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1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第24卷 第7期Journal of South China U niversity of TechnologyVol.24 No.71 9 9 6年7月(N atural Science)July1 9 9 6陶瓷粒子增强的锌铝基复合材料的摩擦学特性隋贤栋罗承萍骆灼旋(华南理工大学机械工程二系)摘要以陶瓷颗粒碳化硅、氮化硅、三氧化二铝为增强体,锌铝合金ZA227为基体
2、,通过对陶瓷颗粒进行预处理、机械搅拌和合金化等技术,将陶瓷颗粒与熔融状态的锌铝合金复合成均匀的浆料,用挤压铸造法挤压成型,得到陶瓷颗粒锌铝合金复合材料铸件。在金属基体上,均匀分布着陶瓷颗粒。在有润滑和无润滑的情况下,复合材料的耐磨减摩性能均比ZA227有较大幅度提高。关键词铸造;锌铝合金;陶瓷颗粒;复合材料;摩擦学特性中图资料分类号TH 14212新型锌铝合金是60年代初由国际铅锌研究组织(I L ZRO)开发出来的1,2,70年代末由加拿大Noranda研究中心开发出了性能优良的ZA227合金3。与传统的锌合金相比,这类合金的强度和摩擦学特性有大幅度的提高。但锌基合金存在着耐磨质点少、热膨胀
3、系数及摩擦系数较大等不足,在工作温度和工作速度方面存在一定的局限性。为进一步提高该类合金的摩擦学特性,扩大其使用范围,我们以锌铝合金ZA227为基体,采用对陶瓷颗粒进行预处理、机械搅拌和合金化等技术,使陶瓷颗粒与熔融状态的锌铝合金复合成均匀的浆料,在100 M Pa左右的比压下挤压成型,得到陶瓷颗粒锌铝合金复合材料铸件。在金属基体上,比较均匀地分布着陶瓷颗粒。1实验方法111基体和增强材料基体材料采用ZA227合金,其化学成分(质量分数)为:A l 0.260.28,Cu 0.020.03,M g 210-4310-4,其余为Zn。选取了高硬度、高耐磨性、高熔点的碳化硅、氮化硅、三氧化二铝几种
4、陶瓷颗粒作为增强材料。几种陶瓷颗粒的性能如表1所示。增强材料均过320目筛,粒度小于45m。表1几种陶瓷颗粒(碳化硅、氮化硅、三氧化二铝)的物理性能4Table 1The physical properties of the ceram ic particles(SiC,Si3N4,A l2O3)颗粒种类颗粒的物理性能硬度?kgmm-2密度?gcm-3熔点t?弹性模量E?GPaSiC2 7003.172 3002 500414Si3N42 2003.191 7501 900304A l2O32 0003.473.952 050380来稿日期:1995201213隋贤栋,男,1961年生,副教授
5、,在读博士;主要研究方向:系列离心铸管机和金属基复合材料。华南理工大学机械工程二系,邮编:510641 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/为了改善增强体与基体金属液之间的润湿性,提高增强体的表面活性,我们对增强体颗粒进行预处理。将陶瓷颗粒装在密封坩埚内,放入箱式电阻炉,加热到900,保温6h随炉冷却,去除颗粒外表吸附的油脂、水分、气体和其它污物及陶瓷颗粒内的结晶水。112复合材料的制备锌铝基复合材料首先要进行复合浆料的制备。复合浆料的制备是通过气流将陶瓷颗
6、粒雾化并附以强力搅拌将增强体颗粒引入合金液进行的。基体合金在一小型电炉中熔化,精炼和扒渣之后,按照试样要求的量倒入保持一定温度的机械搅拌炉中进行搅拌,待金属液面形成稳定的旋涡后,将预热过的陶瓷颗粒由氮气雾化后经陶瓷管送入合金液内,增强体颗粒被金属液吸收,氮气则起精炼作用,并从金属液体表面逸出聚集在金属液表面,防止了金属液进一步氧化。增强体颗粒加完后,继续搅拌一段时间以使增强体颗粒在合金液中弥散分布。温度的影响很大,要确定两个温度参数,即开始搅拌温度和浇注温度。开始搅拌温度一般选定为液相线温度以上50100。在搅拌下加入增强颗粒的过程中,复合浆料的温度下降。当降到液相线以下处于半固态时,复合浆料
7、的制备就算完成了。将制备好的复合浆料立即浇注在预热过的模具型腔内,以100 M Pa的压力挤压成型,这样就制成了所需的复合材料。1.3实验装置复合浆料采用YB232四柱万能液压机挤压铸造成形。抗拉强度测定采用W E231型液压式万能材料试验机。摩擦磨损试验采用MM2200型磨损试验机。显微组织和磨痕表面形貌观察采用S2550扫描电镜。2实验结果及分析211增强体颗粒在基体中的分布情况ZA227合金的铸态组织是由初生富铝 相、富锌共晶体和富铜的 相(CuZn3)组成。图1,图2是添加颗粒在基体中的分布情况。由图可以看出,通过对陶瓷颗粒进行预处理、机械搅拌和合金化等技术后,可得到陶瓷颗粒分布比较均
8、匀的锌铝合金复合材料铸件。图1SiC在基体中的分布(100)图2A l2O3在基体中的分布(200)Fig.1The distribution of theSiC particles in the matrixFig.2The distribution of theA l2O3particles in the matrix212复合材料的机械性能81华 南 理 工 大 学 学 报第24卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/加入约0105(质量分数,下同)陶
