增強(qiáng)體預(yù)處理工藝對(duì)鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體分布的影響

閻峰云，牟余江，張 威，楊群英

（蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

增強(qiáng)體預(yù)處理工藝對(duì)鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體分布的影響

閻峰云，牟余江，張 威，楊群英

（蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

通過(guò)攪拌鑄造法制備了莫來(lái)石顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)體的預(yù)處理工藝，研究了不同的預(yù)處理方法對(duì)復(fù)合材料制備的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用加熱預(yù)處理、酸洗、涂覆鋁粉以及氟酸鹽處理都明顯改善了增強(qiáng)體的加入量和分散性，而當(dāng)采用兩種預(yù)處理方法相結(jié)合時(shí)增強(qiáng)體的加入量和分散性更優(yōu)。

攪拌鑄造法；莫來(lái)石顆粒；預(yù)處理工藝；分散性

1 引言

顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料因其具有低成本、低熱膨脹系數(shù)、高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐磨性以及高溫性能好和制造容易等特點(diǎn)，正處于工業(yè)生產(chǎn)階段，并必將獲得廣泛的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[1－3]。莫來(lái)石具有硬度大、高溫穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，而莫來(lái)石顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是一種新興的摩擦材料，它具有高耐磨性、耐高溫、比強(qiáng)度比剛度高、熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[4]。由于金屬與陶瓷的潤(rùn)濕性差，因此提高莫來(lái)石與基體鋁合金的潤(rùn)濕性是尚待解決的主要問(wèn)題。為了能夠在通常熔化溫度下使增強(qiáng)體與鋁基體相互潤(rùn)濕，就必須對(duì)增強(qiáng)體顆粒進(jìn)行預(yù)處理，以減小它與鋁合金的潤(rùn)濕角。本文將分別對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行酸洗、涂覆鋁粉和氟酸鹽處理，通過(guò)在相同的攪拌參數(shù)下比較在不同的預(yù)處理方法中增強(qiáng)體的分布情況，得到較好的增強(qiáng)體預(yù)處理方法。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體金屬是ZL101合金，增強(qiáng)體采用紫鑫礦業(yè)的紅柱石顆粒，首先經(jīng)過(guò)莫來(lái)石化處理后磨至過(guò)270目篩。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將增強(qiáng)體顆粒在12kW電阻爐中在800℃下處理3h，以除去表面的油污和雜質(zhì)，然后冷卻至室溫，再用行星球磨機(jī)濕磨16h。增強(qiáng)體的預(yù)處理采取以下幾種方法：預(yù)熱、酸洗、涂覆鋁粉和氟酸鹽處理。預(yù)熱處理是在800℃處理3h；涂覆鋁粉處理是將增強(qiáng)體與鋁粉按一定比例混合后濕法球磨16h；酸洗處理是用0.5mol/l的HF處理10min；氟酸鹽處理是用90～95℃的濃度為20g/100ml的K2ZrF6溶液處理。

復(fù)合材料的制備采用攪拌鑄造法，在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定了三個(gè)攪拌參數(shù)：攪拌溫度為720℃，攪拌速度為1000r/min，攪拌時(shí)間為10min。攪拌槳采用復(fù)合式攪拌槳，增強(qiáng)體的加入方法采用鐘罩壓入法。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 預(yù)熱處理的影響

圖1、圖2分別為增強(qiáng)體球磨后未熱處理及預(yù)熱處理后制備的復(fù)合材料的顯微組織照片，比較可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理后復(fù)合材料中增強(qiáng)體的加入量和分散性均優(yōu)于未經(jīng)預(yù)熱處理。加熱處理后，徹底去除了增強(qiáng)體顆粒表面所吸附的氣體、污染物以及顆粒內(nèi)部所吸收的水分 ，提高了增強(qiáng)體顆粒表面的活性 ，改善了增強(qiáng)體顆粒與鋁液之間的潤(rùn)濕性，而未經(jīng)預(yù)熱處理的增強(qiáng)體由于與鋁液的溫差較大，因此會(huì)降低鋁液的溫度增加鋁液的粘度，這會(huì)給增強(qiáng)體的分布增加困難。

