搅拌过程中气体卷入较多，铸件缺陷较多，力学性能难以保证。3、喷射沉积复合法。喷射沉积复合法是利用高压气体将锌合金通过特定喷嘴形成一定直径的雾化液滴状态，同时向雾化液滴喷射增强相颗粒，在雾化室中形成锌合金基复合材料坯料，然后进行二次加工成形。该方法缺点是坯料中气孔多，制造设备复杂，制造成本高，零件结构形状受到限制。4、原位自生陶瓷颗粒法。原位自生陶瓷颗粒法是采用外加元素与基体之间发生化学反应生成高熔点陶瓷增强相，形成复合材料，以提高耐磨性能。该方法缺点是需要较高的反应温度，而且涉及一系列复杂的化学反应、热力学反应等，在实际生产中难以控制，对锌合金这种低熔点、易氧化的金属不是最佳选择。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术不足提供一种内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法。一种内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，包括如下步骤Al、先对坩埚电阻炉进行清炉，并预热坩埚及熔炼工具到约280°C -320°C，在熔炼工具及坩埚表面涂刷保护涂料；A2、清理和预热炉料，配料所述配料包括合金配料、精炼剂、复合变质剂、熔剂、除渣剂；合金配料按照重量百分比40%金属铝，1.5% -6.0%硅，2. 5%金属铜，0.02%
金属镁，其余是金属锌；A3、装料入炉，装料的顺序为依次加入步骤A2配备的金属铝、金属铜、硅、金属锌、金属镁；A4、炉料装好之后，加热升温熔化；待炉料全部熔化后，除渣并搅拌合金液；A5、温度达到680°C时，保温1_3分钟，用钟罩将预热到200°C的熔剂加入，并立即用钟罩将(85% NaF+15% Na3AlF6)熔剂压入熔池的下半部，缓慢回转和移动3_5分钟；A6、升温到710-730°C，用占炉料总质量0. 3% -0.5% C2Cl6精炼剂，分2-3次用钟罩压入合金液内进行精炼10-15分钟，缓慢在炉内绕圈；A7、精炼结束后，在730°C时，用占炉料总质量的3% 的复合变质剂进行变质处理，变质时间20分钟；变质完成后，加入除渣剂并进行搅拌，然后静置5-10分钟；A8、温度达到700°C _750°C时扒渣出炉，进行浇注零件或坯料。所述的内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，所述精炼剂为占合金总重量 0. 3% -0. 5%的 C2C16。所述的内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，所述复合变质剂用量为合金总重量的3% _4%，所述复合变质剂由重量比为20%的P、70%的KCl、10%&K2TiF6组成。所述的内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，所述熔剂用量为合金总重量的 2% _3%，所述熔剂由重量比为85%的NaF和15%的Na3AlF6组成。所述的内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，所述除渣剂用量为合金总重量的 2% -3%,所述除渣剂由重量比为60%的Na2SiF6、40%的C2Cl6组成。浇注后的零件或坯料在凝固过程中，内生长结晶析出增强相硅颗粒，获得硅颗粒形状规则、尺寸细小、分布均勻、组织致密的内生长硅增强锌基耐磨材料零件或坯料。
图1是内生长硅增强锌基耐磨材料的金相显微组织；图2是内生长硅增强锌基耐磨材料断口形貌特征；图3是内生长硅增强锌基耐磨材料X衍射图谱。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。本实施例提供一种内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，包括如下步骤Al、先对坩埚电阻炉进行清炉，并预热坩埚及熔炼工具到约280°C _320°C，在熔炼工具涂刷保护涂料为15 %滑石粉+3 %水玻璃+82 %水，在坩埚表面涂刷保护涂料为90 % CaC03+9%水玻璃+1%水。A2、清理和预热炉料，进行配料计算一是内生长硅增强锌基耐磨材料合金配料按照40%金属铝，1. 5% -6. 0%硅，2. 5%金属铜，0. 02%金属镁，其余是金属锌。二是配制占合金总量 0. 3% -0. 