[发明专利]含高体积分数硅的耐磨锌铝合金半固态共凝法

说明书

本发明涉及一种含高体积分数硅的耐磨锌铝合金半固态共凝法，是一种通过半固态过程混合的非平衡凝固过程控制，制备含高体积分数硅(5～30vol％)的ZA27(Zn-27wt％Al)耐磨合金的方法，属于冶金类的合金技术领域。

铝硅合金和锌铝合金均具有广泛的工业应用，通常情况下，铝硅合金由于硅的加入，使得合金的力学性能，如强度、刚度(弹性模量)等大大的改善，故常用的铸造铝硅合金如A356，A357和A359等大量用于汽车零件上，并具有良好的耐磨性。锌铝合金如ZA5、ZA8、ZA12和ZA27可作为结构件，并具有良好的减摩耐磨性。如果在锌铝合金中形成大量弥散的硅相，将大大提高锌铝合金的耐磨性，特别是改善其在干摩擦等环境恶劣条件下的耐磨特性。虽然低硅含量的ZA27合金的磨损性能已有一定的研究，并指出硅的添加，将大大改善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。但这些研究仅仅是将硅作为合金元素通过常规的铸造方法制得，在制备工艺方面没有创新。周彼德等在“锌基-结晶硅、陶瓷粒子复合材料的组织与性能”(《复合材料学报》1992年4月第2期)中通过流变铸造工艺制备锌基一结晶硅复合材料，并研究了它的性能。其加入硅的方式是结晶硅粒子，通过流变铸造方法加入。但硅粒子加入比较困难且复杂，硅的分布均匀性差，所获得材料的力学性能比较低。

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提出一种新的含高体积分数硅的耐磨锌铝合金半固态共凝法，通过简单的熔体在半固态时混合共凝法，制备含微米级高体积分数(5～30vol％)硅的耐磨ZA27合金，且硅相在锌铝合金中均匀分布，进一步提高材质的耐磨性能。

为实现这样的目的，本发明提出了一种不同于常规铸造熔炼的工艺方法，通过合金成分设计，将两种原材料半固态共凝，即通过将两种合金在半固态状态下的混合搅拌，利用流动过程来实现硅相破碎成粒状并均匀分布，获得具有很好耐磨性的微米尺度均匀分布的硅相复合的ZA27合金。

本发明的内容主要在于通过低铝的锌铝合金(熔点较低)或纯锌熔体与处于半固态下的过共晶铝硅合金熔体混合，其中过共晶Al-Si合金辅以磷变质处理或/和机械搅拌，这样在合金的组织中实现了硅相的破碎和均匀分布。微米级高体积分数硅相在锌铝合金中的均匀分布，在没有大的牺牲力学性能的情况下，大大改善了锌铝合金的耐磨性能。

本发明含高体积分数硅(5～30vol％)的耐磨ZA27合金的半固态共凝制备方法主要包括：

第一步：根据所要求含硅体积分数(5～30vol％)，选择过共晶Al-Si合金的成分Al-(20～40wt％)Si，锌或锌合金Zn-(0～8wt％)Al。

第二步：分别在两个电阻炉内熔炼这两种合金。其中过共晶铝硅合金熔炼温度选择在580～680℃，一般在620℃左右，此时处于液固两相的半固态状态，而另一成分的锌合金加热到熔化状态，根据相应的成分决定其熔化温度。

如果通过机械搅拌的方式来实现硅相的破碎，则对半固态的过共晶铝硅合金进行机械破碎，搅拌速度为300～800rpm，搅拌时间40～60秒。

如果通过磷变质来细化过共晶铝硅合金的初生硅相，则过共晶铝硅合金需加热到其熔化状态，这应根据过共晶Al-Si合金中硅的含量和相应的液相线温度来确定加热的温度。

第三步：将熔化的锌合金液倒入准备好的温度为580～680℃的半固态过共晶铝硅合金中，适当搅拌，使其成分均匀化，然后倒入预热的模具中进行压力铸造成型。

采用本发明方法制得的尺度为10～50μm的硅均匀分布在ZA27组织中，其具体工艺参数的选择，如过共晶铝硅合金加热至半固态区域的温度在580～680℃之间的选择取决于对制备效率的要求，若要提高生产效率，半固态区域的温度可以偏上线，这样机械搅拌的时间可以适当缩短。

本发明的效果在于弥散的微米级高体积分数硅相在锌铝合金中均匀分布。

本发明主要特征在于利用半固态共凝法来实现含高体积分数硅复合的耐磨Zn-27Al合金。

图1、图2为ZA27-16vol％Si的扫描电镜观察的组织。

其中，图1为常规铸造组织，图2为本发明半固态共凝后的组织。