專(zhuān)利名稱(chēng)：噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料及其制備方法，可 應(yīng)用于新型鋅基軸承(瓦)材料的生產(chǎn)領(lǐng)域。背景技術(shù)：
鋅鋁合金代替青銅、黃銅做低速 重載下工作的軸承(瓦)耐磨件，有 明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。但鋅鋁合金結(jié)晶溫度區(qū)間大，常規(guī)鑄造宏觀偏析嚴(yán)重，初生樹(shù)枝晶間存在 低熔點(diǎn)共晶區(qū)。溫度升高，其強(qiáng)度、硬度急劇下降，超過(guò)150°C后，抗拉強(qiáng)度低于鋁合金和銅 合金，這嚴(yán)重限制其在高溫環(huán)境中應(yīng)用。鋅鋁合金用作軸承(瓦)工作時(shí)，即使在油潤(rùn)滑良好 的中低速條件下使用，整體溫升接近40°C，無(wú)潤(rùn)滑時(shí)溫升高達(dá)150°C以上。因此，改善鋅鋁 合金力學(xué)性能特別是高溫力學(xué)性能，對(duì)提高其作為軸承(瓦)件服役壽命和工作速率顯得尤 為重要。采用Si、Mn等合金化雖可改善鋅鋁合金的高溫性能，但其提高幅度有限。為克服 鋅鋁合金耐高溫性能差、尺寸不穩(wěn)定和重載條件摩擦磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，以鋅鋁合金為基體 制備非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料，特別是顆粒增強(qiáng)鋅鋁基復(fù)合材料，已得到越來(lái)越多的研究者 關(guān)注。所添加增強(qiáng)相有碳化硅顆粒、石墨顆粒、氧化鋁顆粒等，研究包括復(fù)合材料制備、微觀 結(jié)構(gòu)(界面)、力學(xué)性能、摩擦磨損特性等。從國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料與鋅鋁 合金相比，高溫性能(強(qiáng)度、耐磨性、蠕變等)提高顯著但室溫性能改善并不明顯甚至有下降 趨勢(shì)。由于制備工藝原因，基體金屬對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性與界面反應(yīng)存在矛盾，增強(qiáng)體在基體 金屬中的混合與分布不均勻等問(wèn)題難以解決，所添加顆粒的尺度均在IOum以上，沒(méi)有發(fā)現(xiàn) 添加納米顆粒作為增強(qiáng)相的報(bào)道。當(dāng)增強(qiáng)相為納米顆粒，由于其表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，在 基體中混合與均勻分布問(wèn)題顯得尤為突出，其成形問(wèn)題更復(fù)雜。制備納米鋅基復(fù)合材料，選擇合適顆粒及適宜的加入方法很重要。在諸多顆粒中， TiC具有高硬度、高模量、高熔點(diǎn)等特性，作為增強(qiáng)體對(duì)提高復(fù)合材料的耐磨性和高溫性能 有顯著效果。此外，TiC粒子可作為有效的異質(zhì)晶核，能顯著細(xì)化基體合金的組織。單一 手段很難解決納米顆粒的分散均勻性和浸潤(rùn)性，本研究在對(duì)納米TiC顆粒表面處理基礎(chǔ)上 準(zhǔn)備采用超音速?lài)娚涑练e方法制備鋅鋁基復(fù)合材料。在許多顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法中，噴射共沉積法有十分引人注目的 特點(diǎn)。這種工藝在保留了粉末冶金方法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還克服了其主要缺點(diǎn)。而且這種基于 把液態(tài)金屬霧化成細(xì)小液滴后和固體增強(qiáng)相質(zhì)點(diǎn)混合共同沉積時(shí)具備快速凝固的條件，所 得復(fù)合材料有快速凝固特征。用這種工藝既可直接制備復(fù)合材料零件，也可制備大尺寸毛 坯供變形加工。過(guò)熱的鋅鋁合金液由保溫坩堝流至霧化室被氮?dú)忪F化成細(xì)小的液態(tài)霧滴，液漓尺 寸、形狀及分布可通過(guò)霧化器設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)調(diào)整而變化。固體增強(qiáng)質(zhì)點(diǎn)如TiC由一組噴 嘴射入液體霧化流中并與之混合，在氣流或本身動(dòng)能驅(qū)動(dòng)下向冷卻基板運(yùn)動(dòng)。改善顆粒與 基體潤(rùn)濕性、通過(guò)控制噴射沉積工藝參數(shù)使納米粒子具有足夠的動(dòng)能，是獲得組織、性能符 合要求的沉積體的關(guān)鍵。