專利名稱：一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法，特別是指采用合金粉末中加入陶瓷粉末，高壓熱鍛粉末預制件得到復合材料，再對復合材料進行熱處理優化其性能的方法；屬于復合材料制備技術領域。
背景技術：
鋅鋁合金具有良好力學和耐磨減摩性能、熔點低、耗能少、成本低廉、成型方便，可代替銅合金甚至鋁合金制備軸瓦、軸套、軸承等耐磨構件，備受人們的關注。但其共晶溫度低，凝固區間大，高溫強度很低。此外，Zn-Al系α相的固溶度隨溫度升高變化較大，組織欠穩定，也限制其耐熱性的提高。因此，大多數鋅鋁合金實際使用溫度最高不超過150°C，實際摩擦過程中，由于潤滑不良及高速運轉引起摩擦生熱會使溫度高達150°C甚至200°C以上， 顯然會嚴重惡化ZA合金的使用性能，限制了它的使用范圍。采用陶瓷粉末強化手段可以顯著改善其相關性能并能提高常溫力學性能，受各國學者的廣泛關注。目前陶瓷粉末增強鋅基復合材料復合材料的制備方法有擠壓鑄造法，半固態攪溶鑄造法，離心鑄造法，液態浸滲法，粉末燒結法以及原位生成法。歐陽柳章及隋賢棟用擠壓鑄造方法成功地澆注鋅鋁基復合材料活塞；王俊利用半固態攪溶鑄造法制備出SiC顆粒增強鋅鋁基復合材料；劉政等利用液態浸漬法制備了氧化鋁增強鋅合金復合材料。不管是擠壓鑄造法還是離心鑄造法，都要求合金的熔液對增強顆粒有很好的潤濕性，但是鋅鋁合金對SiC這樣的顆粒潤濕性很差，因此制備的復合材料增強顆粒的團聚性太大，使其力學性能嚴重下降。半固態攪溶鑄造法利用固相粒子對SiC阻擋和滯留的作用，在一定程度能夠克服上面兩種方法的缺陷，但仍然不能解決增強體的團聚現象，只是減小了團聚顆粒的尺度。液態浸滲法不能制出預定比例的復合材料，原位生成法制造Si顆粒增強的復合材料還行，但是低溫下生成SiC，ZrO2等顆粒不太可能，所以不能用于制造SiC，ZrO2等顆粒增強鋅基復合材料，特別是高陶瓷顆粒體積分數的復合材料。粉末燒結法雖然增強體的加入量可以任意調節，成分比例準確，體積分數控制方便；但制造出的復合材料的內部組織，出現不均勻，孔洞率較大，嚴重影響了復合材料的力學性能。特別是鋅鋁合金熔點低，合金中的原子尺寸大，并且與陶瓷顆粒的潤濕性差，燒結很難使復合材料組織致密，難得到性能優異的鋅鋁合金基復合材料。這也是這么多年粉末冶金法沒有在鋅鋁合金基復合材料領域得到廣泛應用的原因。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術之不足而提供一種工藝方法簡單、操作方便、制備的鋅鋁合金基體與強化相分布均勻、組織致密、綜合力學性能好的陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法；本發明一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法，包括下述步驟第一步取霧化鋅鋁合金粉末與陶瓷粉末按質量比陶瓷粉末鋅鋁合金粉末=1 (53 2. 8)混合，球磨過100目篩后對粉末進行成型，制成粉末預制塊；第二步將粉末預制塊在保護氣氛下預熱至熱鍛上限溫度以上10 20°C，對預熱后的粉末預制塊在300°C 370°C熱鍛，得到陶瓷粉末增強的鋅合金基復合材料；預熱的升溫速率為5 10°C /min ；第三步將第二步所得鋅合金基復合材料在370 420°C范圍內保溫2 證后， 在90 125°C，時效9 12h。本發明一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法中，所述的鋅鋁合金組分按重量百分比組成為A1 8% ;35%，Cu 0.05% 5%，余量為Si和總量不超過0.3% 的1 及其他不可避免的雜質。