增强体预处理工艺对铝基复合材料中增强体分布的影响

阎峰云，牟余江，张 威，杨群英

（兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050）

增强体预处理工艺对铝基复合材料中增强体分布的影响

阎峰云，牟余江，张 威，杨群英

（兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050）

通过搅拌铸造法制备了莫来石颗粒增强的铝基复合材料，通过改变增强体的预处理工艺，研究了不同的预处理方法对复合材料制备的影响。实验结果表明，采用加热预处理、酸洗、涂覆铝粉以及氟酸盐处理都明显改善了增强体的加入量和分散性，而当采用两种预处理方法相结合时增强体的加入量和分散性更优。

搅拌铸造法；莫来石颗粒；预处理工艺；分散性

1 引言

颗粒增强轻金属基复合材料因其具有低成本、低热膨胀系数、高比强度、高比刚度、高耐磨性以及高温性能好和制造容易等特点，正处于工业生产阶段，并必将获得广泛的产业化应用[1－3]。莫来石具有硬度大、高温稳定性好、热膨胀系数低等优点，而莫来石颗粒增强铝基复合材料是一种新兴的摩擦材料，它具有高耐磨性、耐高温、比强度比刚度高、热膨胀系数低、热稳定性好等优点[4]。由于金属与陶瓷的润湿性差，因此提高莫来石与基体铝合金的润湿性是尚待解决的主要问题。为了能够在通常熔化温度下使增强体与铝基体相互润湿，就必须对增强体颗粒进行预处理，以减小它与铝合金的润湿角。本文将分别对增强体进行酸洗、涂覆铝粉和氟酸盐处理，通过在相同的搅拌参数下比较在不同的预处理方法中增强体的分布情况，得到较好的增强体预处理方法。

2 试验材料与方法

2.1 实验材料

基体金属是ZL101合金，增强体采用紫鑫矿业的红柱石颗粒，首先经过莫来石化处理后磨至过270目筛。

2.2 实验方法

将增强体颗粒在12kW电阻炉中在800℃下处理3h，以除去表面的油污和杂质，然后冷却至室温，再用行星球磨机湿磨16h。增强体的预处理采取以下几种方法：预热、酸洗、涂覆铝粉和氟酸盐处理。预热处理是在800℃处理3h；涂覆铝粉处理是将增强体与铝粉按一定比例混合后湿法球磨16h；酸洗处理是用0.5mol/l的HF处理10min；氟酸盐处理是用90～95℃的浓度为20g/100ml的K2ZrF6溶液处理。

复合材料的制备采用搅拌铸造法，在前期试验的基础上确定了三个搅拌参数：搅拌温度为720℃，搅拌速度为1000r/min，搅拌时间为10min。搅拌桨采用复合式搅拌桨，增强体的加入方法采用钟罩压入法。

3 试验结果及分析

3.1 预热处理的影响

图1、图2分别为增强体球磨后未热处理及预热处理后制备的复合材料的显微组织照片，比较可以看出，经过预热处理后复合材料中增强体的加入量和分散性均优于未经预热处理。加热处理后，彻底去除了增强体颗粒表面所吸附的气体、污染物以及颗粒内部所吸收的水分 ，提高了增强体颗粒表面的活性 ，改善了增强体颗粒与铝液之间的润湿性，而未经预热处理的增强体由于与铝液的温差较大，因此会降低铝液的温度增加铝液的粘度，这会给增强体的分布增加困难。

3.2 涂覆铝粉处理的影响

由于陶瓷与增强体的润湿性差，但可以变陶瓷与金属的润湿为金属与金属的润湿，在本试验中采用了湿法球磨的方法，方法是将增强体与铝粉按一定比例混合后球磨，这样可以在增强体表面涂覆一层铝粉，从而变陶瓷与金属的润湿为金属与金属的润湿，从而增加了增强体与基体的润湿性。图3是增强体在球磨处理后直接进行涂覆铝粉处理。图4的增强体是在球磨处理后先用HF酸洗后再涂覆铝粉，通过比较可以看出，先酸洗再涂覆铝粉的增强体的分布更加均匀。将图3和图4分别与图1比较，发现经涂覆铝粉处理后的复合材料中的增强体加入量明显增多，而且增强体的分布更加均匀。

3.3 氟酸盐处理的影响

增强体与铝液润湿性的难题在于铝液与增强体的界面上存在着一层氧化铝膜，如何去除该氧化铝膜是解决润湿性问题的关键。Rocher[5]认为氟酸盐处理增加润湿性的机理是：①反应产生的铝氟酸钾溶解了包覆在铝液表面的三氧化二铝，这是最重要的；②反应产生的一些低熔点氟化物挥发破坏了氧化铝膜的完整性；③放热反应使反应区域的局部温度提高。图5是增强体在球磨处理后直接用氟酸盐处理，图6的增强体是在球磨处理后先经酸洗处理后再用氟酸盐处理。通过比较可以看出，经过酸洗处理的增强体分布更加均匀。同时将图5与图6与图1相比较可以发现，经过氟酸盐处理后，复合材料中增强体的加入量明显提高且分布更加均匀。

3.4 酸洗处理的影响

当采用较低浓度的HF酸对增强体进行酸洗时，不会溶解莫来石相，相反会去除铁杂质并溶解里面的玻璃相，从而增加增强体的分散性。图7是增强体在球磨处理后经过酸洗处理后制备的复合材料，通过与图1比较可以发现，再经过酸洗处理后增强体的分布更加均匀。

4 结论

（1）当增强体单独采用预热处理、酸洗处理、涂覆铝粉处理以及氟酸盐处理时，都会改善增强体的加入效果。

（2）当对增强体采用先酸洗再涂覆铝粉处理或氟酸盐处理时，增强体的加入量更多，且增强体的分布更加均匀。

[1]吴人洁.金属基复合材料的现状与展望[J].金属学报，1997，33（1）:78-83.

[2]孙国雄，廖恒成，潘治.颗粒增强金属基复合材料的制备技术和界面反应与控制[J].特种铸造及有色合金，1998（4）:12－17.

[3]王丹虹.原位制造颗粒增强MMCs[J].机械工业材料，1996，20（6）:34－36.

[4]邹苏阳，徐廷献，薄占满.莫来石/铝复合摩擦材料[J].硅酸盐通报，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

阎峰云（1962－），男，教授/博士生导师；长期从事镁合金半固态加工技术和表面处理技术研究