從噴射沉積成形具體工藝入手，同時(shí)對(duì)基體合金進(jìn)行合金化處理，對(duì)顆粒進(jìn)行增 大潤(rùn)濕性處理，是獲得綜合性能滿(mǎn)足需求的納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的技術(shù)關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明涉及一種納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料及其制備方法，屬于新 型鋅基軸承(瓦)材料，解決在關(guān)鍵軸承(瓦)構(gòu)件耐高溫磨損及腐蝕等問(wèn)題。2、技術(shù)方案本發(fā)明是按照以下技術(shù)方案實(shí)施的
一種噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料，其特征在于這種材料的成分由兩部分組 成，一種是基體合金，另一種是納米TiC顆粒；基體合金的重量百分比為Al 27-43 ；Cu 1. 5-2. 5 ；Mn 3. 0-3. 5，余量為Zn ；納米TiC顆粒的加入量占基體合金體積百分?jǐn)?shù)的5_20。一種如上所述的噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于 這種方法的具體過(guò)程為
(1)將Al、CU、Mn、Zn按權(quán)利要求1設(shè)計(jì)的成分比例配好，加熱使其熔化，過(guò)熱的高錳鋅 鋁合金液由保溫坩堝流至霧化室，被氮?dú)忪F化成細(xì)小的液態(tài)霧滴；納米TiC顆粒按照權(quán)利 要求1設(shè)計(jì)的體積百分?jǐn)?shù)由另一組噴嘴射入液體霧化流中并與之混合，在氣流及本身動(dòng)能 驅(qū)動(dòng)下向冷卻基板運(yùn)動(dòng)；通過(guò)調(diào)整噴射沉積的霧化壓力、噴射距離、沉積盤(pán)下降速率，確定 適宜的工藝參數(shù)，獲得復(fù)合材料坯錠；
(2)復(fù)合材料坯錠經(jīng)熱擠壓處理，通過(guò)調(diào)整比壓、擠壓溫度和擠壓比，得到復(fù)合材料棒材。在該方法的步驟(1)中，霧化壓力為0. 7 1. 0 MPa,噴射距離為420 430mm， 沉積盤(pán)下降速率為50 55 mm. mirT1。在該方法的步驟(2)復(fù)合材料坯錠經(jīng)熱擠壓處理中，比壓為420 445 MPa，擠壓 溫度為270 290°C，擠壓比為7 12。3、優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和硬度， 同時(shí)具有高的伸長(zhǎng)率。復(fù)合材料可用于挖土機(jī)抓斗滑輪，中小軋鋼機(jī)軸瓦，水爐烘干機(jī)軸 瓦，制磚機(jī)軸瓦，紡織機(jī)械軸瓦，測(cè)量墨器蝸輪，汽車(chē)外殼壓型模具，軋鋼機(jī)瓦向聯(lián)軸節(jié)滑塊 以及沖載模具，拉延成型模具等方面，每年可以達(dá)到幾十億元的產(chǎn)值?？梢韵嘈牛S著鋅基 復(fù)合材料的性能提高和潛在市場(chǎng)逐漸被開(kāi)發(fā)，其社會(huì)應(yīng)用前景必將十分廣闊。在工業(yè)基地振興中，重大先進(jìn)裝備中的一些關(guān)鍵部件的材料性能及成形問(wèn)題已成 為進(jìn)一步提高這些裝備水平的制約因素，而噴射沉積制備納米復(fù)合材料新技術(shù)為解決這個(gè) 關(guān)鍵問(wèn)題提供了一個(gè)有效的方法。噴射沉積技術(shù)既克服了傳統(tǒng)鑄造過(guò)程中存在的晶粒粗 大、偏析嚴(yán)重的缺點(diǎn)，又?jǐn)P棄了粉末冶金工序繁多，氧化嚴(yán)重等不足，同時(shí)又兼有粉末冶金 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的快速凝固工藝。利用噴射沉積工藝制備的納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和良 好的塑、韌性，可用于較寬范圍內(nèi)加入納米TiC顆粒增強(qiáng)ZA系鋅基復(fù)合材料的制備。具體實(shí)施例方式
本發(fā)明納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的化學(xué)成分重量百分比(wt%)為Al 27-43 ； Cu 1. 5-2. 5 ；Mn 3. 0-3. 5，余量為Zn，納米TiC顆粒加入量(占基體合金的體積百分?jǐn)?shù)v%) 為 5-20。本發(fā)明的納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的制備方法，其具體的工藝步驟過(guò)程 為