本發明一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法中，所述的鋅鋁合金組分按重量百分比組成為A1 8% ；35%，Cu 0. 05% 5%，Ti 0. 2 0. 4%, Mg 0. 02% 1 %，余量為Si和總量不超過0. 3 %的Fe及其他不可避免的雜質。本發明一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法中，所述的陶瓷粉末選自SiC, Al2O3，ZrO2, TiC, B4C, Si3N4，Cr2O3中的至少一種；所述的陶瓷粉末為顆粒狀或纖維狀。本發明一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法中，所述鋅鋁合金粉末的粒徑小于等于20 μ m,陶瓷顆粒的粒徑為1 50 μ m或陶瓷短纖維的長度為50 μ m 1000 μ Hlo本發明一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法中，所述球磨以無水乙醇為球磨介質，采用濕式球磨法球磨8 12h ；所述成型的成型壓力為10 40Mpa。本發明一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法中，所述保護氣氛為氫氣、氮氣、氬氣中的一種或上述混合氣；所述預熱時間為2 證；所述熱鍛的壓力為150 200t，模具預熱溫度250 350°C，保壓時間為10 30min。本發明通過在霧化合金粉末中加入高體積分數的陶瓷粉末，經球磨混料，壓型等工藝，克服了陶瓷粉末與鋅鋁合金熔液潤濕性差加不進去，粉末分布不均，易團聚的缺陷， 能夠實現基體與增強體的任意配比，并保證了增強體在基體中的彌散分布。本發明通熱鍛粉末預制塊并對熱鍛后的復合材料進行熱處理的方式，克服了粉末燒結法制備的鋅鋁合金基復合材料致密度差，內部組織不均，孔洞較多、較大的缺陷，保證了鋅鋁合金基復合材料具有良好的力學性能。本發明通過對復合材料進行后續熱處理，可有效消除材料中的缺陷，優化其綜合力學性能。結合材料的硬度測試，抗拉強度的測試以及是濕摩擦系數的測試表明此方法制備的粉末增強復合材料具有較好的力學性能。綜上所述，本發明工藝方法簡單、操作方便、制備的鋅鋁合金基體與強化相分布均勻、組織致密、綜合力學性能好。克服了陶瓷粉末與鋅鋁合金熔液潤濕性差加不進去，粉末分布不均，及團聚的缺陷，同時也克服了粉末燒結法制備的復合材料致密度差，內部組織不均，孔洞較多、較大的問題，提高了復合材料的綜合力學性能。適于工業化應用。


附圖1為本發明實施例2制備20% SiC/ΖΑΤΙΟ復合材料的SEM照片。
具體實施例方式實施例1以商業用高純鋅(99. 995% )、高純鋁(99. 99% ), Al-5% Ti中間合金、 電解銅等為原料，按 Si 87. 6%，Al 10. 17%, Cu 1.933%, Ti 0. 0265%配比，在 680°C下熔化精煉后霧化沉積過篩后得到粒徑小于20 μ m的ZATlO粉末。然后將粒徑為18 μ m的SiC 粉末與ZATlO粉末按1 53的質量比稱取后，裝入球磨罐，以無水乙醇為球磨介質，在球磨罐內球磨他；烘干，過100目篩；然后壓制成型，壓力為lOMpa。將壓制成型的坯體在管式爐中以5-6°C /min的升溫速率升至390°C，氮氣保護下預熱2- ；接著放在直徑為50mm的模具桶內(預熱溫度為250°C )中在300t液壓機下進行熱鍛熱鍛壓力150t，模具預熱溫度250°C，熱鍛溫度370°C，保壓lOmin，得到體積分數為5%的SiC/ZATIO復合材料。最后將所得的復合材料在370°C溫度保溫ai，90°C下時效9h。