楊宏++胡保珠++王圓

摘 要：文章分析了鋅鋁合金的性能優(yōu)勢(shì)及存在的性能不足，分析了Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料的基本相及顯微組織的組成特點(diǎn)，論述了Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料的變質(zhì)工藝對(duì)Mg2Si顆粒尺寸大小、分布，形狀的影響規(guī)律，以及Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料的新應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Mg2Si顆粒；ZA40基復(fù)合材料；變質(zhì)工藝

1 鋅鋁合金的性能特點(diǎn)

為了改善金屬鋅的力學(xué)性能、工藝性能、物理性能和化學(xué)性能，人們研制了高鋁鋅合金。由于高鋁鋅合金具有良好的室溫力學(xué)性能、優(yōu)異的摩擦磨損性能、生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境污染小、消耗能量低、制造成本低廉、具有良好的鑄造性能，表現(xiàn)出良好的軸承性和耐磨性。所以在冶金工業(yè)、機(jī)械工業(yè)的設(shè)備中逐漸的取代銅合金及一部分巴氏合金，制造軸套、軸瓦、軸承等耐磨零件，起到以鋁代銅的作用。因此，材料研究工作者很重視鋅合金及其復(fù)合材料研究與應(yīng)用。近幾年，人們?cè)阡\鋁合金中不斷的提高鋁的含量，其中鋁含量為40wt%的高鋁鋅合金ZA40受到了材料工作者的關(guān)注[1]。但是鋅鋁合金的耐熱性較差，高溫抗拉強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度低，限制了鋅鋁合金使用范圍、使用壽命以及可靠性。材料工作者合理利用陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高模量、高強(qiáng)度的陶性能特點(diǎn)，通過(guò)一定的復(fù)合工藝，制備顆粒增強(qiáng)鋅鋁合金基復(fù)合材料，從而改善材料的高溫性能[2]。在鋅鋁合金基復(fù)合材料中，采用Mg2Si作為增強(qiáng)顆粒，具有一定的優(yōu)勢(shì)。在鋅鋁合金中加入Mg2Si后可降低材料的熱膨脹系數(shù)，提高材料的尺寸穩(wěn)定性。Mg2Si作為增強(qiáng)顆粒，它能夠在基體中原位生成，Mg2Si顆粒與鋅鋁合金基體間的界面無(wú)雜質(zhì)，顆粒與基體合金兩者之間有著理想的原位匹配，能夠顯著改善材料中兩相界面的結(jié)合狀況，保證Mg2Si與鋅鋁合金基體具有良好的物理相容性和化學(xué)相容性，有利于減少?gòu)?fù)合材料的力學(xué)損傷，提高復(fù)合材料的使用性能。所以，Mg2Si是一種高效復(fù)合材料增強(qiáng)體，Mg2Si作為增強(qiáng)顆粒制備鋅鋁合金（ZA40）基復(fù)合材料是鋅合金基復(fù)合材料發(fā)展的一個(gè)方向。

2 Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料的基本相

Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料通常采用原位自生方法制備，由于ZA40基體合金中Al的含量在40%，當(dāng)用Mg和Si對(duì)ZA40基體合金進(jìn)行合金化后，Al和Zn形成Al——Zn二元合金相圖，Al和Si形成Al——Si二元合金相圖，Mg和Si形成Mg——Si二元合金相圖。根據(jù)Al——Zn二元合金相圖，鋁和鋅在固態(tài)下為有限互溶，共晶溫度為381℃時(shí)，在鋅元素在鋁中最大可溶解1.14wt%，在鋁元素在鋅中可形成較大的溶解度。發(fā)生共晶反應(yīng)后形成富鋅的η相和β相組成的共晶體，η相是密排六方結(jié)構(gòu)。在277℃時(shí)，β相發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成富Al的α相和富Zn的β相組成的共析體，共析體中α相是面心立方結(jié)構(gòu)，β相是密排六方結(jié)構(gòu)。根據(jù)Al——Si二元合金相圖，在共晶溫度下，硅在鋁中固態(tài)下為有限溶解，形成具有面心立方結(jié)構(gòu)的α固溶體，溶解度非常小；鋁在硅中不溶解，沒(méi)有固溶度，共晶反應(yīng)溫度為577℃，共晶點(diǎn)成分為含硅12.6wt%，Al和Si不會(huì)形成化合物。根據(jù)Mg——Si二元相圖，Mg——Si二元體系中能形成穩(wěn)定的金屬間化合物Mg2Si，Mg2Si的化學(xué)當(dāng)量組成為63.3wt%Mg——36.7wt%Si，Mg2Si具有反螢石晶體的結(jié)構(gòu)，Mg2Si具有面心立方晶格，晶格常數(shù)為a=6.338A。由于Mg2Si是穩(wěn)定的金屬間化合物，所以Mg2Si將Mg——Si二元相圖分成兩個(gè)二元共晶相圖，Mg——Mg2S二元相圖和Mg2S——Si二元相圖，Mg和Mg2Si在固態(tài)下不形成固溶體，室溫下相組成物是Mg和Mg2Si；Mg2S和Si在固態(tài)下也不形成固溶體，室溫下相組成物是Mg2S和Si。金屬間化合物Mg2Si是穩(wěn)定的化合物，熔點(diǎn)高，密度低，硬度高，彈性模量高，是理想的金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。同時(shí)，用Mg和Si對(duì)ZA40基體合金進(jìn)行合金化后，也會(huì)發(fā)生不同的四相平衡三元共晶反應(yīng)，形成三元共晶體組織，所以Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料的相組成較豐富，組織也較復(fù)雜。