5%的(2(16 精炼剂、3% -4%的(20% P+70% KCl+10% K2TiF6)复合变质剂、2% -3% 的(85% NaF+15% Na3AlF6)熔剂，2% -3% (60% Na2SiF6+40% C2Cl6)除渣剂。A3、装料入炉，装料的顺序为金属铝，金属铜，硅，金属锌、金属镁等。A4、炉料装好之后，加热升温熔化。待炉料全部熔化后，除渣并搅拌合金液。A5、温度达到680°C时保温1_3分钟，用钟罩将预热到200°C的(85% NaF+15%Na3AlF6)熔剂加入，并立即用钟罩将(85% NaF+15^Na3Alig熔剂压入熔池的下半部，缓慢回转和移动3-5分钟。A6、升温到710-730°C，用占炉料总质量0. 3% -0. 5%的C2Cl6精炼剂，分2-3次用钟罩压入合金液内进行精炼10-15分钟，缓慢在炉内绕圈。A7、精炼结束后，在730 °C时，用占炉料总质量的3 % -4 %的(20 % P+70 % KCl+10% K2TiF6)复合变质剂进行变质处理，变质时间20分钟。变质完成后，加入(60% Na2SiF6+40% C2Cl6)除渣剂并进行搅拌，然后静置5_10分钟。A8、温度达到700°C _750°C的一定温度时扒渣出炉，进行浇注零件或坯料。浇注后的零件或坯料在凝固过程中，内生长结晶析出增强相硅颗粒，获得硅颗粒形状规则、尺寸细小、分布均勻、组织致密的内生长硅增强锌基耐磨材料零件或坯料。由图1可知，内生长硅增强锌基耐磨材料的金相显微组织特点是在锌合金基体上分布者均勻细小的颗粒状硅，颗粒状硅的平均尺寸约为20微米；锌合金基体组织由细密的树枝状富铝α相、细小的等轴状富锌Π相、少量细小的富铜ε相、致密的(α+ η)共析体组成。颗粒状硅的显微硬度平均为1330HV，富铝α相的显微硬度平均只有^5HV，硅增强锌基合金的金相显微组织具有在软基体上分布着细小硬质点的耐磨材料组织特点。内生长硅增强锌基耐磨材料的抗拉强度达到350MPa-452MPa，冲击韧性为4. 16J · cnT2-4. 76J · cnT2 ； 其耐磨性为锡青铜合金的1-3倍，其耐磨性为ZA40锌合金的1-2. 5倍。由图2可知，内生长硅增强锌基耐磨材料拉伸断口的扫描电子显微镜形貌特征表现为材料的断口表面比较平坦，锌合金基体区域的断裂以解理断裂为主，伴有少量的细小韧窝；颗粒状硅发生解理断裂，硅颗粒断面未发现裂纹，也未发现颗粒状硅从锌合金基体拔出留下坑窝的现象，断口中发亮的撕裂棱交汇的地方是最后断裂区，硅颗粒与锌合金基体结合良好，保证了内生长硅增强锌基耐磨材料的强度和韧性。由图3可知，内生长硅增强锌基耐磨材料的X射线衍射图谱给出了硅增强锌基耐磨材料的相组成是由硅(Si)相，富铝α相、富锌的η相、富铜的ε (CuZn5)相组成。X射线衍射图谱中的相组成与图1的内生长硅增强锌基耐磨材料的金相显微组织相一致。本发明的内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法的具有以下优点1、内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法中，通过控制适宜熔炼工艺和化学成分设计，锌基耐磨材料流动性好，组织洁净、致密，铸造缺陷少，材料硬度达到173ΗΒ，抗拉强度达到350MPa-452MPa，冲击韧性为4. 16J · cm_2-4· 76J · cnT2，锌基耐磨材料的力学性能良好。在润滑摩擦条件下，同ZA40锌合金相比，当载荷大于500N时，硅增强锌基耐磨材料的相对耐磨性达到2. 5。在干摩擦条件下，同ZA40锌合金相比，当载荷大于150N时，硅增强锌基耐磨材料的相对耐磨性达到1. 7。硅增强锌基耐磨材料比ZA40锌合金具有更好的耐磨性能。2、通过特殊的复合变质剂进行变质处理，获得增强相硅尺寸细小，硅颗粒在锌合金基体中分布均勻的耐磨材料，有利于加速开发铜及铜合金的代替材料，以廉价的锌基耐磨材料代替昂贵的青铜、黄铜合金制造滑动轴承、轴瓦、衬套等结构材料。锌基耐磨材料成本为铜合金的40% _60%，耐磨性为铜合金的1-3倍，具有显著的经济效益和社会效益。3、增强相硅具有热稳定性好，硅相与锌合金基体界面洁净无污染，结合强度高，克服了人工复合材料增强相与基体之间存在的浸润性、相容性以及化学反应等界面问题，所
