增強體預處理工藝對鋁基復合材料中增強體分布的影響

閻峰云，牟余江，張 威，楊群英

（蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050）

增強體預處理工藝對鋁基復合材料中增強體分布的影響

閻峰云，牟余江，張 威，楊群英

（蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050）

通過攪拌鑄造法制備了莫來石顆粒增強的鋁基復合材料，通過改變增強體的預處理工藝，研究了不同的預處理方法對復合材料制備的影響。實驗結果表明，采用加熱預處理、酸洗、涂覆鋁粉以及氟酸鹽處理都明顯改善了增強體的加入量和分散性，而當采用兩種預處理方法相結合時增強體的加入量和分散性更優。

攪拌鑄造法；莫來石顆粒；預處理工藝；分散性

1 引言

顆粒增強輕金屬基復合材料因其具有低成本、低熱膨脹系數、高比強度、高比剛度、高耐磨性以及高溫性能好和制造容易等特點，正處于工業生產階段，并必將獲得廣泛的產業化應用[1－3]。莫來石具有硬度大、高溫穩定性好、熱膨脹系數低等優點，而莫來石顆粒增強鋁基復合材料是一種新興的摩擦材料，它具有高耐磨性、耐高溫、比強度比剛度高、熱膨脹系數低、熱穩定性好等優點[4]。由于金屬與陶瓷的潤濕性差，因此提高莫來石與基體鋁合金的潤濕性是尚待解決的主要問題。為了能夠在通常熔化溫度下使增強體與鋁基體相互潤濕，就必須對增強體顆粒進行預處理，以減小它與鋁合金的潤濕角。本文將分別對增強體進行酸洗、涂覆鋁粉和氟酸鹽處理，通過在相同的攪拌參數下比較在不同的預處理方法中增強體的分布情況，得到較好的增強體預處理方法。

2 試驗材料與方法

2.1 實驗材料

基體金屬是ZL101合金，增強體采用紫鑫礦業的紅柱石顆粒，首先經過莫來石化處理后磨至過270目篩。

2.2 實驗方法

將增強體顆粒在12kW電阻爐中在800℃下處理3h，以除去表面的油污和雜質，然后冷卻至室溫，再用行星球磨機濕磨16h。增強體的預處理采取以下幾種方法：預熱、酸洗、涂覆鋁粉和氟酸鹽處理。預熱處理是在800℃處理3h；涂覆鋁粉處理是將增強體與鋁粉按一定比例混合后濕法球磨16h；酸洗處理是用0.5mol/l的HF處理10min；氟酸鹽處理是用90～95℃的濃度為20g/100ml的K2ZrF6溶液處理。

復合材料的制備采用攪拌鑄造法，在前期試驗的基礎上確定了三個攪拌參數：攪拌溫度為720℃，攪拌速度為1000r/min，攪拌時間為10min。攪拌槳采用復合式攪拌槳，增強體的加入方法采用鐘罩壓入法。

3 試驗結果及分析

3.1 預熱處理的影響

圖1、圖2分別為增強體球磨后未熱處理及預熱處理后制備的復合材料的顯微組織照片，比較可以看出，經過預熱處理后復合材料中增強體的加入量和分散性均優于未經預熱處理。加熱處理后，徹底去除了增強體顆粒表面所吸附的氣體、污染物以及顆粒內部所吸收的水分 ，提高了增強體顆粒表面的活性 ，改善了增強體顆粒與鋁液之間的潤濕性，而未經預熱處理的增強體由于與鋁液的溫差較大，因此會降低鋁液的溫度增加鋁液的粘度，這會給增強體的分布增加困難。

