用于热浸镀的含纳米硅的铝锌合金复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于热浸镀的含纳米硅的铝锌合金复合材料及其制备方法。本发明的制备步骤如下所述：第一步，对纳米硅颗粒进行超声波加活性剂包覆预处理；第二步，采用高能球磨法往Al-Zn合金中添加硅纳米颗粒来形成金属基纳米复合粉末；其中球磨时间为5h-10h，铝锌基体中硅的浓度为1.0-2.0wt%；第三步，采用粉末冶金烧结在真空热压炉中将纳米Si/Al-Zn复合粉末热压成型。透射电子显微镜观测结果显示：硅在Al-Zn基中呈统一且均匀分布状态。由此得到的纳米复合材料延展性、成形性好，在热浸镀方面有潜在应用。
【专利说明】用于热浸镀的含纳米硅的铝锌合金复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料加工，是一种金属基纳米复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]Al-43.5Zn_l.5Si (wt%)合金，商业上通常称为铝锌合金，作为镀层应用于对耐蚀性要求很高的钢铁基体上，尤其在建筑行业中。现在，这些合金广泛应用于其他领域如:电动马达箱、门板、电子盒、空调设备、高温应用等。这种镀层有超强的耐蚀性，是锌镀层耐蚀性的2~6倍。
[0003]为了扩大铝锌硅合金在汽车零部件行业的应用范围，需要提高镀层的致密性。现有镀层致密性不够的原因是微观结构中Si颗粒的形成和形态，这些Si颗粒大量作为应力集中点呈现，使合金易脆。
[0004]添加Si的一个重要原因是控制一种易脆的金属间化合物层的生长，这种化合物层在镀层加工过程中由液态Al-Zn合金和Fe (在钢带上)反应形成。Si限制了合金层无限制的生长而且提高了镀层成型操作的粘附性。Si颗粒的形态是不规则针状，通常出现在镀层和基板之间的金属间化合物层，但同时也出现在镀层表面的枝晶间区域，从而在弯曲成形过程由于应力集中出现裂缝。最优的Si含量受限于硅在Al-Zn合金中的溶解度(610°C时大约6.6wt%)，添加Si超过这个浓度没有实际意义，反应会生成大量的锌渣，从而恶化镀层表面质量，提高企业生产成本。
[0005]铝合金中Si自然情况下的凝固是呈针状形态的离异共晶组织，有几种方式可以改变这种形态，例如修改化学成分(添加元素如Sr，Sb和Na)，改变加工中的冷却速度或随后进行热处理。然而，由于昂贵的费用，修改的程度是有限制的。而且，在Al-Zn合金中，上述方法可能会减缓金属间化合物层的形成过程，从而降低镀层粘附性。
[0006]近年来，纳米技术和表面技术的结合为镀层材料的开发带来了一个全新的思路，纳米颗粒由于表面效应、小尺寸效应等的影响，机械性能较传统涂层大大增强。国内已经有专利报道了在镀层材料中添加纳米氧化物颗粒来改善其耐磨和成型性能，比如专利102400137A报道了在热浸镀生产线上，通过纳米硬质颗粒输送装置将纳米硬质颗粒输送到带钢表面并与熔融合金相结合，从而冷却后在带钢表面形成一层分布有纳米硬质颗粒的表面层。但其关注点集中在添加的纳米氧化物对镀层耐蚀性和耐磨性的提高，没有从根本上改善镀铝锌合金的深冲压性能，同时额外添加纳米氧化物势必会提高镀层的技术难度和生产成本，这是生产企业不愿意看到的。
[0007]由于纳米材料无可比拟的优越性，因此，考虑将热浸镀铝锌合金中的Si纳米化，使Si在合金中分布更加均匀,就可以大大减少Si颗粒作为应力集中点呈现,合金的易脆性也能得到大大的改善。因此，本发明集中于纳米Si/Al-Zn合金的制备，主要是通过高能球磨法将Si作为纳米颗粒加入金属基体，从而控制凝固组织中Si颗粒的生长和分布以形成金属基纳米复合材料(Si/Al-Zn)。这种微观结构的改善将直接影响合金的延展性、成形性以及整体上的机械性能。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种用于热浸镀的含纳米硅的铝锌合金复合材料及其制备方法
本发明是一种用于热浸镀的含纳米硅的铝锌合金复合材料，其特征为具有以下的元素组成及其重量百分比:A1 55.0-58.5%, Zn 40.0-43.0%, Si 1.0-2.0%。
[0009]本发明是一种用于热浸镀的含纳米硅的铝锌合金复合材料的制备方法，其特征在于有以下的过程和步骤:
a.纳米硅的表面预处理:首先将丙酮加少量的表面活性剂(TPB)混匀；然后加入干燥处理的纳米硅颗粒，超声振荡一定时间，静置沉淀，倒掉上层清液；最后烘干，碾碎成粉。所选择的超声振荡时间可以为2h-3h，硅颗粒的干燥温度为80°C -1OO0C ；
b.纳米复合粉末的制备:根据上述元素组成配方配料，将铝锌合金粉末和所述纳米硅粉混合均，用高能球磨制备复合粉末:将粒径为200Mm-lmm的Al-Zn合金粉末和粒径为50nm的纳米硅粉末按所需配比混合均匀，在高能球磨机上进行球磨，制作复合粉末；采用0 3mm> C>6mm、Φ 1mm不锈钢球作为球磨介质,三种尺寸钢球的配比为4:2:1 ;球料质量比为20:1 ;球磨前抽真空,再通入一定量的IS气作为保护气氛,球磨复合粉末；加入lvol%的乙醇作为过程控制媒介；球磨机转速150r/min,球磨时间选择为5_10h,经一定时间后取样；