3 Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料的變質(zhì)工藝

Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料的制備，原材料一般選用工業(yè)純鋅，工業(yè)純鎂，選用工業(yè)純鋁和Al-30wt%Si中間合金。精煉劑通常選用六氯乙烷，變質(zhì)劑通常選用金屬Sb。為了獲得尺寸大小合適、分布均勻，形狀規(guī)格的Mg2Si顆粒，合適的變質(zhì)工藝非常重要。例如，變質(zhì)劑加入量，變質(zhì)溫度，變質(zhì)時(shí)間，澆注溫度、冷卻速度等工藝參數(shù)。因?yàn)?，在制備的Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料中，變質(zhì)工藝不同，可以出現(xiàn)各種形狀的Mg2Si顆粒，如有的是三角形，有的是四變形，有的是五邊形和六邊形，含有的是花瓣形狀。研究表明，當(dāng)復(fù)合材料變質(zhì)溫度選780℃時(shí)，未加入變質(zhì)劑Sb時(shí)，復(fù)合材料組織中由Mg2Si呈中國(guó)漢字狀形態(tài)。當(dāng)加入0.4%的變質(zhì)劑Sb后，復(fù)合材料的顯微組織中Mg2Si發(fā)生了明顯的改變，漢字狀的Mg2Si變成了顆粒狀，基體的組織也發(fā)生明顯的細(xì)化。當(dāng)變質(zhì)劑Sb的含量為0.8%時(shí)，復(fù)合材料組織進(jìn)一步發(fā)生細(xì)化，顆粒狀的Mg2Si將更加細(xì)小、均勻。當(dāng)進(jìn)一步加大變質(zhì)劑Sb的含量到1.2%時(shí)，復(fù)合材料中Mg2Si又開(kāi)始變粗大，但是比未變質(zhì)時(shí)的要細(xì)小，而且基體組織也變粗大。

4 Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料的新應(yīng)用

Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料由于分布有尺寸大小合適、分布均勻，形狀規(guī)格的Mg2Si顆粒，Mg2Si在ZA40基體中原位生成，Mg2Si顆粒與ZA40基體間的界面無(wú)雜質(zhì)，保證Mg2Si與鋅鋁合金基體具有良好的物理相容性和化學(xué)相容性。所以，該復(fù)合材料能夠克服鋅合金耐高溫性能差，熱膨脹系數(shù)大等弱點(diǎn)，在機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)、航空工業(yè)等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。在模具工業(yè)中作為冷沖壓模具的材料，具有制模工藝簡(jiǎn)單、模具成本低、生產(chǎn)模具周期短、復(fù)合材料綜合力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，適合當(dāng)今模具對(duì)模具品種多、生產(chǎn)周期短的需求，可用于壓制模、吹塑模、注塑模、發(fā)泡模等。在航空工業(yè)中利用Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料具有熱膨脹系數(shù)低、比強(qiáng)度高、密度低、導(dǎo)熱性良好的特點(diǎn)，制造飛機(jī)散熱片、飛機(jī)尾部、飛機(jī)底部、飛機(jī)機(jī)架的電子儀器構(gòu)件。機(jī)械行業(yè)中Mg2Si顆粒增強(qiáng)ZA40復(fù)合材料可以代替銅合金、鋁合金及巴氏合金制造滑動(dòng)軸承零件、軸瓦、蝸輪、摩擦壓力機(jī)主螺母等零件，表現(xiàn)出良好的環(huán)境替代材料特性，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]梁健，解念鎖.壓力鑄造對(duì)Sip/ZA40復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2014，35（1）：129-131.

[2]劉敬.顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀與展望[J].熱加工工藝，2004，33（3）：12-13.

作者簡(jiǎn)介：楊宏（1966-），男，陜西乾縣人，本科，工程師，研究方向：材料成型與控制。endprint