(1)將Al、Cu、Mn、Zn按照合金的設(shè)計(jì)成分比例配好，過(guò)熱的高錳鋅鋁合金液由保溫坩堝流至霧化室被氮?dú)忪F化成細(xì)小的液態(tài)霧滴；納米TiC按照添加的體積百分?jǐn)?shù)由另一組噴 嘴射入液體霧化流中并與之混合，在氣流及本身動(dòng)能驅(qū)動(dòng)下向冷卻基板運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整噴 射沉積的霧化壓力、噴射距離、沉積盤(pán)下降速率，確定適宜的工藝參數(shù)，獲得復(fù)合材料坯錠。(2)復(fù)合材料坯錠經(jīng)熱擠壓處理，通過(guò)調(diào)整比壓、擠壓溫度和擠壓比，得到復(fù)合材 料棒材。所述的納米TiC顆粒一般的粒徑分布為平均粒徑50nm。(顆粒是購(gòu)買(mǎi)的成品，說(shuō) 明書(shū)給出平均粒徑50nm，純度大于99%)
噴射沉積納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的成分及制備工藝如表1所示。噴射沉積納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的力學(xué)性能如表2所示。表1噴射沉積納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的成分及制備工藝。
權(quán)利要求
一種噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料，其特征在于這種材料的成分由兩部分組成，一種是基體合金，另一種是納米TiC顆粒；基體合金的重量百分比為Al 27—43 ；Cu 1.5 2.5；Mn 3.0 3.5，余量為Zn；納米TiC顆粒的加入量占基體合金體積百分?jǐn)?shù)的5 20。
2.一種如權(quán)利要求書(shū)1所述的噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的制備方法，其特 征在于這種方法的具體過(guò)程為(1)將Al、CU、Mn、Zn按權(quán)利要求1設(shè)計(jì)的成分比例配好，加熱使其熔化，過(guò)熱的高錳鋅 鋁合金液由保溫坩堝流至霧化室，被氮?dú)忪F化成細(xì)小的液態(tài)霧滴；納米TiC顆粒按照權(quán)利 要求1設(shè)計(jì)的體積百分?jǐn)?shù)由另一組噴嘴射入液體霧化流中并與之混合，在氣流及本身動(dòng)能 驅(qū)動(dòng)下向冷卻基板運(yùn)動(dòng)；通過(guò)調(diào)整噴射沉積的霧化壓力、噴射距離、沉積盤(pán)下降速率，確定 適宜的工藝參數(shù)，獲得復(fù)合材料坯錠；(2)復(fù)合材料坯錠經(jīng)熱擠壓處理，通過(guò)調(diào)整比壓、擠壓溫度和擠壓比，得到復(fù)合材料棒材。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于在該方法的步驟(1)中，霧化壓力為0. 7 1. 0 MPa,噴射距離為420 430mm，沉積盤(pán) 下降速率為50 55 mm. mirT1。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于在該方法的步驟(2)復(fù)合材料坯錠經(jīng)熱擠壓處理中，比壓為420 445 MPa，擠壓溫度為 270 290°C，擠壓比為7 12。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的成分及其制備方法，材料的成分由兩部分組成，一種是基體合金，另一種是納米TiC顆粒；基體合金的重量百分比為Al27—43；Cu1.5-2.5；Mn3.0-3.5，余量為Zn；納米TiC顆粒的加入量占基體合金體積百分?jǐn)?shù)的5-20。其制備方法為將Al、Cu、Mn、Zn按照合金的設(shè)計(jì)成分比例配好，過(guò)熱的高錳鋅鋁合金液由保溫坩堝流至霧化室被氮?dú)忪F化成細(xì)小的液態(tài)霧滴；納米TiC按照添加的體積百分?jǐn)?shù)由另一組噴嘴射入液體霧化流中并與之混合，在氣流及本身動(dòng)能驅(qū)動(dòng)下向冷卻基板運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的目的是解決在關(guān)鍵軸承(瓦)構(gòu)件耐高溫磨損及腐蝕等問(wèn)題。
文檔編號(hào)C22C1/00GK101967595SQ20101055727
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者劉敬福, 曲迎東, 李晨希, 李榮德, 白彥華, 馬廣輝 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)