硅相增强高铝锌基复合材料研究

引言

铜合金及其复合材料具有良好的导电、导热性能和耐磨性，是传统的耐磨材料。但是我国铜资源极度匮乏，开发新型滑动轴承材料是现在材料研究的热点之一。高铝锌合金具有优良的铸造性能、优良的力学性能和良好的耐磨、减摩性能，是近年来一起人们非常关注的新型有色金属材料，在机械行业已成功替代了部分铜合金、铝合金、巴氏合金，一些国家还将锌铝合金列入国家标准。ZA27合金在要求有较高强度和良好耐磨性的工况条件下，是取代铜合金的最佳选择。但是高铝锌合金尺寸稳定性差，高温性能较低，在使用温度超过100℃时合金的性能急剧下降。锌铝合金的尺寸稳定性差主要是由于富铜相CuZn5发生了不可逆四元转变造成的。一些文献研究表明，在锌合金中提高铝含量可以在合金中生产更多的高温α相，增强合金固溶强化效果，同时减少共析体数量，且与铜生成的硬质点除了CuZn5外，还产生了Cu3Al2和Cu9Al4提高了合金的耐磨性，降低合金的热膨胀性。但是溶质铝原子在晶界区的平衡析出聚集导致晶间腐蚀，加入微量的铜和镁可使铝相钝化。还有一些文献研究表明，在铸造锌基合金中加入一些Si元素，可以有效提高合金的耐磨性能，对于提高合金的热稳定性很有帮助。因此，开发Si颗粒增强高铝锌基复合材料将会进一步拓展铸造锌基合金的应用。

目前制备颗粒增强复合材料的方法主要有两种。一种是外加颗粒增强复合材料；另一种是原位自生颗粒增强复合材料。采用原位自生法制备出的复合材料中增强相合基体界面清洁无污染，属于冶金结合方式，而且增强相分布均匀、尺寸细小。原位自生法制备颗粒增加复合材料时，多采用外加元素与基体之间发生化学反应生成高熔点陶瓷增强相。这就需要较高的反应温度，而且涉及一系列的复杂的化学反应、热力学反应等，在实际中不便于控制，对锌合金这种低熔点、易氧化的金属不是最佳选择。本次试验以Si颗粒增强为增强材料，采用原位自生法的普通铸造工艺来制备Si颗粒增强高铝锌基的复合材料，该方法更具工业应用价值，能为进一步扩大铸造锌铝合金的应用提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为纯铝、工业纯锌、Al-30wt%Si中间合金、Al-30wt%Cu中间合金、纯Mg和三元复合变质剂。试验材料的设计成分如表1所示。试验材料的熔炼过程见图1所示。

1.2 复合材料的制备

先对坩埚电阻炉进行清炉，并预热坩埚及熔炼工具到约300℃，喷刷涂料。然后清理和预热炉料，配料计算，准备熔剂、变质剂和清渣剂。装料的顺序为：Al-Si，Al-Cu中间合金，纯铝锭，工业纯锌锭、纯镁等。

炉料装完之后，升温熔化。待炉料全部熔化后，除渣并轻轻搅拌合金液3～5圈。温度达到660℃时，用钟罩将预热到200℃的金属锌块压入，待锌块全部熔化后1～3分钟，加入熔剂，并立即用钟罩将金属镁压入熔池的一定深度处并缓慢回转和移动3～5分钟。然后升温到710～730℃，用占炉料总质量0.3%～0.5%的C2Cl6分2～3次用钟罩压入合金液内进行精炼10～15分钟，缓慢在炉内绕圈。精炼结束后，在730℃用占炉料总质量的3%～4%的三元复合变质剂进行变质处理，变质时间20分钟。当变质完成后加入除渣剂并进行搅拌，然后静置5～10分钟。当温度达到700℃时扒渣出炉浇注。金属模由于受热退让性差，容易产生铸造应力，因此浇注时观察模具，待浇道口金属液凝固立即打开模具取出铸件。

1.3 试验方法

截取各试验材料相同部位对材料进行粗磨、细磨、粗抛和精抛，然后用5%HCl、5%HNO3、5%HF和85%蒸馏水配制腐蚀液腐蚀试样，制备出金相试样，利用配备图像采集系统的EPIPHOT-300U型倒置金相显微镜对材料的金相显微组织进行观察并采集金相照片。冲击试验在冲击试验在ZBC2302-2液晶全自动金属摆钟冲击试验机上进行，实验数据由电脑自动采集。冲击韧性试样按国标GB/T 2975标准加工成尺寸为10×10×55的无缺口的标准冲击试样。在HB--3000B型布什硬度计上测试材料硬度，硬质合金压头直径为5mm，负荷62.5㎏，保荷时间30S。在试样上、中、下三个部位分别测量3个点硬度，取其平均值。

