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1、研究与应用1997年12月26日收到初稿,1998年3月10日收到修改稿。石墨、陶瓷颗粒复合增强铸造锌基复合材料的制备及其性能华南理工大学机电系(广州510641)杨立彦 罗承萍 骆灼旋 隋贤栋【提要】以石墨、碳化硼颗粒为复合增强体、ZA227为基体,制备出锌基复合材料,并研究了它的常规力学性能及摩擦学特性。通过对粒子进行预处理、球磨、机械搅拌等技术,将粒子与熔融状态的锌铝合金复合并搅拌成均匀的浆料,用挤压铸造法挤压成型,得到粒子增强的锌基复合材料。在金属基体上均匀分布着石墨、碳化硼颗粒。锌基复合材料比基体进入稳定磨损阶段的时间缩短,滑动过程平稳性增大。在润滑条件下,复合材料的耐磨性比ZA22
2、7合金有较大幅度提高,减摩性有所提高。关键词:锌铝合金 挤压铸造 力学性能 摩擦学特性 石墨颗粒 碳化硼颗粒Preparation of(Graphite+B4C)Particle ReinforcedCast ZA227 Zinc2aluminium Composite and Its PropertiesYang Liyan,Luo Chengping,Luo Zhuoxuan,Sui Xiandong(South China University of Technology)AbstractA cast ZA227 zinc2aluminium alloy matrix composit
3、e reinforced by(graphite+B4C)particles has beenprepared and its mechanical properties and tribology feature were also studied.After pretreating,ballmilling and mechanical agitation,the particles were added to molten ZA227 zinc2aluminium alloy and uni2form slurry was abtained,the article reinforced z
4、inc2base composite was made up using squeeze casting.The(graphite,B4C)reinforcements were found unifromly distributed through out the matrix.The zinc2base composite has shorter time reaching steady2wear stage than the ZA227 matrix and the smoothness in2creased in sliding friction,the wear2resistance
5、 of zinc2base composite was increased more markedly thanthat of ZA227 alloy under lubricated conditons,as does the seizure resistance.本世纪70年代加拿大Noranda研究中心研制出ZA227合金,后来又产生了ZA28和原ILZRO12经改进而成为ZA21212,其中以ZA227合金综合力学性能最好。这一系列合金以其优良的力学性能、耐磨及优良铸造工艺性能等一系列优点,在代替普通铸铁、可锻铸铁、某些强度要求较高的铝合金方面,代替锡青锡作耐磨件方面取得显著成效。但它
6、也有一些缺点,如存在耐磨质点少、摩擦系数和线膨胀系数较大,工作温度和工作速度也受到限制,ZA227工作温度不宜超过150,ZA212不宜超过95。用铸造法制备MMC,关键是增强体和基体不润湿,不润湿的主要原因在于增强颗粒表面积大,又吸附了不少气体和其它夹杂物。为此,作者通过球磨、超声波清洗和加热等方法进行预处理,使附着物质脱附,活化增强体表面,以便同基体更好结合。并以ZA-27合金做基体,加入一定量的石墨、碳化硼粒子与之复合,制成铸造复合材料,进一步提高材料的耐磨性和自润滑性,克服前述缺点,扩大其使用范围。一、试验方法及设备11 基体材料基体材料采用ZA227合金,其化学成分(质量分数,%)为