將所得的復合材料樣品進行力學性能的測試。其硬度為160HB，抗拉強度為 427. 8Mpa，濕摩擦系數為0. 045，較原合金硬度提高了 60%，抗拉強度僅降低了 3%，濕摩擦系數降低了 10%。實施例2以商業用高純鋅(99. 995% )、高純鋁(99. 99% ), Al-5% Ti中間合金、 電解銅等為原料，按 Si 87. 6%，Al 10. 17%, Cu 1.933%, Ti 0. 0265%配比，在 700°C下熔化精煉后霧化沉積過篩后得到粒徑小于20 μ m的ZATlO粉末。然后將粒徑為3 μ m的SiC 粉末與ZATlO粉末按1 11的質量比稱取后，裝入球磨罐，以無水乙醇為球磨介質，在球磨罐內球磨IOh ；烘干，過100目篩；然后壓制成型，壓力為30Mpa。將壓制成型的坯體在管式爐中以7-8°C /min的升溫速率升至380°C，氬氣保護下預熱池；接著放在直徑為50mm的模具桶內(預熱溫度為250°C )中在300t液壓機下進行熱鍛熱鍛壓力180t，模具預熱溫度 3000C，熱鍛溫度370°C，保壓20min，得到體積分數為20%的SiC/ZATIO復合材料。最后將所得的復合材料在400°C溫度保溫4h，100°C下時效10h。將所得的復合材料樣品進行力學性能的測試。其硬度為174HB，抗拉強度為 411Mpa，濕摩擦系數為0. 018，較原合金硬度提高了 74%，抗拉強度降低了 6. 5%，濕摩擦系數降低了 64%。實施例3以商業用高純鋅(99. 995% )、高純鋁(99. 99% ), Al-5% Ti中間合金、 電解銅等為原料，按 Si 87. 6%，Al 10. 17%, Cu 1.933%, Ti 0. 0265%配比，在 750°C下熔化精煉后霧化沉積過篩后得到粒徑小于20 μ m的ZAT10粉末。然后將粒徑為48 μ m的SiC 粉末與ZAT10粉末按1 2. 8的質量比稱取后，裝入球磨罐，以無水乙醇為球磨介質，在球磨罐內球磨12h ；烘干，過100目篩；然后壓制成型，壓力為40Mpa。將壓制成型的坯體在管式爐中以9-10°C /min的升溫速率升至390°C，氫氣保護下預熱證；接著放在直徑為50mm的模具桶內(預熱溫度為250°C )中在300t液壓機下進行熱鍛熱鍛壓力200t，模具預熱溫度350°C，熱鍛溫度300°C，保壓30min，得到體積分數為50%的SiC/ZATIO復合材料。最后將所得的復合材料在420°C溫度保溫5h，120°C下時效12h。將所得的復合材料樣品進行力學性能的測試。其硬度為205HB，抗拉強度為 356. 4Mpa，濕摩擦系數為0. 023，較原合金硬度提高了 105%，抗拉強度僅降低了 19%，濕摩擦系數降低了 M%。實施例4以商業用高純鋅(99. 995% )、高純鋁(99. 99% ), Al-5% Ti中間合金、電解銅等為原料，按 Si 87. 6%，Al 10. 17%, Cu 1.933%, Ti 0. 0265%配比，在 700°C下熔化精煉后霧化沉積過篩后得到粒徑小于20 μ m的ZATlO粉末。然后將粒徑為30 μ m的SiC 粉末與ZATlO粉末按1 11的質量比稱取后，裝入球磨罐，以無水乙醇為球磨介質，在球磨罐內球磨IOh ；烘干，過100目篩；然后壓制成型，壓力為30Mpa。將壓制成型的坯體在管式爐中以6-9°C /min的升溫速率升至380°C，氮氣保護下預熱4h ；接著放在直徑為50mm的模具桶內(預熱溫度為250°C )中在300t液壓機下進行熱鍛熱鍛壓力180t，模具預熱溫度 3000C，熱鍛溫度340°C，保壓230min，得到體積分數為20%的SiC/ΖΑΤΙΟ復合材料。最后將所得的復合材料在390°C溫度保溫:3h，90°C下時效10h。