2 实验结果与讨论

2.1 硅含量对材料显微组织的影响

ZA40合金显微组织，显微组织是由初生树枝状的富铝α相、富锌的η相、富铜的ε相、以及（α+η）共析体组成，共析体细小致密，α相分布均匀，没有粗长的树枝，形如树叶。含Si的复合材料的微观组织与ZA40合金的组织十分相似，只是在材料基体上分布有Si颗粒。硅含量为1.5wt%的复合材料显微组织，由于材料中硅含量较小，硅颗粒主要以共晶硅形式出现。硅含量为4.5wt%的复合材料显微组织，复合材料的显微组织中既有细密的共晶硅，还可以看到分布均匀，颗粒形状规则、尺寸大小合适的初生硅颗粒。硅含量达到6wt%，在组织中观测到较大的块状硅颗粒，且这些颗粒有聚集长大的趋势，三元变质剂变质处理有利于硅颗粒的形成。比较各材料组织特点可知，随着合金中硅含量的不断增加，复合材料的显微组织中初生硅数量在不断增多，且初生硅的颗粒尺寸在变大，小球块状逐渐增多。且在硅含量达到6wt%时，块状初生硅分布在ZA40基体金属。比较可知，含Si元素的锌铝合金中的初生树枝状的富铝α相比ZA40合金更加細小，材料的显微组织更加细密。

目前，没有较全面的锌铝硅三元相图，但是有文献资料介绍，锌铝硅三元合金与铝硅二元合金的凝固过程和显微组织较为相似。有资料认为，锌铝硅合金在约8wt%Zn、3～4wt%Si与440℃条件下有一共晶反应为L+Al→ZnAl+Si；在约0.05wt%Si、95%Zn和380℃发生三元共晶反应为L→ZnAl+Zn+Si。结合

已知的Zn-Al、Zn-Si和Al-Si二元相图，推出如图2所示的锌-铝-硅三元液相投影图。从图2可以看出，

当合金的成分落在共晶反应线UV线以上区域，合金在凝固时首先析出初生硅相，随着凝固过程的进行，初生Si相不断析出、长大，残留在液相中的Si量逐渐减少直至达到共晶成分发生共晶反应，共晶硅依附初生硅析出并长大，最后在材料组织中生成不规则的块状硬质硅相。

2.2 硅含量对ZA40合金硬度的影响

硅含量对ZA40合金硬度的影响曲线如图3所示。由图可知，随着硅含量的增加，材料的硬度也在增大。当Si含量为6%时，硬度达到173HB。对一般的多相材料而言，合金中的第二相质点的性质、形貌大小、数量和分布对材料的塑性都有很大的影响。Si在复合材料中是硬质点相，随着硅含量的提高，合金中硬质点硅相增多，材料在受压时增大了合金的受力面积，因而材料的硬度随着合金中硅含量的增加有上升趋势。根据复合材料的复合法则，硬质相分布在金属基体上时，复合材料的随着硅含量的增加硬度增大。

2.3 硅含量对ZA40合金冲击韧性的影响

硅含量对ZA40合金冲击韧性的影响曲线如图4所示。由图4可知，随着硅含量的增加，合金的冲击韧性逐渐下降。这是因为，初生硅是硬脆相，在材料中以块状出现，对基体起到了一定的割裂作用，不规则的棱角存在应力集中，造成合金变脆，而且硬脆硅相的存在，在一定程度上提供了裂纹源，降低了合金延展性，所以合金的冲击韧性随硅含量的增加而降低。

3 项目取得的主要成果

3.1采用复合变质处理，制备出了初生硅颗粒分布均匀，形状规则，尺寸细小的硅相增强高铝锌基ZA40复合材料。

3.2 ZA40基體合金铸态微观组织为初生枝状的α相、（α+η）共析体、富锌的η相、富铜的ε相。随着材料中Si含量的不断增加，材料中的初生硅相数量增加，且尺寸逐渐长大。

3.3随着材料中Si含量的不断增加，初生硅相数量增加，硬度是逐渐增大，冲击韧性逐渐降低。

结束语

（1）采用球磨制粉+热等静压+挤压的方法成功制备了新型铝基烯合金材料。石墨烯纳米片的引入没有影响铝合金的冶金成型。

（2）石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中，并与铝合金基体形成了良好的结合界面。在铝基烯合金材料中石墨烯纳米片保留了良好的原始结构。

（3）添加0.3%的石墨烯纳米片，明显提高了铝合金的强度。屈服强度从204MPa提高到322MPa，提高幅度高达58%；抗拉强度从364MPa提高到455 MPa，增加了25%，同时塑形未见降低。

（4）基于石墨烯纳米片的二维、皱褶结构及与铝合金基体的良好结合界面特性，提出了细晶强化，超大界面强化和剪切应力转移强化方式。

作者简介 赵冬伟，单位：陕西航空电气有限责任公司秦岭电气分公司，邮编：713101 ， 性别：男，名族：汉，出生年月1987年2月17，职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：工艺编制和夹具设计