硅相增強高鋁鋅基復合材料研究

引言

銅合金及其復合材料具有良好的導電、導熱性能和耐磨性，是傳統的耐磨材料。但是我國銅資源極度匱乏，開發新型滑動軸承材料是現在材料研究的熱點之一。高鋁鋅合金具有優良的鑄造性能、優良的力學性能和良好的耐磨、減摩性能，是近年來一起人們非常關注的新型有色金屬材料，在機械行業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準。ZA27合金在要求有較高強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定性差，高溫性能較低，在使用溫度超過100℃時合金的性能急劇下降。鋅鋁合金的尺寸穩定性差主要是由于富銅相CuZn5發生了不可逆四元轉變造成的。一些文獻研究表明，在鋅合金中提高鋁含量可以在合金中生產更多的高溫α相，增強合金固溶強化效果，同時減少共析體數量，且與銅生成的硬質點除了CuZn5外，還產生了Cu3Al2和Cu9Al4提高了合金的耐磨性，降低合金的熱膨脹性。但是溶質鋁原子在晶界區的平衡析出聚集導致晶間腐蝕，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，對于提高合金的熱穩定性很有幫助。因此，開發Si顆粒增強高鋁鋅基復合材料將會進一步拓展鑄造鋅基合金的應用。

目前制備顆粒增強復合材料的方法主要有兩種。一種是外加顆粒增強復合材料；另一種是原位自生顆粒增強復合材料。采用原位自生法制備出的復合材料中增強相合基體界面清潔無污染，屬于冶金結合方式，而且增強相分布均勻、尺寸細小。原位自生法制備顆粒增加復合材料時，多采用外加元素與基體之間發生化學反應生成高熔點陶瓷增強相。這就需要較高的反應溫度，而且涉及一系列的復雜的化學反應、熱力學反應等，在實際中不便于控制，對鋅合金這種低熔點、易氧化的金屬不是最佳選擇。本次試驗以Si顆粒增強為增強材料，采用原位自生法的普通鑄造工藝來制備Si顆粒增強高鋁鋅基的復合材料，該方法更具工業應用價值，能為進一步擴大鑄造鋅鋁合金的應用提供依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為純鋁、工業純鋅、Al-30wt%Si中間合金、Al-30wt%Cu中間合金、純Mg和三元復合變質劑。試驗材料的設計成分如表1所示。試驗材料的熔煉過程見圖1所示。

1.2 復合材料的制備

先對坩堝電阻爐進行清爐，并預熱坩堝及熔煉工具到約300℃，噴刷涂料。然后清理和預熱爐料，配料計算，準備熔劑、變質劑和清渣劑。裝料的順序為：Al-Si，Al-Cu中間合金，純鋁錠，工業純鋅錠、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。溫度達到660℃時，用鐘罩將預熱到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和移動3～5分鐘。然后升溫到710～730℃，用占爐料總質量0.3%～0.5%的C2Cl6分2～3次用鐘罩壓入合金液內進行精煉10～15分鐘，緩慢在爐內繞圈。精煉結束后，在730℃用占爐料總質量的3%～4%的三元復合變質劑進行變質處理，變質時間20分鐘。當變質完成后加入除渣劑并進行攪拌，然后靜置5～10分鐘。當溫度達到700℃時扒渣出爐澆注。金屬模由于受熱退讓性差，容易產生鑄造應力，因此澆注時觀察模具，待澆道口金屬液凝固立即打開模具取出鑄件。

1.3 試驗方法

截取各試驗材料相同部位對材料進行粗磨、細磨、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的EPIPHOT-300U型倒置金相顯微鏡對材料的金相顯微組織進行觀察并采集金相照片。沖擊試驗在沖擊試驗在ZBC2302-2液晶全自動金屬擺鐘沖擊試驗機上進行，實驗數據由電腦自動采集。沖擊韌性試樣按國標GB/T 2975標準加工成尺寸為10×10×55的無缺口的標準沖擊試樣。在HB--3000B型布什硬度計上測試材料硬度，硬質合金壓頭直徑為5mm，負荷62.5㎏，保荷時間30S。在試樣上、中、下三個部位分別測量3個點硬度，取其平均值。

2 實驗結果與討論

2.1 硅含量對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，共析體細小致密，α相分布均勻，沒有粗長的樹枝，形如樹葉。含Si的復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。硅含量為4.5wt%的復合材料顯微組織，復合材料的顯微組織中既有細密的共晶硅，還可以看到分布均勻，顆粒形狀規則、尺寸大小合適的初生硅顆粒。硅含量達到6wt%，在組織中觀測到較大的塊狀硅顆粒，且這些顆粒有聚集長大的趨勢，三元變質劑變質處理有利于硅顆粒的形成。比較各材料組織特點可知，隨著合金中硅含量的不斷增加，復合材料的顯微組織中初生硅數量在不斷增多，且初生硅的顆粒尺寸在變大，小球塊狀逐漸增多。且在硅含量達到6wt%時，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合金更加細小，材料的顯微組織更加細密。

目前，沒有較全面的鋅鋁硅三元相圖，但是有文獻資料介紹，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。有資料認為，鋅鋁硅合金在約8wt%Zn、3～4wt%Si與440℃條件下有一共晶反應為L+Al→ZnAl+Si；在約0.05wt%Si、95%Zn和380℃發生三元共晶反應為L→ZnAl+Zn+Si。結合

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，

當合金的成分落在共晶反應線UV線以上區域，合金在凝固時首先析出初生硅相，隨著凝固過程的進行，初生Si相不斷析出、長大，殘留在液相中的Si量逐漸減少直至達到共晶成分發生共晶反應，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則的塊狀硬質硅相。

2.2 硅含量對ZA40合金硬度的影響

硅含量對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Si含量為6%時，硬度達到173HB。對一般的多相材料而言，合金中的第二相質點的性質、形貌大小、數量和分布對材料的塑性都有很大的影響。Si在復合材料中是硬質點相，隨著硅含量的提高，合金中硬質點硅相增多，材料在受壓時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。根據復合材料的復合法則，硬質相分布在金屬基體上時，復合材料的隨著硅含量的增加硬度增大。

2.3 硅含量對ZA40合金沖擊韌性的影響

硅含量對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。這是因為，初生硅是硬脆相，在材料中以塊狀出現，對基體起到了一定的割裂作用，不規則的棱角存在應力集中，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 項目取得的主要成果

3.1采用復合變質處理，制備出了初生硅顆粒分布均勻，形狀規則，尺寸細小的硅相增強高鋁鋅基ZA40復合材料。

3.2 ZA40基體合金鑄態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，初生硅相數量增加，硬度是逐漸增大，沖擊韌性逐漸降低。

結束語

（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構。

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

（4）基于石墨烯納米片的二維、皺褶結構及與鋁合金基體的良好結合界面特性，提出了細晶強化，超大界面強化和剪切應力轉移強化方式。

作者簡介 趙冬偉，單位：陜西航空電氣有限責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，學歷：本科，研究方向：工藝編制和夾具設計