3.2 涂覆鋁粉處理的影響

由于陶瓷與增強體的潤濕性差，但可以變陶瓷與金屬的潤濕為金屬與金屬的潤濕，在本試驗中采用了濕法球磨的方法，方法是將增強體與鋁粉按一定比例混合后球磨，這樣可以在增強體表面涂覆一層鋁粉，從而變陶瓷與金屬的潤濕為金屬與金屬的潤濕，從而增加了增強體與基體的潤濕性。圖3是增強體在球磨處理后直接進行涂覆鋁粉處理。圖4的增強體是在球磨處理后先用HF酸洗后再涂覆鋁粉，通過比較可以看出，先酸洗再涂覆鋁粉的增強體的分布更加均勻。將圖3和圖4分別與圖1比較，發現經涂覆鋁粉處理后的復合材料中的增強體加入量明顯增多，而且增強體的分布更加均勻。

3.3 氟酸鹽處理的影響

增強體與鋁液潤濕性的難題在于鋁液與增強體的界面上存在著一層氧化鋁膜，如何去除該氧化鋁膜是解決潤濕性問題的關鍵。Rocher[5]認為氟酸鹽處理增加潤濕性的機理是：①反應產生的鋁氟酸鉀溶解了包覆在鋁液表面的三氧化二鋁，這是最重要的；②反應產生的一些低熔點氟化物揮發破壞了氧化鋁膜的完整性；③放熱反應使反應區域的局部溫度提高。圖5是增強體在球磨處理后直接用氟酸鹽處理，圖6的增強體是在球磨處理后先經酸洗處理后再用氟酸鹽處理。通過比較可以看出，經過酸洗處理的增強體分布更加均勻。同時將圖5與圖6與圖1相比較可以發現，經過氟酸鹽處理后，復合材料中增強體的加入量明顯提高且分布更加均勻。

3.4 酸洗處理的影響

當采用較低濃度的HF酸對增強體進行酸洗時，不會溶解莫來石相，相反會去除鐵雜質并溶解里面的玻璃相，從而增加增強體的分散性。圖7是增強體在球磨處理后經過酸洗處理后制備的復合材料，通過與圖1比較可以發現，再經過酸洗處理后增強體的分布更加均勻。

4 結論

（1）當增強體單獨采用預熱處理、酸洗處理、涂覆鋁粉處理以及氟酸鹽處理時，都會改善增強體的加入效果。

（2）當對增強體采用先酸洗再涂覆鋁粉處理或氟酸鹽處理時，增強體的加入量更多，且增強體的分布更加均勻。

[1]吳人潔.金屬基復合材料的現狀與展望[J].金屬學報，1997，33（1）:78-83.

[2]孫國雄，廖恒成，潘治.顆粒增強金屬基復合材料的制備技術和界面反應與控制[J].特種鑄造及有色合金，1998（4）:12－17.

[3]王丹虹.原位制造顆粒增強MMCs[J].機械工業材料，1996，20（6）:34－36.

[4]鄒蘇陽，徐廷獻，薄占滿.莫來石/鋁復合摩擦材料[J].硅酸鹽通報，1999（3）:3－8.

[5]Laurent V，Chatain D，Eustathopoulous N，Dumant X，Proc of the Symposium on Advances in Cast Reinforced Metal Composites，held in Chicago Illinois，USA，Sept.24－30，1988:27.

Effects of Pretreatment on Distribution of Reinforcement Particles in Aluminium Matrix Composites

YAN FengYun,Mou YuJiang,ZHANG Wei,YANG QunYing
（State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050,Gansu China）

Mullite particles reinforced Al matrix composite has been prepared by stir casting.The effects of different pretreatment methods on the preparation of composite material have been investigated by change of the pretreatment of reinforcement,resulting in that the addition and dispersion of reinforcement have been significantly improved with preheat or acid solution leaching or coated with Al powder or treated with K2ZrF6 solution while better results obtained when combined with two kinds of the pretreatment.

Stir casting；Mullite particles；Pretreatment；Dispersion

TB333.1+2;

A；

1006－9658（2011）03－3

2010－11－17

2010－169

閻峰云（1962－），男，教授/博士生導師；長期從事鎂合金半固態加工技術和表面處理技術研究