硅相增強(qiáng)高鋁鋅基復(fù)合材料研究

引言

銅合金及其復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和耐磨性，是傳統(tǒng)的耐磨材料。但是我國銅資源極度匱乏，開發(fā)新型滑動(dòng)軸承材料是現(xiàn)在材料研究的熱點(diǎn)之一。高鋁鋅合金具有優(yōu)良的鑄造性能、優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的耐磨、減摩性能，是近年來一起人們非常關(guān)注的新型有色金屬材料，在機(jī)械行業(yè)已成功替代了部分銅合金、鋁合金、巴氏合金，一些國家還將鋅鋁合金列入國家標(biāo)準(zhǔn)。ZA27合金在要求有較高強(qiáng)度和良好耐磨性的工況條件下，是取代銅合金的最佳選擇。但是高鋁鋅合金尺寸穩(wěn)定性差，高溫性能較低，在使用溫度超過100℃時(shí)合金的性能急劇下降。鋅鋁合金的尺寸穩(wěn)定性差主要是由于富銅相CuZn5發(fā)生了不可逆四元轉(zhuǎn)變?cè)斐傻?。一些文獻(xiàn)研究表明，在鋅合金中提高鋁含量可以在合金中生產(chǎn)更多的高溫α相，增強(qiáng)合金固溶強(qiáng)化效果，同時(shí)減少共析體數(shù)量，且與銅生成的硬質(zhì)點(diǎn)除了CuZn5外，還產(chǎn)生了Cu3Al2和Cu9Al4提高了合金的耐磨性，降低合金的熱膨脹性。但是溶質(zhì)鋁原子在晶界區(qū)的平衡析出聚集導(dǎo)致晶間腐蝕，加入微量的銅和鎂可使鋁相鈍化。還有一些文獻(xiàn)研究表明，在鑄造鋅基合金中加入一些Si元素，可以有效提高合金的耐磨性能，對(duì)于提高合金的熱穩(wěn)定性很有幫助。因此，開發(fā)Si顆粒增強(qiáng)高鋁鋅基復(fù)合材料將會(huì)進(jìn)一步拓展鑄造鋅基合金的應(yīng)用。

目前制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的方法主要有兩種。一種是外加顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；另一種是原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。采用原位自生法制備出的復(fù)合材料中增強(qiáng)相合基體界面清潔無污染，屬于冶金結(jié)合方式，而且增強(qiáng)相分布均勻、尺寸細(xì)小。原位自生法制備顆粒增加復(fù)合材料時(shí)，多采用外加元素與基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成高熔點(diǎn)陶瓷增強(qiáng)相。這就需要較高的反應(yīng)溫度，而且涉及一系列的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)、熱力學(xué)反應(yīng)等，在實(shí)際中不便于控制，對(duì)鋅合金這種低熔點(diǎn)、易氧化的金屬不是最佳選擇。本次試驗(yàn)以Si顆粒增強(qiáng)為增強(qiáng)材料，采用原位自生法的普通鑄造工藝來制備Si顆粒增強(qiáng)高鋁鋅基的復(fù)合材料，該方法更具工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，能為進(jìn)一步擴(kuò)大鑄造鋅鋁合金的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為純鋁、工業(yè)純鋅、Al-30wt%Si中間合金、Al-30wt%Cu中間合金、純Mg和三元復(fù)合變質(zhì)劑。試驗(yàn)材料的設(shè)計(jì)成分如表1所示。試驗(yàn)材料的熔煉過程見圖1所示。

1.2 復(fù)合材料的制備

先對(duì)坩堝電阻爐進(jìn)行清爐，并預(yù)熱坩堝及熔煉工具到約300℃，噴刷涂料。然后清理和預(yù)熱爐料，配料計(jì)算，準(zhǔn)備熔劑、變質(zhì)劑和清渣劑。裝料的順序?yàn)椋篈l-Si，Al-Cu中間合金，純鋁錠，工業(yè)純鋅錠、純鎂等。

