專利名稱：一種內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，屬于材料技術領域。
背景技術：
鋅合金具有優(yōu)良的鑄造性能、優(yōu)良的力學性能和良好的耐磨、減摩性能。我國銅資源缺乏，在工業(yè)領域用鋅合金代替銅合金具有顯著的資源效益和經(jīng)濟效益。但是，通用的鋅合金熔點低，尺寸穩(wěn)定性差，高溫性能較低，在使用溫度超過100°c時合金的性能急劇下降， 用其作為耐磨材料替代銅合金受到限制。目前，現(xiàn)有的耐磨鋅基合金材料的制備方法主要有以下幾種1、固態(tài)復合法。固態(tài)復合法主要采取粉末冶金工藝，通過混料、壓坯、燒結、二次加工獲得耐磨鋅合金或鋅合金基復合材料。該方法缺點是難以制備較大尺寸的耐磨材料零件，而且材料內(nèi)有一定的氣孔，體系中各組分之間相容性差，性能受到影響。2、液態(tài)或半固態(tài)復合法。液態(tài)或半固態(tài)復合法是將鋅合金加熱到熔化狀態(tài)，在攪拌液態(tài)熔體或半固態(tài)漿料過程中，加入增強相顆粒，獲得鋅合金基復合材料。該方法缺點是增強體與基體金屬在物理、化學性能方面的差異較大，攪拌過程中氣體卷入較多，鑄件缺陷較多，力學性能難以保證。3、噴射沉積復合法。噴射沉積復合法是利用高壓氣體將鋅合金通過特定噴嘴形成一定直徑的霧化液滴狀態(tài)，同時向霧化液滴噴射增強相顆粒，在霧化室中形成鋅合金基復合材料坯料，然后進行二次加工成形。該方法缺點是坯料中氣孔多，制造設備復雜，制造成本高，零件結構形狀受到限制。4、原位自生陶瓷顆粒法。原位自生陶瓷顆粒法是采用外加元素與基體之間發(fā)生化學反應生成高熔點陶瓷增強相，形成復合材料，以提高耐磨性能。該方法缺點是需要較高的反應溫度，而且涉及一系列復雜的化學反應、熱力學反應等，在實際生產(chǎn)中難以控制，對鋅合金這種低熔點、易氧化的金屬不是最佳選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術不足提供一種內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法。一種內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，包括如下步驟Al、先對坩堝電阻爐進行清爐，并預熱坩堝及熔煉工具到約280°C -320°C，在熔煉工具及坩堝表面涂刷保護涂料；A2、清理和預熱爐料，配料所述配料包括合金配料、精煉劑、復合變質(zhì)劑、熔劑、除渣劑；合金配料按照重量百分比40%金屬鋁，1.5% -6.0%硅，2. 5%金屬銅，0.02%
金屬鎂，其余是金屬鋅；A3、裝料入爐，裝料的順序為依次加入步驟A2配備的金屬鋁、金屬銅、硅、金屬鋅、金屬鎂；A4、爐料裝好之后，加熱升溫熔化；待爐料全部熔化后，除渣并攪拌合金液；A5、溫度達到680°C時，保溫1_3分鐘，用鐘罩將預熱到200°C的熔劑加入，并立即用鐘罩將(85% NaF+15% Na3AlF6)熔劑壓入熔池的下半部，緩慢回轉和移動3_5分鐘；A6、升溫到710-730°C，用占爐料總質(zhì)量0. 3% -0.5% C2Cl6精煉劑，分2-3次用鐘罩壓入合金液內(nèi)進行精煉10-15分鐘，緩慢在爐內(nèi)繞圈；A7、精煉結束后，在730°C時，用占爐料總質(zhì)量的3% 的復合變質(zhì)劑進行變質(zhì)處理，變質(zhì)時間20分鐘；變質(zhì)完成后，加入除渣劑并進行攪拌，然后靜置5-10分鐘；A8、溫度達到700°C _750°C時扒渣出爐，進行澆注零件或坯料。所述的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，所述精煉劑為占合金總重量 0. 3% -0. 5%的 C2C16。所述的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，所述復合變質(zhì)劑用量為合金總重量的3% _4%，所述復合變質(zhì)劑由重量比為20%的P、70%的KCl、10%&K2TiF6組成。所述的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，所述熔劑用量為合金總重量的 2% _3%，所述熔劑由重量比為85%的NaF和15%的Na3AlF6組成。所述的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，所述除渣劑用量為合金總重量的 2% -3%,所述除渣劑由重量比為60%的Na2SiF6、40%的C2Cl6組成。澆注后的零件或坯料在凝固過程中，內(nèi)生長結晶析出增強相硅顆粒，獲得硅顆粒形狀規(guī)則、尺寸細小、分布均勻、組織致密的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料零件或坯料。


