Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料变质工艺及应用

杨宏++胡保珠++王圆

摘 要：文章分析了锌铝合金的性能优势及存在的性能不足，分析了Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料的基本相及显微组织的组成特点，论述了Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料的变质工艺对Mg2Si颗粒尺寸大小、分布，形状的影响规律，以及Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料的新应用。

关键词：Mg2Si颗粒；ZA40基复合材料；变质工艺

1 锌铝合金的性能特点

为了改善金属锌的力学性能、工艺性能、物理性能和化学性能，人们研制了高铝锌合金。由于高铝锌合金具有良好的室温力学性能、优异的摩擦磨损性能、生产过程中对环境污染小、消耗能量低、制造成本低廉、具有良好的铸造性能，表现出良好的轴承性和耐磨性。所以在冶金工业、机械工业的设备中逐渐的取代铜合金及一部分巴氏合金，制造轴套、轴瓦、轴承等耐磨零件，起到以铝代铜的作用。因此，材料研究工作者很重视锌合金及其复合材料研究与应用。近几年，人们在锌铝合金中不断的提高铝的含量，其中铝含量为40wt%的高铝锌合金ZA40受到了材料工作者的关注[1]。但是锌铝合金的耐热性较差，高温抗拉强度和蠕变强度低，限制了锌铝合金使用范围、使用寿命以及可靠性。材料工作者合理利用陶瓷材料具有高熔点、高模量、高强度的陶性能特点，通过一定的复合工艺，制备颗粒增强锌铝合金基复合材料，从而改善材料的高温性能[2]。在锌铝合金基复合材料中，采用Mg2Si作为增强颗粒，具有一定的优势。在锌铝合金中加入Mg2Si后可降低材料的热膨胀系数，提高材料的尺寸稳定性。Mg2Si作为增强颗粒，它能够在基体中原位生成，Mg2Si颗粒与锌铝合金基体间的界面无杂质，颗粒与基体合金两者之间有着理想的原位匹配，能够显著改善材料中两相界面的结合状况，保证Mg2Si与锌铝合金基体具有良好的物理相容性和化学相容性，有利于减少复合材料的力学损伤，提高复合材料的使用性能。所以，Mg2Si是一种高效复合材料增强体，Mg2Si作为增强颗粒制备锌铝合金（ZA40）基复合材料是锌合金基复合材料发展的一个方向。

2 Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料的基本相

Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料通常采用原位自生方法制备，由于ZA40基体合金中Al的含量在40%，当用Mg和Si对ZA40基体合金进行合金化后，Al和Zn形成Al——Zn二元合金相图，Al和Si形成Al——Si二元合金相图，Mg和Si形成Mg——Si二元合金相图。根据Al——Zn二元合金相图，铝和锌在固态下为有限互溶，共晶温度为381℃时，在锌元素在铝中最大可溶解1.14wt%，在铝元素在锌中可形成较大的溶解度。发生共晶反应后形成富锌的η相和β相组成的共晶体，η相是密排六方结构。在277℃时，β相发生共析转变，生成富Al的α相和富Zn的β相组成的共析体，共析体中α相是面心立方结构，β相是密排六方结构。根据Al——Si二元合金相图，在共晶温度下，硅在铝中固态下为有限溶解，形成具有面心立方结构的α固溶体，溶解度非常小；铝在硅中不溶解，没有固溶度，共晶反应温度为577℃，共晶点成分为含硅12.6wt%，Al和Si不会形成化合物。根据Mg——Si二元相图，Mg——Si二元体系中能形成稳定的金属间化合物Mg2Si，Mg2Si的化学当量组成为63.3wt%Mg——36.7wt%Si，Mg2Si具有反萤石晶体的结构，Mg2Si具有面心立方晶格，晶格常数为a=6.338A。由于Mg2Si是稳定的金属间化合物，所以Mg2Si将Mg——Si二元相图分成两个二元共晶相图，Mg——Mg2S二元相图和Mg2S——Si二元相图，Mg和Mg2Si在固态下不形成固溶体，室温下相组成物是Mg和Mg2Si；Mg2S和Si在固态下也不形成固溶体，室温下相组成物是Mg2S和Si。金属间化合物Mg2Si是稳定的化合物，熔点高，密度低，硬度高，弹性模量高，是理想的金属基复合材料的增强材料。同时，用Mg和Si对ZA40基体合金进行合金化后，也会发生不同的四相平衡三元共晶反应，形成三元共晶体组织，所以Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料的相组成较丰富，组织也较复杂。

3 Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料的变质工艺

Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料的制备，原材料一般选用工业纯锌，工业纯镁，选用工业纯铝和Al-30wt%Si中间合金。精炼剂通常选用六氯乙烷，变质剂通常选用金属Sb。为了获得尺寸大小合适、分布均匀，形状规格的Mg2Si颗粒，合适的变质工艺非常重要。例如，变质剂加入量，变质温度，变质时间，浇注温度、冷却速度等工艺参数。因为，在制备的Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料中，变质工艺不同，可以出现各种形状的Mg2Si颗粒，如有的是三角形，有的是四变形，有的是五边形和六边形，含有的是花瓣形状。研究表明，当复合材料变质温度选780℃时，未加入变质剂Sb时，复合材料组织中由Mg2Si呈中国汉字状形态。当加入0.4%的变质剂Sb后，复合材料的显微组织中Mg2Si发生了明显的改变，汉字状的Mg2Si变成了颗粒状，基体的组织也发生明显的细化。当变质剂Sb的含量为0.8%时，复合材料组织进一步发生细化，颗粒状的Mg2Si将更加细小、均匀。当进一步加大变质剂Sb的含量到1.2%时，复合材料中Mg2Si又开始变粗大，但是比未变质时的要细小，而且基体组织也变粗大。

4 Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料的新应用

Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料由于分布有尺寸大小合适、分布均匀，形状规格的Mg2Si颗粒，Mg2Si在ZA40基体中原位生成，Mg2Si颗粒与ZA40基体间的界面无杂质，保证Mg2Si与锌铝合金基体具有良好的物理相容性和化学相容性。所以，该复合材料能够克服锌合金耐高温性能差，热膨胀系数大等弱点，在机械工业、冶金工业、航空工业等领域都有着广阔的应用前景。在模具工业中作为冷冲压模具的材料，具有制模工艺简单、模具成本低、生产模具周期短、复合材料综合力学性能好等优点，适合当今模具对模具品种多、生产周期短的需求，可用于压制模、吹塑模、注塑模、发泡模等。在航空工业中利用Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料具有热膨胀系数低、比强度高、密度低、导热性良好的特点，制造飞机散热片、飞机尾部、飞机底部、飞机机架的电子仪器构件。机械行业中Mg2Si颗粒增强ZA40复合材料可以代替铜合金、铝合金及巴氏合金制造滑动轴承零件、轴瓦、蜗轮、摩擦压力机主螺母等零件，表现出良好的环境替代材料特性，具有良好的应用前景。

参考文献

[1]梁健，解念锁.压力铸造对Sip/ZA40复合材料力学性能的影响[J].铸造技术，2014，35（1）：129-131.

[2]刘敬.颗粒增强锌基复合材料研究现状与展望[J].热加工工艺，2004，33（3）：12-13.

作者简介：杨宏（1966-），男，陕西乾县人，本科，工程师，研究方向：材料成型与控制。endprint