7、2628Al,2Cu,01020103Mg,余量为Zn,另加入少量混合稀土及硼钛中间合金。21 增强材料石墨、碳化硼颗粒过320目筛,粒度小于45m。为了改善增强体颗粒与基体金属液间润湿性,提高增强体表面活性,对增强体颗粒进行了预处理:首先,将1铸造199815石墨装在密封坩埚内,放入箱式电阻炉并加热到600、保温6h后随炉冷却、以去除颗粒表面的油脂、水分、气体和其它污物;其次,将碳化硼粒子放入丙酮里进行超声波清洗,然后在900温度中保温6h;最后,将石墨、碳化硼粒子、合金元素以一定比例混合装入一陶瓷罐中,陶瓷罐内配以一定数量的球石,将此陶瓷罐置于球磨机上球磨24h,以进行高能量干式球磨、生产
8、出具有细小结构的陶瓷粉末,进一步提高增强体表面活性。在增强体颗粒加入金属液之前,再加热到300 并保温2h。31 复合浆料制备基体合金在一小型电阻炉中熔化,精炼并扒渣后,将试样所需要的合金液量倒入保持一定温度的机械搅拌炉中,开动搅拌装置使桨叶以1200r/min转速进行搅拌,待金属液面形成一定深度且平稳的倒锥形漩涡之后,再将石墨、碳化硼颗粒以一定速率自漩涡中心徐徐加入。加完之后,继续搅拌10分钟左右以使颗粒分布均匀。上述过程,金属液面始终在氮气保护下,氮气既起精炼作用又可防止合金液进一步氧化。温度的影响很大,为此要确定两个温度,即开始搅拌温度和浇注温度。本试验采用全液态熔铸法,开始搅拌温度为6
9、80700,浇注温度为600650。41 挤压铸造将制备好的复合材料浆料倒入预热温度为200左右的型腔内,启动液压机,以70100MPa比压挤压成形,并保压1分钟,制成所需的复合材料试块。型腔用涂料为10%石墨+90%30#机油或硅油涂料。51 试验用设备挤压设备为YB32200四柱200吨万能液压机;抗拉强度用WE230型液压万能材料试验机测定,用HB2300型硬度计测定硬度;摩擦磨损试验在MM2200型磨损机上进行,试样压在转动的偶件(材料为GCr15)上面,以磨痕宽度代表磨损量;用OL YMPUS金相显微镜及S2550型扫描电镜进行显微组织分析。在该锌基复合材料中,增强颗粒含量(质量分数
10、)为:0175%碳化硼,115%石墨。二、试验结果11 显微组织分析图1所示为锌基复合材料的显微组织。由图1可见,石墨、碳化硼颗粒分布比较均匀,无团聚现象,呈现宏观均匀性;黑色团絮状物为石墨粒子,在团状里面分布着碳化硼粒子(为细小白亮块),呈现出显微不均匀性。可见,由于球磨作用,碳化硼颗粒已与石墨团聚在一起。碳化硼颗粒很小,仅有几微米。复合材料的基体组织由初生富铝相、富锌共晶体和富铜(CuZn3)所组成,相呈枝晶形态,有比较严重的晶内偏析,铝含量由内向外递减,颜色由浅变深;相枝晶间及晶界上的黑色网状部分为共晶体,在放大倍数足够大时,可看到共晶体里面白亮点 相。(a)未腐蚀(b)腐蚀图1 锌基复
11、合材料的显微组织 200Fig.1Microstructures of zinc2aluminium alloy matrix composite 图2为锌基复合材料冲击断口形貌。由图可清析看到,颗粒均匀分布,无团聚现象,颗粒周围界面结合紧密,颗粒大小达25m。可看到颗粒从基体中拔出或破裂,断裂优先发生在较大颗粒处,因为较大颗粒界面处有较大的应力集中和缺陷。21 锌基复合材料的力学性能表1为复合材料与基体合金的几项力学性能测定值,为 了 比 较,表 中 还 列 出 了 铸 造 锡 青 铜ZQSn6Zn6Pb3表1 锌基复合材料与其基体合金常规力学性能比较Table 1Comparison of
12、 conventional mechanical propertiesbetween the composite and matrix合 金力 学 性 能b/MPa(%)HBZA227合金410815116锌基复合材料386016121ZQSn6Zn6Pb3(砂型)18081065ZQSn6Zn6Pb3(金属型)2001010652铸造199815图2 复合材料冲击断口形貌 400Fig.2Impact fracture surfaceof the composite性 能 标 准3。锌基复合材料与其基体合金相比,抗拉强度有所下降,硬度稍高一些,伸长率则大幅度下降。尽管如此,锌基复合材料的抗拉