將所得的復合材料樣品進行力學性能的測試。其硬度為183HB，抗拉強度為 408Mpa，濕摩擦系數為0. 019，較原合金硬度提高了 83%，抗拉強度僅降低了 7. 2%，濕摩擦系數降低了 62%。實施例5以商業用高純鋅(99. 995% )、高純鋁(99. 99% ), Al-5% Ti中間合金、 電解銅等為原料，按 Si 87. 6%，Al 10. 17%, Cu 1.933%, Ti 0. 0265%配比，在 730°C下熔化精煉后霧化沉積過篩后得到粒徑小于20 μ m的ZATlO粉末。然后將粒徑為1 μ m的SiC 粉末與ZATlO粉末按1 11的質量比稱取后，裝入球磨罐，以無水乙醇為球磨介質，在球磨罐內球磨9h;烘干，過100目篩；然后壓制成型，壓力為20Mpa。將壓制成型的坯體在管式爐中以6-9°C /min的升溫速率升至390°C，氬氣保護下預熱池；接著放在直徑為50mm的模具桶內(預熱溫度為250°C )中在300t液壓機下進行熱鍛熱鍛壓力200t，模具預熱溫度 3500C，熱鍛溫度350°C，保壓20min，得到體積分數為20%的SiC/ΖΑΤΙΟ復合材料。最后將所得的復合材料在380°C溫度保溫4h，90°C下時效10h。將所得的復合材料樣品進行力學性能的測試。其硬度為168HB，抗拉強度為 417Mpa，濕摩擦系數為0. 016，較原合金硬度提高了 68%，抗拉強度僅降低了 5. 3%，濕摩擦系數降低了 68%。實施例6以ZA27合金為原料，在680 750°C下熔化精煉后霧化沉積過篩得到粒徑小于20 μ m的ZA27粉末。然后將粒徑為10 μ m的SiC粉末與ZA27粉末按3 25的質量比稱取后，裝入球磨罐，以無水乙醇為球磨介質，在球磨罐上球磨9h ；烘干，過100目篩；然后壓制成型，壓力為40Mpa。將壓制成型的坯體在管式爐中以5-7°C /min的升溫速率升至 390°C，氮氣保護下預熱證；接著放在直徑為50mm的模具桶(預熱溫度為250°C)內在300t 液壓機下進行熱鍛熱鍛壓力200t，模具預熱溫度30(TC，熱鍛溫度370°C，保壓30min，得到體積分數為20%的SiC/ZA27復合材料。最后將所得的復合材料在410°C溫度保溫5h， 120°C下時效12h。將得到的復合材料樣品進行力學性能測試。硬度為163HB ；抗拉強度為380Mpa，濕摩擦系數為0. 016，較原合金硬度提高了 81 %，抗拉強度僅降低了 7. 3 %，濕摩擦系數降低了 60%。實施例7以商業用高純鋅(99. 995% )、高純鋁(99. 99% ), Al-5% Ti中間合金、 電解銅等為原料，按 Si 87. 6%，Al 10. 17%, Cu 1.933%, Ti 0. 0265%配比，在 750°C下熔化精煉后霧化沉積過篩得到粒徑小于20 μ m的ZATlO粉末。然后將粒徑為3 μ m的^O2粉末與ZATlO粉末按6 23的質量比稱取后，裝入球磨罐，以無水乙醇為球磨介質，在球磨罐上球磨12h ；烘干，過100目篩；然后壓制成型，壓力為35Mpa。將壓制成型的坯體在管式爐中以7-9°C /min的升溫速率升至380°C，氮氣保護下預熱4h ；接著放在直徑為50mm的模具桶(預熱溫度為250°C )中在300t液壓機下進行熱鍛熱鍛壓力為150t，模具預熱溫度 3500C，熱鍛溫度330°C，保壓25min，得到體積分數為20%的&02/ZAT10復合材料。最后將所得的復合材料在400°C溫度保溫4h，90°C下時效12h。 將得到的復合材料樣品進行力學性能測試。硬度為156HB ；抗拉強度為412Mpa，濕摩擦系數為0. 024，較原合金硬度提高了 56%，抗拉強度僅降低了 6. 3 %，濕摩擦系數降低了 52%。
權利要求
