[發明專利]含高體積分數硅的耐磨鋅鋁合金半固態共凝法

無效

• 申請號: 01113091.1
• 申請日: 2001-06-07
• 公開（公告）號: CN1328167A
• 公開（公告）日: 2001-12-26
• 發明（設計）人: 施忠良;顧明元;金燕蘋;張潔;劉俊友
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C30/06
• 分類號: C22C30/06;C22C1/00
• 代理公司: 上海交通大學專利事務所
• 代理人: 毛翠瑩

本發明涉及一種含高體積分數硅的耐磨鋅鋁合金半固態共凝法，是一種通過半固態過程混合的非平衡凝固過程控制，制備含高體積分數硅(5～30vol％)的ZA27(Zn-27wt％Al)耐磨合金的方法，屬于冶金類的合金技術領域。

鋁硅合金和鋅鋁合金均具有廣泛的工業應用，通常情況下，鋁硅合金由于硅的加入，使得合金的力學性能，如強度、剛度(彈性模量)等大大的改善，故常用的鑄造鋁硅合金如A356，A357和A359等大量用于汽車零件上，并具有良好的耐磨性。鋅鋁合金如ZA5、ZA8、ZA12和ZA27可作為結構件，并具有良好的減摩耐磨性。如果在鋅鋁合金中形成大量彌散的硅相，將大大提高鋅鋁合金的耐磨性，特別是改善其在干摩擦等環境惡劣條件下的耐磨特性。雖然低硅含量的ZA27合金的磨損性能已有一定的研究，并指出硅的添加，將大大改善ZA27合金的耐磨性，如Wear?in?Zn-Al-Si?alloys(Wear，165，1993，51-56)及WEAR?RESISTANCE?AND?MICROSTRUCTURE?OF?Zn-Al-Si?ANDZn-Al-CuALLOYS(Wear，117，1987，79-89)所述。但這些研究僅僅是將硅作為合金元素通過常規的鑄造方法制得，在制備工藝方面沒有創新。周彼德等在“鋅基-結晶硅、陶瓷粒子復合材料的組織與性能”(《復合材料學報》1992年4月第2期)中通過流變鑄造工藝制備鋅基一結晶硅復合材料，并研究了它的性能。其加入硅的方式是結晶硅粒子，通過流變鑄造方法加入。但硅粒子加入比較困難且復雜，硅的分布均勻性差，所獲得材料的力學性能比較低。

本發明的目的在于針對現有技術的上述不足，提出一種新的含高體積分數硅的耐磨鋅鋁合金半固態共凝法，通過簡單的熔體在半固態時混合共凝法，制備含微米級高體積分數(5～30vol％)硅的耐磨ZA27合金，且硅相在鋅鋁合金中均勻分布，進一步提高材質的耐磨性能。

為實現這樣的目的，本發明提出了一種不同于常規鑄造熔煉的工藝方法，通過合金成分設計，將兩種原材料半固態共凝，即通過將兩種合金在半固態狀態下的混合攪拌，利用流動過程來實現硅相破碎成粒狀并均勻分布，獲得具有很好耐磨性的微米尺度均勻分布的硅相復合的ZA27合金。

本發明的內容主要在于通過低鋁的鋅鋁合金(熔點較低)或純鋅熔體與處于半固態下的過共晶鋁硅合金熔體混合，其中過共晶Al-Si合金輔以磷變質處理或/和機械攪拌，這樣在合金的組織中實現了硅相的破碎和均勻分布。微米級高體積分數硅相在鋅鋁合金中的均勻分布，在沒有大的犧牲力學性能的情況下，大大改善了鋅鋁合金的耐磨性能。

本發明含高體積分數硅(5～30vol％)的耐磨ZA27合金的半固態共凝制備方法主要包括：

第一步：根據所要求含硅體積分數(5～30vol％)，選擇過共晶Al-Si合金的成分Al-(20～40wt％)Si，鋅或鋅合金Zn-(0～8wt％)Al。

第二步：分別在兩個電阻爐內熔煉這兩種合金。其中過共晶鋁硅合金熔煉溫度選擇在580～680℃，一般在620℃左右，此時處于液固兩相的半固態狀態，而另一成分的鋅合金加熱到熔化狀態，根據相應的成分決定其熔化溫度。

如果通過機械攪拌的方式來實現硅相的破碎，則對半固態的過共晶鋁硅合金進行機械破碎，攪拌速度為300～800rpm，攪拌時間40～60秒。

如果通過磷變質來細化過共晶鋁硅合金的初生硅相，則過共晶鋁硅合金需加熱到其熔化狀態，這應根據過共晶Al-Si合金中硅的含量和相應的液相線溫度來確定加熱的溫度。

第三步：將熔化的鋅合金液倒入準備好的溫度為580～680℃的半固態過共晶鋁硅合金中，適當攪拌，使其成分均勻化，然后倒入預熱的模具中進行壓力鑄造成型。

采用本發明方法制得的尺度為10～50μm的硅均勻分布在ZA27組織中，其具體工藝參數的選擇，如過共晶鋁硅合金加熱至半固態區域的溫度在580～680℃之間的選擇取決于對制備效率的要求，若要提高生產效率，半固態區域的溫度可以偏上線，這樣機械攪拌的時間可以適當縮短。

本發明的效果在于彌散的微米級高體積分數硅相在鋅鋁合金中均勻分布。

本發明主要特征在于利用半固態共凝法來實現含高體積分數硅復合的耐磨Zn-27Al合金。

圖1、圖2為ZA27-16vol％Si的掃描電鏡觀察的組織。

其中，圖1為常規鑄造組織，圖2為本發明半固態共凝后的組織。