爐料裝完之后，升溫熔化。待爐料全部熔化后，除渣并輕輕攪拌合金液3～5圈。溫度達(dá)到660℃時(shí)，用鐘罩將預(yù)熱到200℃的金屬鋅塊壓入，待鋅塊全部熔化后1～3分鐘，加入熔劑，并立即用鐘罩將金屬鎂壓入熔池的一定深度處并緩慢回轉(zhuǎn)和移動(dòng)3～5分鐘。然后升溫到710～730℃，用占爐料總質(zhì)量0.3%～0.5%的C2Cl6分2～3次用鐘罩壓入合金液內(nèi)進(jìn)行精煉10～15分鐘，緩慢在爐內(nèi)繞圈。精煉結(jié)束后，在730℃用占爐料總質(zhì)量的3%～4%的三元復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)時(shí)間20分鐘。當(dāng)變質(zhì)完成后加入除渣劑并進(jìn)行攪拌，然后靜置5～10分鐘。當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)扒渣出爐澆注。金屬模由于受熱退讓性差，容易產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，因此澆注時(shí)觀察模具，待澆道口金屬液凝固立即打開模具取出鑄件。

1.3 試驗(yàn)方法

截取各試驗(yàn)材料相同部位對(duì)材料進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、粗拋和精拋，然后用5%HCl、5%HNO3、5%HF和85%蒸餾水配制腐蝕液腐蝕試樣，制備出金相試樣，利用配備圖像采集系統(tǒng)的EPIPHOT-300U型倒置金相顯微鏡對(duì)材料的金相顯微組織進(jìn)行觀察并采集金相照片。沖擊試驗(yàn)在沖擊試驗(yàn)在ZBC2302-2液晶全自動(dòng)金屬擺鐘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由電腦自動(dòng)采集。沖擊韌性試樣按國標(biāo)GB/T 2975標(biāo)準(zhǔn)加工成尺寸為10×10×55的無缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣。在HB--3000B型布什硬度計(jì)上測(cè)試材料硬度，硬質(zhì)合金壓頭直徑為5mm，負(fù)荷62.5㎏，保荷時(shí)間30S。在試樣上、中、下三個(gè)部位分別測(cè)量3個(gè)點(diǎn)硬度，取其平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硅含量對(duì)材料顯微組織的影響

ZA40合金顯微組織，顯微組織是由初生樹枝狀的富鋁α相、富鋅的η相、富銅的ε相、以及（α+η）共析體組成，共析體細(xì)小致密，α相分布均勻，沒有粗長的樹枝，形如樹葉。含Si的復(fù)合材料的微觀組織與ZA40合金的組織十分相似，只是在材料基體上分布有Si顆粒。硅含量為1.5wt%的復(fù)合材料顯微組織，由于材料中硅含量較小，硅顆粒主要以共晶硅形式出現(xiàn)。硅含量為4.5wt%的復(fù)合材料顯微組織，復(fù)合材料的顯微組織中既有細(xì)密的共晶硅，還可以看到分布均勻，顆粒形狀規(guī)則、尺寸大小合適的初生硅顆粒。硅含量達(dá)到6wt%，在組織中觀測(cè)到較大的塊狀硅顆粒，且這些顆粒有聚集長大的趨勢(shì)，三元變質(zhì)劑變質(zhì)處理有利于硅顆粒的形成。比較各材料組織特點(diǎn)可知，隨著合金中硅含量的不斷增加，復(fù)合材料的顯微組織中初生硅數(shù)量在不斷增多，且初生硅的顆粒尺寸在變大，小球塊狀逐漸增多。且在硅含量達(dá)到6wt%時(shí)，塊狀初生硅分布在ZA40基體金屬。比較可知，含Si元素的鋅鋁合金中的初生樹枝狀的富鋁α相比ZA40合金更加細(xì)小，材料的顯微組織更加細(xì)密。

目前，沒有較全面的鋅鋁硅三元相圖，但是有文獻(xiàn)資料介紹，鋅鋁硅三元合金與鋁硅二元合金的凝固過程和顯微組織較為相似。有資料認(rèn)為，鋅鋁硅合金在約8wt%Zn、3～4wt%Si與440℃條件下有一共晶反應(yīng)為L+Al→ZnAl+Si；在約0.05wt%Si、95%Zn和380℃發(fā)生三元共晶反應(yīng)為L→ZnAl+Zn+Si。結(jié)合