c.热压成型:将纳米复合粉末试样在真空热压炉中烧结，所选工艺参数为:以10°C/min的速率升温至400°C，热压压力选为40MPa，保压时间150min，真空度小于等于0.01Pa ；得最终到纳米Si/Al-Zn合金复合材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为经过5h和1h球磨的纳米Si/Al-Zn复合材料的明场高分辨率TEM图像。
[0011]图2为纳米Si/Al-Zn合金的微观结构的形态和Si相的尺寸。
【具体实施方式】
[0012]现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1制备Si含量1.2 (wt%)的纳米Si/Al-Zn复合材料。
[0013]1.纳米硅的表面预处理；首先将丙酮加少量的表面活性剂(TPB)混匀；然后加入经80°C干燥处理的纳米硅颗粒，超声振荡3h，静置沉淀，倒掉上层清液；最后烘干，碾碎成粉。
[0014]2.纳米复合粉末的制备；所采取的步骤为:将粒径为200Mm~Imm的55Α1_Ζη(wt%)合金粉末和粒径为50nm的纳米娃粉末按所需配比混合均匀,在高能球磨机上进行球磨，制作复合粉末。采用Φ3ι?πι、C>6mm、Φ 1mm不锈钢球作为球磨介质,三种尺寸钢球的配比为4:2:1,球料质量比为20:1。球磨前抽真空,再通入一定量的IS气作为保护气氛球磨复合粉末，加入lvol%的乙醇作为过程控制媒介,球磨机转速150r/min,球磨时间选择为5h和10h，纳米Si的添加量质量百分比为1.2%，经一定时间后取样。
[0015]3.热压成型；真空热压炉中烧结，所选工艺参数为:以10°C /min的速率升温至400°C，热压压力选为40MPa，保压时间150min，真空度小于等于0.01Pa,得到纳米Si/Al-Zn合金复合材料。
[0016]实施例2制备Si含量1.5 (wt%)的纳米Si/Al-Zn复合材料.。
[0017]1.纳米硅的表面预处理；首先将丙酮加少量的表面活性剂(TPB)混匀；然后加入经100°C干燥处理的纳米硅颗粒，超声振荡3h，静置沉淀，倒掉上层清液；最后烘干，碾碎成粉。
[0018]2.纳米复合粉末的制备；所采取的步骤为:将粒径为200Mm~Imm的55Α1_Ζη(wt%)合金粉末和粒径为50nm的纳米娃粉末按所需配比混合均匀,在高能球磨机上进行球磨，制作复合粉末。采用Φ3ι?πι、C>6mm、Φ 1mm不锈钢球作为球磨介质,三种尺寸钢球的配比为4:2:1,球料质量比为20:1。球磨前抽真空,再通入一定量的IS气作为保护气氛球磨复合粉末，加入lvol%的乙醇作为过程控制媒介,球磨机转速150r/min,球磨时间选择为5h和10h，纳米Si的添加量质量百分比为1.5%，经一定时间后取样。
[0019]3.热压成型；真空热压炉中烧结，所选工艺参数为:以10°C /min的速率升温至4000C，热压压力选为40MPa，保压时间150min，真空度小于等于0.01Pa,得到纳米Si/Al-Zn合金复合材料。
[0020]附表说明
表一为纳米Si/Al-Zn复合材料的平均化学成分。
[0021]表二为添加纳米Si为1.5 (wt%)的Si/Al-Zn合金中主要相的EDS分析。
[0022]
【权利要求】
1.一种用于热浸镀的含纳米硅的铝锌合金复合材料，其特征为具有以下的元素组成及其重量百分比:A1 55.0-58.5%, Zn 40.0-43.0%, Si 1.0-2.0%。
2.一种用于热浸镀的含纳米硅的铝锌合金复合材料的制备方法，其特征在于具有以下的过程和步骤: a.纳米硅的表面预处理:首先将丙酮加少量的表面活性剂(TPB)混匀；然后加入干燥处理的纳米硅颗粒，超声振荡一定时间，静置沉淀，倒掉上层清液；最后烘干，碾碎成粉；所选择的超声振荡时间为2h-3h，硅颗粒的干燥温度为80°C -1OO0C ； b.纳米复合粉末的制备:根据上述元素组成配方配料，将铝锌合金粉末和所述纳米硅粉混合均，用高能球磨制备复合粉末:将粒径为200Mm-lmm的Al-Zn合金粉末和粒径为.50nm的纳米硅粉末按所需配比混合均匀，在高能球磨机上进行球磨，制作复合粉末；采用.0 3mm> C>6mm、Φ 1mm不锈钢球作为球磨介质,三种尺寸钢球的配比为4:2:1,球料质量比为20:1 ;球磨前抽真空,再通入一定量的IS气作为保护气氛,球磨复合粉末；加入lvol%的乙醇作为过程控制媒介；球磨机转速150r/min,球磨时间选择为5_10h,经一定时间后取样； c.热压成型:将纳米复合粉末试样在真空热压炉中烧结，所选工艺参数为:以10°C/min的速率升温至400°C，热压压力选为40MPa，保压时间150min，真空度小于等于0.01Pa ；最终得到纳米Si/Al-Z n合金复合材料。
【文档编号】C22C21/10GK104131203SQ201410311190
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】戴儇, 吴广新, 彭望君, 杨欣, 张捷宇 申请人:上海大学