Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料變質工藝及應用

楊宏++胡保珠++王圓

摘 要：文章分析了鋅鋁合金的性能優勢及存在的性能不足，分析了Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料的基本相及顯微組織的組成特點，論述了Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料的變質工藝對Mg2Si顆粒尺寸大小、分布，形狀的影響規律，以及Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料的新應用。

關鍵詞：Mg2Si顆粒；ZA40基復合材料；變質工藝

1 鋅鋁合金的性能特點

為了改善金屬鋅的力學性能、工藝性能、物理性能和化學性能，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性能、優異的摩擦磨損性能、生產過程中對環境污染小、消耗能量低、制造成本低廉、具有良好的鑄造性能，表現出良好的軸承性和耐磨性。所以在冶金工業、機械工業的設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合材料研究與應用。近幾年，人們在鋅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注[1]。但是鋅鋁合金的耐熱性較差，高溫抗拉強度和蠕變強度低，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、高模量、高強度的陶性能特點，通過一定的復合工藝，制備顆粒增強鋅鋁合金基復合材料，從而改善材料的高溫性能[2]。在鋅鋁合金基復合材料中，采用Mg2Si作為增強顆粒，具有一定的優勢。在鋅鋁合金中加入Mg2Si后可降低材料的熱膨脹系數，提高材料的尺寸穩定性。Mg2Si作為增強顆粒，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雜質，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相容性，有利于減少復合材料的力學損傷，提高復合材料的使用性能。所以，Mg2Si是一種高效復合材料增強體，Mg2Si作為增強顆粒制備鋅鋁合金（ZA40）基復合材料是鋅合金基復合材料發展的一個方向。

2 Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料的基本相

Mg2Si顆粒增強ZA40復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%，當用Mg和Si對ZA40基體合金進行合金化后，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Al——Zn二元合金相圖，鋁和鋅在固態下為有限互溶，共晶溫度為381℃時，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。發生共晶反應后形成富鋅的η相和β相組成的共晶體，η相是密排六方結構。在277℃時，β相發生共析轉變，生成富Al的α相和富Zn的β相組成的共析體，共析體中α相是面心立方結構，β相是密排六方結構。根據Al——Si二元合金相圖，在共晶溫度下，硅在鋁中固態下為有限溶解，形成具有面心立方結構的α固溶體，溶解度非常小；鋁在硅中不溶解，沒有固溶度，共晶反應溫度為577℃，共晶點成分為含硅12.6wt%，Al和Si不會形成化合物。根據Mg——Si二元相圖，Mg——Si二元體系中能形成穩定的金屬間化合物Mg2Si，Mg2Si的化學當量組成為63.3wt%Mg——36.7wt%Si，Mg2Si具有反螢石晶體的結構，Mg2Si具有面心立方晶格，晶格常數為a=6.338A。由于Mg2Si是穩定的金屬間化合物，所以Mg2Si將Mg——Si二元相圖分成兩個二元共晶相圖，Mg——Mg2S二元相圖和Mg2S——Si二元相圖，Mg和Mg2Si在固態下不形成固溶體，室溫下相組成物是Mg和Mg2Si；Mg2S和Si在固態下也不形成固溶體，室溫下相組成物是Mg2S和Si。金屬間化合物Mg2Si是穩定的化合物，熔點高，密度低，硬度高，彈性模量高，是理想的金屬基復合材料的增強材料。同時，用Mg和Si對ZA40基體合金進行合金化后，也會發生不同的四相平衡三元共晶反應，形成三元共晶體組織，所以Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料的相組成較豐富，組織也較復雜。

3 Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料的變質工藝

Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料的制備，原材料一般選用工業純鋅，工業純鎂，選用工業純鋁和Al-30wt%Si中間合金。精煉劑通常選用六氯乙烷，變質劑通常選用金屬Sb。為了獲得尺寸大小合適、分布均勻，形狀規格的Mg2Si顆粒，合適的變質工藝非常重要。例如，變質劑加入量，變質溫度，變質時間，澆注溫度、冷卻速度等工藝參數。因為，在制備的Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料中，變質工藝不同，可以出現各種形狀的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，當復合材料變質溫度選780℃時，未加入變質劑Sb時，復合材料組織中由Mg2Si呈中國漢字狀形態。當加入0.4%的變質劑Sb后，復合材料的顯微組織中Mg2Si發生了明顯的改變，漢字狀的Mg2Si變成了顆粒狀，基體的組織也發生明顯的細化。當變質劑Sb的含量為0.8%時，復合材料組織進一步發生細化，顆粒狀的Mg2Si將更加細小、均勻。當進一步加大變質劑Sb的含量到1.2%時，復合材料中Mg2Si又開始變粗大，但是比未變質時的要細小，而且基體組織也變粗大。

4 Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料的新應用

Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料由于分布有尺寸大小合適、分布均勻，形狀規格的Mg2Si顆粒，Mg2Si在ZA40基體中原位生成，Mg2Si顆粒與ZA40基體間的界面無雜質，保證Mg2Si與鋅鋁合金基體具有良好的物理相容性和化學相容性。所以，該復合材料能夠克服鋅合金耐高溫性能差，熱膨脹系數大等弱點，在機械工業、冶金工業、航空工業等領域都有著廣闊的應用前景。在模具工業中作為冷沖壓模具的材料，具有制模工藝簡單、模具成本低、生產模具周期短、復合材料綜合力學性能好等優點，適合當今模具對模具品種多、生產周期短的需求，可用于壓制模、吹塑模、注塑模、發泡模等。在航空工業中利用Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料具有熱膨脹系數低、比強度高、密度低、導熱性良好的特點，制造飛機散熱片、飛機尾部、飛機底部、飛機機架的電子儀器構件。機械行業中Mg2Si顆粒增強ZA40復合材料可以代替銅合金、鋁合金及巴氏合金制造滑動軸承零件、軸瓦、蝸輪、摩擦壓力機主螺母等零件，表現出良好的環境替代材料特性，具有良好的應用前景。

參考文獻

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

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

作者簡介：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