9、瓷颗粒(碳化硅、氮化硅或三氧化二铝)的几种锌铝基合金复合材料,对常规机械性能的影响不是很大。抗拉强度都保持在350 M Pa左右,和基体合金ZA227差不多。不同陶瓷颗粒增强的锌铝基复合材料的性能如表2所示。213摩擦磨损性能21311跑合特性图3是添加不同颗粒锌铝基复合材料的跑合特性曲线。陶瓷颗粒的加入量均为0105左右表2添加不同陶瓷颗粒的锌铝基复合材料的性能Table 2The properties of Zn2A lmatrix compositesreinforced by different ceram ic particles添加颗粒复 合 材 料 性 能抗拉强度?M Pa硬度H
10、B密度?gcm-3基体(ZA227)4101165101SiC3451204.89Si3N43611234.84A l2O33471164.68(下同)。试验条件为:转速400r?m in,载荷147N,20#机油连续润滑。由图可以看出,几种复合材料都很快进入稳定磨损阶段,但ZA227进入稳定磨损的时间最长;在稳定磨损阶段,ZA227合金的磨损曲线斜率比任何一种复合材料的都大,表明它的磨损率(以试样磨痕宽度衡量)随时间的增长程度比复合材料的高。表3是几种材料在润滑和无润滑条件下的摩擦系数测定值。其中 是润滑条件下进入稳定磨损阶段510m in内的平均摩擦系数,1是无润滑条件下510m in内的
11、平均摩擦系数。图3添加不同陶瓷颗粒增强复合材料的跑合特性曲线Fig.3The start up curve of the composites reinforcedby different ceram ic particles表3几种材料在润滑和无润滑条件下的摩擦系数Table 3 The friction coefficient ofthe materials under lubricatedand unlubricated conditions材料摩擦系数1基体(ZA227)0.0650.588添加SiC0.0350.616添加Si3N40.0450.621添加A l2O30.0430.3
12、6721312减摩性能把几种材料之摩擦系数的倒数作为减摩性能指标Fj,再将它们的Fj与ZA227合金的Fj之比作为相对减摩性。从图4中几种材料的相对减摩性的比较,可见几种颗粒增强的复合材料其减摩性都比ZA227合金的好。21313耐磨性能一般用磨损率WS的倒数表示耐磨性m,磨损率WS为单位行程的体积磨损。图5是几种材料在20#机油润滑条件下滑动摩擦1178km后的耐磨性比较。图6是几种材料在无润滑条件下滑动摩擦593m后的耐磨性比较。21314抗咬合性能取几种材料在无润滑条件下510m in内的平均摩擦系数的倒数作为抗咬合性能指标,91第7期隋贤栋等:陶瓷粒子增强的锌铝基复合材料的摩擦学特性
13、1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 图4几种材料相对减摩性的比较图5几种材料的耐磨性比较(有润滑)Fig.4The antifriction comparaisonof the compositesFig.5The anti wear comparaison ofthe composites(lubricated)图6几种材料耐磨性比较(无润滑)图7几种材料抗咬合性能比较Fig.6The anti wear comparaisonof the compos
14、ites(unlubricated)Fig.7The seizure resistance comparaisonof the composites图7是它们的相对抗咬合性比较。可以看出,陶瓷颗粒-锌铝合金复合材料的抗咬合性能和基体材料差不多。图8ZA227合金磨损表面的SEM照片Fig.8The SEM photo1of thewearing surface of ZA227 alloy加入陶瓷颗粒后的复合材料在摩擦过程中进入稳定磨损阶段的时间大大缩短。在有润滑的情况下,摩擦系数显著下降;在无润滑的情况下,摩擦系数和基体合金的差不多,滑动过程平稳性为基体合金的2倍以上。减摩性约为基体合金的1
15、15倍;耐磨性提高比较多。在有润滑的情况下,几种陶瓷颗粒增强的复合材料的耐磨性比基体合金提高约14倍,在无润滑条件下,提高1215倍。这几种材料的相对抗咬合性和基体合金差不多。添加陶瓷颗粒的锌铝基复合材料具有优良的摩擦学特性是与基体合金的贡献分不开的。该合金与钢铁的互溶性差,因而不容易产生粘着磨损。ZA227合金的显微组织由多相组成,其中有,软相和 硬相。工作时软的组成部分被磨损下凹,可存储润滑油,并形成连续的油膜,改善了润滑条件。硬的组成部分则将滑动面托起,减小了摩擦副的实际接触面积,减轻了摩擦。ZA227合金的显微组织主要由和 软相组成,硬质点 相较少。它在润滑条件下具有良好的摩擦学特性,
16、而在干磨条件下抗磨性能较差5。当高硬度的SiC,Si3N4和A l2O3等陶瓷颗粒加入到ZA227合金中后,使合金中硬质点粒子数大大增加,从而使得复合材料的耐磨性提高6。图8是ZA227合金磨损表面的SEM照片,图9,图10是两种陶瓷颗粒增强的复合材料02华 南 理 工 大 学 学 报第24卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/在干磨条件下的磨损表面形貌。由图可以看出,陶瓷颗粒起到了骨架和支撑作用,从而保护了基体、提高了耐磨性。图9加SiC的复合材料磨损表
