專利名稱：陶瓷顆粒增強(qiáng)鋅—鋁基復(fù)合材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及到一種用于制作滑動(dòng)摩擦件的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋅—鋁基耐磨復(fù)合材料及其制備工藝。
背景技術(shù)：
鋅—鋁基合金具有低能耗、原材料豐富、鑄造性能和機(jī)加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，另外它還具有鋁合金等有色金屬合金難以達(dá)到的高強(qiáng)度和耐磨性能，其作為部分錫青銅材料的替代品在滑動(dòng)軸承和模具方面的應(yīng)用已經(jīng)得到很大發(fā)展。但是作為耐磨材料，鋅—鋁基合金存在著耐磨硬質(zhì)點(diǎn)少、韌性偏低和線膨脹系數(shù)較大等缺點(diǎn)。另外，在較高的工作溫度下，鋅—鋁基合金的耐磨性急劇下降，因此通常條件下含鋁27％的ZA27的工作溫度不宜超過(guò)120℃，含鋁12％的ZA12不宜超過(guò)90℃，這些不利因素限制了鋅—鋁基合金材料的應(yīng)用。
研究表明，在Zn-Al合金中加入陶瓷粒子或纖維制成復(fù)合材料，不僅能明顯改善高溫力學(xué)性能，而且還可進(jìn)一步提高其它性能。對(duì)于陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化復(fù)合材料的成分、制備和熔煉工藝，在基體中生成彌散分布的尺寸細(xì)小、表面純凈的陶瓷顆粒，并與基體良好的結(jié)合，從而形成力學(xué)性能、物理性能及摩擦磨損性能優(yōu)良的復(fù)合材料。陶瓷顆粒在摩擦過(guò)程中起到耐磨質(zhì)點(diǎn)的作用，依靠其自身高硬度和高剛度的特點(diǎn)以及對(duì)合金基體的釘扎作用，能有效地減少基體材料的損耗，增加變形抗力，提高高溫力學(xué)性能，改善材料在常溫特別是高溫條件下的耐磨性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明選用TiB2顆粒作為增強(qiáng)體。TiB2是一種高熔點(diǎn)、高硬度、高彈性模量的陶瓷材料，它具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，在1000℃以下難于氧化，不易與熔融的Zn、Al、Cu等金屬反應(yīng)，符合作為本發(fā)明材料增強(qiáng)相的的要求。本發(fā)明采用了預(yù)制壓塊在鋁液中原位反應(yīng)的方法，使得TiB2顆粒相在金屬熔體中自發(fā)生成。原位反應(yīng)法生成的TiB2顆粒尺寸細(xì)小、分布均勻，生成的顆粒與基體潤(rùn)濕性好，結(jié)合強(qiáng)度高。該制備熔煉工藝簡(jiǎn)便，生產(chǎn)成本低。
本發(fā)明材料以鋅和鋁元素為基，加入了銅、銻、碲、鎂等合金元素。提供的二步法熔煉制備工藝既保證了鈦粉與KBF4的正常反應(yīng)，從而為充分生成純凈的TiB2顆粒創(chuàng)造了良好的條件；又可以使得TiB2顆粒在較低的溫度下進(jìn)入到鋅—鋁合金基體中，避免了金屬鋅熔液的過(guò)熱氧化燒損。以鋁—鈦—硼材料為載體的二次熔煉制備方法將TiB2顆粒加入到復(fù)合材料基體中，TiB2顆粒相與鋅—鋁合金基體之間保持良好潤(rùn)濕，結(jié)合強(qiáng)度較高。本發(fā)明材料中的TiB2顆粒相保持了其原位生成形貌，彌散均勻分布于復(fù)合材料基體中，尺寸為直徑1～8μm。
本發(fā)明材料的成分組成為(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％，其余為Zn和總量不超過(guò)0.3％的Fe及其它不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明材料的最佳成分組成為(重量比)Al 35％，Cu 2.0％，Sb 0.7％，Te 0.15％，Mg 0.03％，Ti 3.0％，B 1.4％，其余為Zn和總量不超過(guò)0.3％的Fe及其它不可避免的雜質(zhì)。