3.2 涂覆鋁粉處理的影響

由于陶瓷與增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性差，但可以變陶瓷與金屬的潤(rùn)濕為金屬與金屬的潤(rùn)濕，在本試驗(yàn)中采用了濕法球磨的方法，方法是將增強(qiáng)體與鋁粉按一定比例混合后球磨，這樣可以在增強(qiáng)體表面涂覆一層鋁粉，從而變陶瓷與金屬的潤(rùn)濕為金屬與金屬的潤(rùn)濕，從而增加了增強(qiáng)體與基體的潤(rùn)濕性。圖3是增強(qiáng)體在球磨處理后直接進(jìn)行涂覆鋁粉處理。圖4的增強(qiáng)體是在球磨處理后先用HF酸洗后再涂覆鋁粉，通過(guò)比較可以看出，先酸洗再涂覆鋁粉的增強(qiáng)體的分布更加均勻。將圖3和圖4分別與圖1比較，發(fā)現(xiàn)經(jīng)涂覆鋁粉處理后的復(fù)合材料中的增強(qiáng)體加入量明顯增多，而且增強(qiáng)體的分布更加均勻。

3.3 氟酸鹽處理的影響

增強(qiáng)體與鋁液潤(rùn)濕性的難題在于鋁液與增強(qiáng)體的界面上存在著一層氧化鋁膜，如何去除該氧化鋁膜是解決潤(rùn)濕性問(wèn)題的關(guān)鍵。Rocher[5]認(rèn)為氟酸鹽處理增加潤(rùn)濕性的機(jī)理是：①反應(yīng)產(chǎn)生的鋁氟酸鉀溶解了包覆在鋁液表面的三氧化二鋁，這是最重要的；②反應(yīng)產(chǎn)生的一些低熔點(diǎn)氟化物揮發(fā)破壞了氧化鋁膜的完整性；③放熱反應(yīng)使反應(yīng)區(qū)域的局部溫度提高。圖5是增強(qiáng)體在球磨處理后直接用氟酸鹽處理，圖6的增強(qiáng)體是在球磨處理后先經(jīng)酸洗處理后再用氟酸鹽處理。通過(guò)比較可以看出，經(jīng)過(guò)酸洗處理的增強(qiáng)體分布更加均勻。同時(shí)將圖5與圖6與圖1相比較可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)氟酸鹽處理后，復(fù)合材料中增強(qiáng)體的加入量明顯提高且分布更加均勻。

3.4 酸洗處理的影響

當(dāng)采用較低濃度的HF酸對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行酸洗時(shí)，不會(huì)溶解莫來(lái)石相，相反會(huì)去除鐵雜質(zhì)并溶解里面的玻璃相，從而增加增強(qiáng)體的分散性。圖7是增強(qiáng)體在球磨處理后經(jīng)過(guò)酸洗處理后制備的復(fù)合材料，通過(guò)與圖1比較可以發(fā)現(xiàn)，再經(jīng)過(guò)酸洗處理后增強(qiáng)體的分布更加均勻。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)增強(qiáng)體單獨(dú)采用預(yù)熱處理、酸洗處理、涂覆鋁粉處理以及氟酸鹽處理時(shí)，都會(huì)改善增強(qiáng)體的加入效果。

（2）當(dāng)對(duì)增強(qiáng)體采用先酸洗再涂覆鋁粉處理或氟酸鹽處理時(shí)，增強(qiáng)體的加入量更多，且增強(qiáng)體的分布更加均勻。

[1]吳人潔.金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與展望[J].金屬學(xué)報(bào)，1997，33（1）:78-83.

[2]孫國(guó)雄，廖恒成，潘治.顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)和界面反應(yīng)與控制[J].特種鑄造及有色合金，1998（4）:12－17.

[3]王丹虹.原位制造顆粒增強(qiáng)MMCs[J].機(jī)械工業(yè)材料，1996，20（6）:34－36.

[4]鄒蘇陽(yáng)，徐廷獻(xiàn)，薄占滿.莫來(lái)石/鋁復(fù)合摩擦材料[J].硅酸鹽通報(bào)，1999（3）:3－8.

[5]Laurent V，Chatain D，Eustathopoulous N，Dumant X，Proc of the Symposium on Advances in Cast Reinforced Metal Composites，held in Chicago Illinois，USA，Sept.24－30，1988:27.

Effects of Pretreatment on Distribution of Reinforcement Particles in Aluminium Matrix Composites

YAN FengYun,Mou YuJiang,ZHANG Wei,YANG QunYing
（State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050,Gansu China）

Mullite particles reinforced Al matrix composite has been prepared by stir casting.The effects of different pretreatment methods on the preparation of composite material have been investigated by change of the pretreatment of reinforcement,resulting in that the addition and dispersion of reinforcement have been significantly improved with preheat or acid solution leaching or coated with Al powder or treated with K2ZrF6 solution while better results obtained when combined with two kinds of the pretreatment.

Stir casting；Mullite particles；Pretreatment；Dispersion

TB333.1+2;

A；

1006－9658（2011）03－3

2010－11－17

2010－169

閻峰云（1962－），男，教授/博士生導(dǎo)師；長(zhǎng)期從事鎂合金半固態(tài)加工技術(shù)和表面處理技術(shù)研究