13、强度仍比ZQSn6Zn6Pb3高得多。31 摩擦磨损性能(1)跑合特性 图3为锌基复合材料的跑合特性曲线。试验条件为:转速400r/min,负荷98N,20#机油连续润滑(以下除注明者外,均为在该条件下进行磨损)。由图3可见,ZA227合金在滑动摩擦7分钟后进入稳定磨损阶段,在跑合期的磨损率(以试样磨痕宽度衡量)是随时间的加长而急剧增大;加入石墨、碳化硼颗粒的复合材料,进入稳定磨损阶段所需时间为3分钟左右。在稳定磨损阶段,复合材料磨损曲线斜率比ZA227合金小得多,说明前者的磨损率随时间增大的程度比ZA227合金低得多。图3 锌基复合材料跑合特性曲线Fig.3The start up curv
14、e of the zine2aluminiumalloy matrix composite(2)耐磨性能 以相同时间内磨痕宽度来衡量磨损量,以磨损量倒数为耐磨性指标,以Wr表示。将复合材料与基体的Wr之比作为相对耐磨性4。材料在润滑条件下摩擦30min后耐磨性比较结果见图4。由图可见,该复合材料较基体的磨损量减少,耐磨性约提高1倍。(3)减摩性能 把材料的摩擦系数?u的倒数作为减摩性能指标Fj,复合材料与ZA227的Fj之比作为相对减摩性。?u为进入稳定磨损阶段后1020min内的平均摩擦系数,图4和表2为两种材料的减摩性及相对减摩性比较。由此可见,该复合材料的减摩性有所提高,比ZQSn6Zn
15、6Pb3更好。这主要是由于石墨的自润滑性在起作用,但碳化硼颗粒不是减摩剂,故减摩性提高不多。umax、umin分别为1020min内摩擦系数的最大、最小值,u为1020min内摩擦系数的波动幅度。?u=1/6 u,umax=|?umax-?u|,umin=|umin-?u|,u=umax+umin。图4 复合材料与基体的摩擦特性比较Fig.4Comparison of relative tribologial properties betweenthe composite and the matrix alloy ZA227 ZA227合金 锌基复合材料表2 材料的减摩性及摩擦过程平稳性比较T
16、able 2Comparison between antifriction andsmoothness of materials材料?uu减摩性平稳性相对减摩性相对平稳性ZA227合金01023 01008 431478 1251000 1100011000锌基复合材料01018 01002 551555 5001000 1127841000ZQSn6Zn6Pb30102737103701852(4)滑动过程中平稳性 摩擦系数随滑动过程的变化反映出材料在滑动摩擦过程中的平稳性,把摩擦系数波动幅度u的倒数表征摩擦过程的平稳性,将复合材料与基体平稳性之比表示材料的相对平稳性,试验结果见图4和表2。
17、由图4和表2可见,该复合材料摩擦系数的波动幅度比基体小得多。(5)抗咬合性能 把在无润滑条件下摩擦10min时的摩擦系数的倒数作为抗咬合性能指标,将复合材料与基体抗咬合性之比表征为相对抗咬合性,两种材料的抗咬合性比较结果如图4和表3所示。由此看出,复合材料的抗咬合性能比基体材料(ZA227)提高6倍多。复合材料在试验过程中很平稳,而ZA227在无润滑条件下磨损时,噪声较大。表3 抗咬合性比较Table 3Comparison of seizure resistance材 料u无抗咬合性相对抗咬合性ZA227合金015621177911000锌基复合材料0107513133371495(6)磨损