17、面的SEM照片图10加A l2O3的复合材料磨损表面的SEM照片Fig.9The SEM photo.of the wearing surface ofthe composites reinforced by SiC particlesFig.10The SEM photo.of wearing surface ofthe composites reinforced by A l2O3particles3结论(1)采用陶瓷颗粒的预处理、气流送料及机械搅拌工艺,可制得颗粒分布比较均匀的复合浆料。半固态挤压铸造可有效地避免增强体颗粒的上浮,是颗粒增强锌铝基复合材料成形的较好方法;(2)向ZA227
18、合金中加入SiC,Si3N4和A l2O3粒子后,材料的抗拉强度、密度均有不同程度的降低。加入陶瓷颗粒后,材料的硬度有不同程度的提高;(3)向ZA227合金中加入SiC,Si3N4和A l2O3粒子后,表现出优良的摩擦学特性。材料的耐磨减摩性能有显著的提高,复合材料进入稳定磨损所需时间缩短,滑动过程的平稳性提高。这充分说明,陶瓷颗粒-锌铝基复合材料具有优良的摩擦学特性,作为新型的耐磨、减摩材料展现出非常光明的前景。参考文献1Apelian D,PaliwalM,Herrschaft D C.Casting w ith zinc alloys.Journal ofM etals,1981,33(
19、11):12192Gervais E,Barnhurst R J,BessM.The development of a fam ily of zinc2base foundry alloys.TransA F S,1980,88:1831943Gervais E,Barnhurst R J,Loong C A.An analysis of selected properties of ZA alloys.Journal ofM etals,1985,37(11):43474戴维W里彻辛著,徐秀芳等译 1 现代陶瓷工程性能工艺设计 1 北京:中国建筑工业出版社,1992.331285Blain
20、J,M asounave J.A study of the dry abrasion properties of zinc2alum inium matrix;Fe,A l,A l2O3particlescom2posites.In:MostaghaciH,eds.Processing of Ceram ic andM etalM atrix Composites,Halifax,1990.4644736Guerriero R,Parse J B,Tangerini I.M etalmatrix composites utilizing Zn2A l alloys.In:Internation
21、al Symposium on Zinc2A lum inum Casting A lloys,Toronto,Proc.ICM,1986.22924612第7期隋贤栋等:陶瓷粒子增强的锌铝基复合材料的摩擦学特性 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/THE TR I BOLOGICAL PROPERT IES OF ZI NC2ALUM I N I UMMA TR IX COM POSITE RE I N FORCEDBY CERAM IC PART ICL
22、 ESS ui X iandongL uo Chenp ingL uo Zhuox uan(Dept.ofM echanical Engineering(),South China U niv.of Tech.)AbstractThe ceram ic particles including SiC、Si3N4、A l2O3are used as reinforcing materi2als,and zinc2alum inum alloy ZA227 is used to be matrix;the zinc base alloy is compoundedw ith those ceram
23、 ic particles into homogeneous slurry under themelting state bymeans of thepretreatment of particales,mechanical stirring and alloy technique,and then the slurry issqeezed under high pressure to take shape to obtain the composite cast.Ceram ic particles arewell2distributed in themetalmatrix.U nder both lubricated and unlubricated condititons,theproperties of composite in antifriction and antiwear have been advanced more greatly thanZA227.Key wordscasting;Zn2A l alloys;ceram ic particles;composite materials;tribologicalproperties22华 南 理 工 大 学 学 报第24卷