圖1是內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料的金相顯微組織；圖2是內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料斷口形貌特征；圖3是內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料X衍射圖譜。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例提供一種內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，包括如下步驟Al、先對坩堝電阻爐進行清爐，并預熱坩堝及熔煉工具到約280°C _320°C，在熔煉工具涂刷保護涂料為15 %滑石粉+3 %水玻璃+82 %水，在坩堝表面涂刷保護涂料為90 % CaC03+9%水玻璃+1%水。A2、清理和預熱爐料，進行配料計算一是內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料合金配料按照40%金屬鋁，1. 5% -6. 0%硅，2. 5%金屬銅，0. 02%金屬鎂，其余是金屬鋅。二是配制占合金總量 0. 3% -0. 5%的(2(16 精煉劑、3% -4%的(20% P+70% KCl+10% K2TiF6)復合變質(zhì)劑、2% -3% 的(85% NaF+15% Na3AlF6)熔劑，2% -3% (60% Na2SiF6+40% C2Cl6)除渣劑。A3、裝料入爐，裝料的順序為金屬鋁，金屬銅，硅，金屬鋅、金屬鎂等。A4、爐料裝好之后，加熱升溫熔化。待爐料全部熔化后，除渣并攪拌合金液。A5、溫度達到680°C時保溫1_3分鐘，用鐘罩將預熱到200°C的(85% NaF+15%Na3AlF6)熔劑加入，并立即用鐘罩將(85% NaF+15^Na3Alig熔劑壓入熔池的下半部，緩慢回轉和移動3-5分鐘。A6、升溫到710-730°C，用占爐料總質(zhì)量0. 3% -0. 5%的C2Cl6精煉劑，分2-3次用鐘罩壓入合金液內(nèi)進行精煉10-15分鐘，緩慢在爐內(nèi)繞圈。A7、精煉結束后，在730 °C時，用占爐料總質(zhì)量的3 % -4 %的(20 % P+70 % KCl+10% K2TiF6)復合變質(zhì)劑進行變質(zhì)處理，變質(zhì)時間20分鐘。變質(zhì)完成后，加入(60% Na2SiF6+40% C2Cl6)除渣劑并進行攪拌，然后靜置5_10分鐘。A8、溫度達到700°C _750°C的一定溫度時扒渣出爐，進行澆注零件或坯料。澆注后的零件或坯料在凝固過程中，內(nèi)生長結晶析出增強相硅顆粒，獲得硅顆粒形狀規(guī)則、尺寸細小、分布均勻、組織致密的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料零件或坯料。由圖1可知，內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料的金相顯微組織特點是在鋅合金基體上分布者均勻細小的顆粒狀硅，顆粒狀硅的平均尺寸約為20微米；鋅合金基體組織由細密的樹枝狀富鋁α相、細小的等軸狀富鋅Π相、少量細小的富銅ε相、致密的(α+ η)共析體組成。顆粒狀硅的顯微硬度平均為1330HV，富鋁α相的顯微硬度平均只有^5HV，硅增強鋅基合金的金相顯微組織具有在軟基體上分布著細小硬質(zhì)點的耐磨材料組織特點。內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料的抗拉強度達到350MPa-452MPa，沖擊韌性為4. 