陶瓷顆粒增強(qiáng)鋅—鋁基復(fù)合材料采用前期制備+后期制備的二步法熔煉制備工藝。通過(guò)變化前期制備的鋁—鈦—硼爐料中鈦、硼元素的含量和鋁—鈦—硼爐料用量來(lái)調(diào)整發(fā)明材料的鋁、鈦、硼成分比例。
其前期制備工藝程序?yàn)槭紫?，按前期制備工藝用鋁料重量百分比，將占5-12％粒度小于80μm的純鈦粉、10-35％KBF4粉、2-6％Na3AlF6粉和2-6％粒度小于120μm的純鋁粉混合均勻，壓成預(yù)制塊。再將鋁料熔化升溫至920-1100℃，然后把在400-500℃溫度預(yù)熱的該預(yù)制塊加入，攪拌熔液，待反應(yīng)完畢后，用氮?dú)膺M(jìn)行去氣處理3-10分鐘，靜置10分鐘，待溫度降至780-850℃，扒渣，澆注成錠，由此制作出含鈦和硼總重量為6-16％的鋁—鈦—硼爐料。
后期制備工藝程序?yàn)槭紫龋噪娊忏~為原料，制成鋁—50％銅中間合金，再按照發(fā)明材料的成分配比，將發(fā)明材料配料中50-100％的鋅料、全部鋁—銅中間合金和鋁料裝爐熔化，爐料熔清后加入銻料、碲料，將合金液升溫至800-850℃并保溫5-30分鐘，然后加入前期制作的、經(jīng)150-450℃溫度預(yù)熱的所需的固體鋁—鈦—硼爐料，攪拌熔液，直到?jīng)]有火星冒出為止。待爐料全部熔清后，加入剩余的鋅料或(和)小于合金料重量10-40％的同成分純凈回爐料，隨即迅速攪拌合金液2-8分鐘，在680-740℃下用是熔液重量0.5-1.5％的精煉劑進(jìn)行去渣、去氣精煉處理，然后加入鎂料，合金液在680-740℃溫度下保溫靜置5-15分鐘后，扒渣，澆注。
表4不同pH中和液中和后不同時(shí)間用離子交換柱提取質(zhì)粒中超螺旋質(zhì)粒含量比較

圖3顯示堿裂解液中和至pH值3.2-3.5后存放不同時(shí)間對(duì)所得粗純質(zhì)粒液中超螺旋質(zhì)粒含量的影響(凝膠電泳圖)。泳道1，存放1小時(shí)內(nèi)；泳道2，存放2小時(shí)；泳道3，存放4小時(shí)；泳道4，存放7小時(shí)；泳道5，存放過(guò)夜。oc＝缺口質(zhì)粒條帶，lc＝線性質(zhì)粒條帶，ccc＝超螺旋質(zhì)粒條帶?？梢?jiàn)隨著存放時(shí)間的增加，超螺旋質(zhì)粒條帶減少，而缺口和線性質(zhì)粒條帶增加。
從表4和圖3結(jié)果可見(jiàn)，中和裂解液中的超螺旋質(zhì)粒在堿性條件下較穩(wěn)定，而在酸性條件下不穩(wěn)定，在pH值越低的環(huán)境中越不穩(wěn)定。因此在低pH條件下應(yīng)盡快上離子交換柱提純。在我們所采用的pH6.5-7.0條件下2-4小時(shí)內(nèi)對(duì)超螺旋質(zhì)粒影響不大，而一旦調(diào)酸至pH3.2-3.5后最好在1小時(shí)內(nèi)上離子交換柱提取，我們的方法是調(diào)酸后立即上離子交換柱，從而保證了獲得最多的超螺旋質(zhì)粒。
實(shí)施例2用表1所示材料2的成分配比制作滑動(dòng)軸承或蝸輪件，采用與實(shí)施例1同樣的成分及制備工藝制成的鋁—鈦—硼爐料，用電阻爐熔煉制作材料2。
將材料2配料中的75％的鋅料、鋁料、全部鋁—銅中間合金裝爐熔化，爐料熔清后加入銻料和碲料，將合金液升溫至830℃并保溫10分鐘，加入經(jīng)450℃溫度預(yù)熱的所需鋁—鈦—硼料，攪拌熔液，待爐料全部熔清后，加入剩余的固體鋅料和是熔體重量15％的同成分回爐料，隨即迅速攪拌合金液7分鐘。在720℃下用是熔液重量1.5％的精煉劑進(jìn)行去氣和去渣精煉處理，然后加入鎂料，合金液在735℃溫度下保溫靜置10分鐘后，扒渣，澆注金屬型。