5以制备的锌基耐磨材料性能稳定。4、内生长硅增强锌基耐磨材料耐磨性能良好、制备工艺简单、工艺参数易于控制、 设备投资小、适合工业化生产。5、内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法可以进行重力浇注或进行压力铸造工艺， 可以生产形状复杂，尺寸较大的毛坯或零件。6、增强颗粒硅仅在凝固过程中内生长原位结晶析出，而高温下合金液中并无增强相，因而作为耐磨材料，具有显著的重熔回收利用性，材料循环再利用率高，具有良好的资源保护性能。本发明的内生长硅增强锌基耐磨材料的可以应用在以下领域1、内生长硅增强锌基耐磨材料在模具方面的应用。作为冷冲压模具材料，具有制模工艺简单、周期短、成本低、材料综合力学性能好等优点。作为塑料模具型腔材料，快速经济的制模特点，适合于市场对品种多、批量小、价格低、生产周期短的塑料件生产的需求，可用于制造注塑模、吹塑模、发泡模、压铸模等。2、内生长硅增强锌基耐磨材料在航空方面的应用。由于具有低热膨胀系数、高硬度、良好的导热性，在散热片、飞机尾部、底部、机架及电子仪器设备上有着广阔的应用前
旦
ο3、内生长硅增强锌基耐磨材料在机械行业方面的应用。锌基耐磨材料部分代替铜合金用作减摩、耐磨的结构零件，如低、中速重载轴瓦、轴承、衬套等。应用于小型轧钢机轴瓦、纺织机械轴瓦、减速器涡轮和仪器仪表的滑动轴承零件等。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤Al、先对坩埚电阻炉进行清炉，并预热坩埚及熔炼工具到约280°C -320°C，在熔炼工具及坩埚表面涂刷保护涂料； A2、清理和预热炉料，配料所述配料包括合金配料、精炼剂、复合变质剂、熔剂、除渣剂；合金配料按照重量百分比40%金属铝，1.5% -6.0%硅，2. 5%金属铜，0. 02%金属镁，其余是金属锌；A3、装料入炉，装料的顺序为依次加入步骤A2配备的金属铝、金属铜、硅、金属锌、金属镁；A4、炉料装好之后，加热升温熔化；待炉料全部熔化后，除渣并搅拌合金液； A5、温度达到680°C时，保温1-3分钟，用钟罩将预热到200°C的熔剂加入，并立即用钟罩将熔剂压入熔池的下半部，缓慢回转和移动3-5分钟；A6、升温到710-730°C，用占炉料总质量0. 3% -0. 5%的C2Cl6精炼剂，分2-3次用钟罩压入合金液内进行精炼10-15分钟，缓慢在炉内绕圈；A7、精炼结束后，在730°C时，用占炉料总质量的3% -4%的复合变质剂进行变质处理， 变质时间20分钟；变质完成后，加入除渣剂并进行搅拌，然后静置5-10分钟； A8、温度达到700°C _750°C时扒渣出炉，进行浇注零件或坯料。
2.根据权利要求1所述的内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，其特征在于，所述精炼剂为占合金总重量0. 3% -0. 5%的C2Cl6。
3.根据权利要求1所述的内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，其特征在于，所述复合变质剂用量为合金总重量的3%-4%，所述复合变质剂由重量比为20%的P、70%的KC1、 10% WK2TiF6 组成。
4.根据权利要求1所述的内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，其特征在于，所述熔剂用量为合金总重量的2 % -3 %，所述熔剂由重量比为85 %的NaF和15 %的Na3AlF6组成。
5.根据权利要求1所述的内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，其特征在于，所述除渣剂用量为合金总重量的2 % -3 %，所述除渣剂由重量比为60 %的Na2SiF6、40 %的C2Cl6组成。
全文摘要
本发明公开了一种内生长硅增强锌基耐磨材料制备方法，包括如下步骤A1、清炉，并预热坩埚及熔炼工具，涂刷保护涂料；A2、配料；A3、装料入炉；A4、加热升温熔化；A5、用钟罩将预热到200℃的熔剂加入，并立即用钟罩将熔剂压入熔池的下半部；A6、精炼剂分2-3次用钟罩压入合金液内进行精炼10-15分钟，缓慢在炉内绕圈；A7、用复合变质剂进行变质处理；变质完成后，加入除渣剂并进行搅拌，然后静置；A8、浇注零件或坯料。浇注后的零件或坯料在凝固过程中，内生长结晶析出增强相硅颗粒，获得硅颗粒形状规则、尺寸细小、分布均匀、组织致密的内生长硅增强锌基耐磨材料零件或坯料。
文档编号C22C18/04GK102296194SQ201110260050
公开日2011年12月28日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者王瑾, 解念锁 申请人:陕西理工学院