16J · cnT2-4. 76J · cnT2 ； 其耐磨性為錫青銅合金的1-3倍，其耐磨性為ZA40鋅合金的1-2. 5倍。由圖2可知，內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料拉伸斷口的掃描電子顯微鏡形貌特征表現(xiàn)為材料的斷口表面比較平坦，鋅合金基體區(qū)域的斷裂以解理斷裂為主，伴有少量的細小韌窩；顆粒狀硅發(fā)生解理斷裂，硅顆粒斷面未發(fā)現(xiàn)裂紋，也未發(fā)現(xiàn)顆粒狀硅從鋅合金基體拔出留下坑窩的現(xiàn)象，斷口中發(fā)亮的撕裂棱交匯的地方是最后斷裂區(qū)，硅顆粒與鋅合金基體結合良好，保證了內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料的強度和韌性。由圖3可知，內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料的X射線衍射圖譜給出了硅增強鋅基耐磨材料的相組成是由硅(Si)相，富鋁α相、富鋅的η相、富銅的ε (CuZn5)相組成。X射線衍射圖譜中的相組成與圖1的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料的金相顯微組織相一致。本發(fā)明的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法的具有以下優(yōu)點1、內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法中，通過控制適宜熔煉工藝和化學成分設計，鋅基耐磨材料流動性好，組織潔凈、致密，鑄造缺陷少，材料硬度達到173ΗΒ，抗拉強度達到350MPa-452MPa，沖擊韌性為4. 16J · cm_2-4· 76J · cnT2，鋅基耐磨材料的力學性能良好。在潤滑摩擦條件下，同ZA40鋅合金相比，當載荷大于500N時，硅增強鋅基耐磨材料的相對耐磨性達到2. 5。在干摩擦條件下，同ZA40鋅合金相比，當載荷大于150N時，硅增強鋅基耐磨材料的相對耐磨性達到1. 7。硅增強鋅基耐磨材料比ZA40鋅合金具有更好的耐磨性能。2、通過特殊的復合變質(zhì)劑進行變質(zhì)處理，獲得增強相硅尺寸細小，硅顆粒在鋅合金基體中分布均勻的耐磨材料，有利于加速開發(fā)銅及銅合金的代替材料，以廉價的鋅基耐磨材料代替昂貴的青銅、黃銅合金制造滑動軸承、軸瓦、襯套等結構材料。鋅基耐磨材料成本為銅合金的40% _60%，耐磨性為銅合金的1-3倍，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。3、增強相硅具有熱穩(wěn)定性好，硅相與鋅合金基體界面潔凈無污染，結合強度高，克服了人工復合材料增強相與基體之間存在的浸潤性、相容性以及化學反應等界面問題，所
5以制備的鋅基耐磨材料性能穩(wěn)定。4、內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料耐磨性能良好、制備工藝簡單、工藝參數(shù)易于控制、 設備投資小、適合工業(yè)化生產(chǎn)。5、內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法可以進行重力澆注或進行壓力鑄造工藝， 可以生產(chǎn)形狀復雜，尺寸較大的毛坯或零件。6、增強顆粒硅僅在凝固過程中內(nèi)生長原位結晶析出，而高溫下合金液中并無增強相，因而作為耐磨材料，具有顯著的重熔回收利用性，材料循環(huán)再利用率高，具有良好的資源保護性能。本發(fā)明的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料的可以應用在以下領域1、內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料在模具方面的應用。作為冷沖壓模具材料，具有制模工藝簡單、周期短、成本低、材料綜合力學性能好等優(yōu)點。作為塑料模具型腔材料，快速經(jīng)濟的制模特點，適合于市場對品種多、批量小、價格低、生產(chǎn)周期短的塑料件生產(chǎn)的需求，可用于制造注塑模、吹塑模、發(fā)泡模、壓鑄模等。2、內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料在航空方面的應用。由于具有低熱膨脹系數(shù)、高硬度、良好的導熱性，在散熱片、飛機尾部、底部、機架及電子儀器設備上有著廣闊的應用前