本材料2試樣的抗拉強(qiáng)度(σb)達(dá)到405MPa，沖擊韌性(ak)36J/cm2，潤(rùn)滑摩擦系數(shù)0.028，磨損率1.25×10-10mm3/N.cm，線膨脹系數(shù)23.5×10-6(20-100℃)。比較ZA27合金，新材料的抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性分別提高了4％和3％，磨損率減少了88％，熱膨脹系數(shù)減小了8.5％，摩擦系數(shù)略有增高。
權(quán)利要求
1.陶瓷顆粒增強(qiáng)鋅—鋁基復(fù)合材料，其特征在于它的材料成分組成為(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％，其余為Zn和總量不超過(guò)0.3％的Fe及其它不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋅—鋁基復(fù)合材料，其特征在于最佳材料成分組成為(重量比)Al 35％，Cu 2.0％，Sb 0.7％，Te 0.15％，Mg 0.03％，Ti 3.0％，B 1.4％，其余為Zn和總量不超過(guò)0.3％的Fe及其它不可避免的雜質(zhì)。
3.陶瓷顆粒增強(qiáng)鋅—鋁基復(fù)合材料的制備工藝，其特征在于提供了前期制備+后期制備的二步法材料熔煉制備工藝前期制備工藝程序?yàn)槭紫?，按前期制備工藝用鋁料的重量百分比，將占5-12％粒度小于80μm的純鈦粉、10-35％KBF4粉、2-6％Na3AlF6粉和2-6％粒度小于120μm的純鋁粉混合均勻，壓成預(yù)制塊；將鋁料熔化升溫至920-1100℃，然后將在400-500℃溫度預(yù)熱的該預(yù)制塊加入，攪拌熔液，待反應(yīng)完畢后，用氮?dú)膺M(jìn)行去氣處理3-10分鐘，靜置10分鐘，待溫度降至780-850℃，扒渣，澆注成錠，由此制作出含鈦和硼總重量為6-16％的鋁—鈦—硼爐料；后期制備工藝程序?yàn)槭紫?，以電解銅為原料，制成鋁-50％銅中間合金，再按照發(fā)明材料的成分配比，將材料配料中50-100％的鋅料、全部鋁料和鋁—銅中間合金裝爐熔化，爐料熔清后加入銻料和碲料，將合金液升溫至800-850℃并保溫5-30分鐘，然后加入前期制作的、經(jīng)150-450℃溫度預(yù)熱的所需鋁—鈦—硼爐料，攪拌熔液，直到?jīng)]有火星冒出為止；待爐料全部熔清后，加入剩余的鋅料或(和)小于合金料重量25％的同成分純凈回爐料，隨即迅速攪拌合金液2-8分鐘，在690-740℃下用是熔液重量0.5-1.5％的精煉劑進(jìn)行去渣、去氣精煉處理，然后加入鎂料，合金液在680-740℃溫度下保溫靜置5-15分鐘后，扒渣，澆注成型。
全文摘要
本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及到可用于制作滑動(dòng)摩擦件的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋅－鋁基復(fù)合材料及其制備工藝。發(fā)明材料的成分組成為(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％，其余為Zn和總量不超過(guò)0.3％的Fe及其它不可避免的雜質(zhì)。提供了二步法材料熔煉制備工藝。前期制備工藝是將由鈦粉、KBF
文檔編號(hào)C22C18/00GK1648269SQ20041002345
公開(kāi)日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2004年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月30日
發(fā)明者耿浩然, 劉玲, 崔峰 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)