18、表面形貌 图5为基体合金ZA227与复合材料的磨损表面形貌。由图5a可见,基体磨面不光滑,犁沟宽且很深;由图5b可见,该磨面比较光滑、均匀,没有粘着磨损特征,表现为磨粒磨损,高硬度磨粒和柔软的石墨使磨损大大减少,即使一些粒子脱落形成的凹坑,也可储存润滑油,使润滑条件改善;由图5c可见,无润滑条件下的磨面不够光滑,有粘着磨损痕迹,犁沟较深且宽。由此看出,在润滑条件下,复合材料的磨损表面较基体合金要大大改善。3铸造199815(a)ZA227(润滑)(b)复合材料(润滑)(c)复合材料(无润滑)图5 基体合金及复合材料的磨损形貌 200Fig.5The wearing surface of the
19、 matrix and composites 三、讨论由于长时间球磨作用,碳化硼颗粒与石墨有团聚现象,这主要是由于球石的冲撞、压轧,使金属颗粒和陶瓷颗粒反复变形、粉碎和“粘合”而均匀化的结果。球磨过的复合增强体可起到如下有利作用:增强体较严重地变形,增加了粒子表面积与体积之比,并使吸收有杂质的表面膜裂开,有利于增强体与基体润湿性的提高;较严重地冷变形使复合体有较高硬度;小团块内石墨和碳化硼颗粒紧密结合,使增强效果得到提高;小团块的密度大于石墨,在一定程度上可防止石墨上浮;小团块内的碳化硼颗粒比球磨前小得多,可以提高增强效果。但小团块对基体有一定地割裂作用,当做拉伸或冲击试验时,优先在较大团块处
20、断裂,对拉伸强度和冲击值有不利影响。该锌基复合材料具有优良的摩擦学特性,这当然与基体合金密切相关。因为该合金所含元素多为B族元素,如Zn、Al、Mg等,与钢铁互溶性差,不易产生粘着磨损。同时,适量的铜使锌铝合金产生固溶强化,稀土和钛都可以细化晶粒,使树枝晶向细团状晶过渡,从而提高硬度和耐磨性。ZA227合金由初生富铝相、富锌共晶体和富铜相(CuZn3)所组成,其中、均为软相,为硬相,在磨损时软相部分下凹,可以储存润滑油,形成连续润滑膜,改善润滑条件,而硬相部分起支撑作用,使摩擦副实际接触面积减小,从而减少了摩擦。石墨颗粒是一种性能优异的固体润滑剂,是减摩剂,具有自润滑性和亲油性,因此,当由于压
21、力作用使基体发生一定塑性变形时,摩擦面上的石墨则被碾压而形成一层均匀、连续、牢固的润滑膜,从而不易产生粘着磨损,使摩擦系数降低,磨损减少。碳化硼颗粒的加入,客观上使基体上的硬质颗粒大大增多,这些硬质颗粒将滑动面托起,减小了摩擦副实际接触面积,从而使耐磨性大有提高。当一些硬质颗粒脱落而形成凹坑时,也能储存润滑油,形成连续润滑膜,改善润滑条件。通过增强体的多元复合,可以较好地提高复合材料的摩擦学特性。因为它既利用了石墨的自润滑性,又利用了碳化硼粒子的高硬度,在摩擦学性能提高的同时,也较好的保持了复合材料的力学性能。四、结论(1)采取颗粒的预处理、复合增强体球磨和机械搅拌等技术,可以制得颗粒分布比较
22、均匀的复合浆料;全液态挤压铸造法是一种制造粒子增强锌基复合材料的较好方法。(2)加入石墨、碳化硼粒子后,复合材料的抗拉强度有所降低,硬度有所提高,伸长率下降较大,但其抗拉强度仍比ZQSn6Zn6Pb3高得多。(3)该复合材料表现出优良的摩擦学特性,其耐磨性、抗咬合性均较基体合金有较大提高,减摩性有所提高;复合材料进入稳定磨损阶段所需时间缩短,滑动过程平稳性提高。(4)增强体多元复合可以利用彼此优点,克服缺点,是一种值得探讨的新途径。参 考 文 献1J.A.Meersman.Opportunities for Foundries in Agricuture Today.Modern Castin
23、g.1979,69(8):56582R.J.Barnhurst.Gravity Casting of Zinc2aluminium Alloys2Solidifica2tion Behavior of ZA28,ZA212 and ZA227.AFS Transactions,1983,91:5695843铸造有色合金及其熔炼联合编写组.铸造有色合金及其熔炼.北京:国防工业出版社,1980:2644Sui Xiandong et al.The Fabrication and Properties of Particle Rein2forced Cast Metal Matrix Composite.J.Mater.Process Tech.,1997,63:426431(编辑:郭桂林)4铸造199815