已知的Zn-Al、Zn-Si和Al-Si二元相圖，推出如圖2所示的鋅-鋁-硅三元液相投影圖。從圖2可以看出，

當(dāng)合金的成分落在共晶反應(yīng)線UV線以上區(qū)域，合金在凝固時(shí)首先析出初生硅相，隨著凝固過程的進(jìn)行，初生Si相不斷析出、長大，殘留在液相中的Si量逐漸減少直至達(dá)到共晶成分發(fā)生共晶反應(yīng)，共晶硅依附初生硅析出并長大，最后在材料組織中生成不規(guī)則的塊狀硬質(zhì)硅相。

2.2 硅含量對(duì)ZA40合金硬度的影響

硅含量對(duì)ZA40合金硬度的影響曲線如圖3所示。由圖可知，隨著硅含量的增加，材料的硬度也在增大。當(dāng)Si含量為6%時(shí)，硬度達(dá)到173HB。對(duì)一般的多相材料而言，合金中的第二相質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)、形貌大小、數(shù)量和分布對(duì)材料的塑性都有很大的影響。Si在復(fù)合材料中是硬質(zhì)點(diǎn)相，隨著硅含量的提高，合金中硬質(zhì)點(diǎn)硅相增多，材料在受壓時(shí)增大了合金的受力面積，因而材料的硬度隨著合金中硅含量的增加有上升趨勢(shì)。根據(jù)復(fù)合材料的復(fù)合法則，硬質(zhì)相分布在金屬基體上時(shí)，復(fù)合材料的隨著硅含量的增加硬度增大。

2.3 硅含量對(duì)ZA40合金沖擊韌性的影響

硅含量對(duì)ZA40合金沖擊韌性的影響曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著硅含量的增加，合金的沖擊韌性逐漸下降。這是因?yàn)?，初生硅是硬脆相，在材料中以塊狀出現(xiàn)，對(duì)基體起到了一定的割裂作用，不規(guī)則的棱角存在應(yīng)力集中，造成合金變脆，而且硬脆硅相的存在，在一定程度上提供了裂紋源，降低了合金延展性，所以合金的沖擊韌性隨硅含量的增加而降低。

3 項(xiàng)目取得的主要成果

3.1采用復(fù)合變質(zhì)處理，制備出了初生硅顆粒分布均勻，形狀規(guī)則，尺寸細(xì)小的硅相增強(qiáng)高鋁鋅基ZA40復(fù)合材料。

3.2 ZA40基體合金鑄態(tài)微觀組織為初生枝狀的α相、（α+η）共析體、富鋅的η相、富銅的ε相。隨著材料中Si含量的不斷增加，材料中的初生硅相數(shù)量增加，且尺寸逐漸長大。

3.3隨著材料中Si含量的不斷增加，初生硅相數(shù)量增加，硬度是逐漸增大，沖擊韌性逐漸降低。

結(jié)束語

（1）采用球磨制粉+熱等靜壓+擠壓的方法成功制備了新型鋁基烯合金材料。石墨烯納米片的引入沒有影響鋁合金的冶金成型。

（2）石墨烯納米片均勻分布在鋁合金基體中，并與鋁合金基體形成了良好的結(jié)合界面。在鋁基烯合金材料中石墨烯納米片保留了良好的原始結(jié)構(gòu)。

（3）添加0.3%的石墨烯納米片，明顯提高了鋁合金的強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度從204MPa提高到322MPa，提高幅度高達(dá)58%；抗拉強(qiáng)度從364MPa提高到455 MPa，增加了25%，同時(shí)塑形未見降低。

（4）基于石墨烯納米片的二維、皺褶結(jié)構(gòu)及與鋁合金基體的良好結(jié)合界面特性，提出了細(xì)晶強(qiáng)化，超大界面強(qiáng)化和剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)化方式。

作者簡(jiǎn)介 趙冬偉，單位：陜西航空電氣有限責(zé)任公司秦嶺電氣分公司，郵編：713101 ， 性別：男，名族：漢，出生年月1987年2月17，職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：工藝編制和夾具設(shè)計(jì)