旦
ο3、內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料在機械行業(yè)方面的應用。鋅基耐磨材料部分代替銅合金用作減摩、耐磨的結構零件，如低、中速重載軸瓦、軸承、襯套等。應用于小型軋鋼機軸瓦、紡織機械軸瓦、減速器渦輪和儀器儀表的滑動軸承零件等。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，其特征在于，包括如下步驟Al、先對坩堝電阻爐進行清爐，并預熱坩堝及熔煉工具到約280°C -320°C，在熔煉工具及坩堝表面涂刷保護涂料； A2、清理和預熱爐料，配料所述配料包括合金配料、精煉劑、復合變質(zhì)劑、熔劑、除渣劑；合金配料按照重量百分比40%金屬鋁，1.5% -6.0%硅，2. 5%金屬銅，0. 02%金屬鎂，其余是金屬鋅；A3、裝料入爐，裝料的順序為依次加入步驟A2配備的金屬鋁、金屬銅、硅、金屬鋅、金屬鎂；A4、爐料裝好之后，加熱升溫熔化；待爐料全部熔化后，除渣并攪拌合金液； A5、溫度達到680°C時，保溫1-3分鐘，用鐘罩將預熱到200°C的熔劑加入，并立即用鐘罩將熔劑壓入熔池的下半部，緩慢回轉和移動3-5分鐘；A6、升溫到710-730°C，用占爐料總質(zhì)量0. 3% -0. 5%的C2Cl6精煉劑，分2-3次用鐘罩壓入合金液內(nèi)進行精煉10-15分鐘，緩慢在爐內(nèi)繞圈；A7、精煉結束后，在730°C時，用占爐料總質(zhì)量的3% -4%的復合變質(zhì)劑進行變質(zhì)處理， 變質(zhì)時間20分鐘；變質(zhì)完成后，加入除渣劑并進行攪拌，然后靜置5-10分鐘； A8、溫度達到700°C _750°C時扒渣出爐，進行澆注零件或坯料。
2.根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，其特征在于，所述精煉劑為占合金總重量0. 3% -0. 5%的C2Cl6。
3.根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，其特征在于，所述復合變質(zhì)劑用量為合金總重量的3%-4%，所述復合變質(zhì)劑由重量比為20%的P、70%的KC1、 10% WK2TiF6 組成。
4.根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，其特征在于，所述熔劑用量為合金總重量的2 % -3 %，所述熔劑由重量比為85 %的NaF和15 %的Na3AlF6組成。
5.根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，其特征在于，所述除渣劑用量為合金總重量的2 % -3 %，所述除渣劑由重量比為60 %的Na2SiF6、40 %的C2Cl6組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料制備方法，包括如下步驟A1、清爐，并預熱坩堝及熔煉工具，涂刷保護涂料；A2、配料；A3、裝料入爐；A4、加熱升溫熔化；A5、用鐘罩將預熱到200℃的熔劑加入，并立即用鐘罩將熔劑壓入熔池的下半部；A6、精煉劑分2-3次用鐘罩壓入合金液內(nèi)進行精煉10-15分鐘，緩慢在爐內(nèi)繞圈；A7、用復合變質(zhì)劑進行變質(zhì)處理；變質(zhì)完成后，加入除渣劑并進行攪拌，然后靜置；A8、澆注零件或坯料。澆注后的零件或坯料在凝固過程中，內(nèi)生長結晶析出增強相硅顆粒，獲得硅顆粒形狀規(guī)則、尺寸細小、分布均勻、組織致密的內(nèi)生長硅增強鋅基耐磨材料零件或坯料。
文檔編號C22C18/04GK102296194SQ201110260050
公開日2011年12月28日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權日2011年9月5日
發(fā)明者王瑾, 解念鎖 申請人:陜西理工學院