1.一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法，包括下述步驟第一步取霧化鋅鋁合金粉末與陶瓷粉末按質量比陶瓷粉末鋅鋁合金粉末=1 (53 2. 8)混合， 球磨過篩后對粉末進行成型，制成粉末預制塊；第二步將粉末預制塊在保護氣氛下預熱至熱鍛上限溫度以上10 20°C，對預熱后的粉末預制塊在300°C 370°C熱鍛，得到陶瓷粉末增強的鋅合金基復合材料；第三步將第二步所得鋅合金基復合材料在370 420°C范圍內保溫2 5h后，在90 125°C，時效9 12h。
2.根據權利要求項1所述的一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法，其特征在于所述的鋅鋁合金組分按重量百分比組成為A1 8^-35^,01。.(^^ 日^，余量為Si和總量不超過0. 3%的Fe及其他不可避免的雜質。
3.根據權利要求項1所述的一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法，其特征在于所述的鋅鋁合金組分按重量百分比組成為A1 8% 35%，Cu 0. 05% 5%，Ti 0.2 0.4%，Mg 0.02% 1%，余量為Si和總量不超過0.3%的狗及其他不可避免的雜質。
4.根據權利要求項2或3所述的一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法， 其特征在于所述的陶瓷粉末選自SiC，Al2O3，ZrO2, TiC, B4C, Si3N4，Cr2O3中的至少一種；所述的陶瓷粉末為顆粒狀或纖維狀。
5.根據權利要求項4所述的一種陶瓷顆粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法，其特征在于所述鋅鋁合金粉末的粒徑小于等于20 μ m,陶瓷顆粒的粒徑為1 50 μ m或陶瓷短纖維的長度為50 μ m 1000 μ m。
6.據權利要求項5所述的一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法，其特征在于所述球磨以無水乙醇為球磨介質，采用濕式球磨法球磨8 12h ；所述成型的成型壓力為10 40Mpa。
7.據權利要求項6任意一項所述的一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法，其特征在于所述保護氣氛為氫氣、氮氣、氬氣中的一種或它們的混合氣體；所述預熱時間為2 釙；所述熱鍛的壓力為150 200t，模具預熱溫度250 350°C，保壓時間為 10 30mino
全文摘要
一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法，是將霧化鋅鋁合金粉末中加入陶瓷粉末，經球磨混料，壓型制作成粉末預制件，在氣氛保護下預熱，經熱鍛得到復合材料，最后對鋅鋁合金基復合材料進行熱處理消除材料中缺陷，優化復合材料的綜合力學性能。本發明工藝方法簡單、操作方便、制備的鋅鋁合金基體與強化相分布均勻、組織致密、綜合力學性能好。克服了陶瓷粉末與鋅鋁合金熔液潤濕性差加不進去，粉末分布不均，及團聚的缺陷，同時也克服了粉末燒結法制備的復合材料致密度差，內部組織不均，孔洞較多、較大的問題，提高了復合材料的綜合力學性能。適于工業化應用。
文檔編號C22C1/05GK102337423SQ201110341289
公開日2012年2月1日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者劉凡, 劉雯雯, 周宏明, 方珍奇, 朱玉華, 李薦, 楊亮, 楊俊 , 黃祖瓊 申請人:中南大學