專利名稱：一種阻尼耐磨鋅合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，具體涉及一種鋼絲和碳纖維復(fù)合增強(qiáng)阻尼耐磨鋅合金 材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在金屬材料領(lǐng)域中，阻尼耐磨鋅合金作為耐磨材料一直受到普遍重視。CN98110581. 5公開了一種耐磨合金材料，具體為一種鑄造耐磨鋅一鋁合金。該材 料以鋅為基，鋁、銅為主要合金元素，通過加入銻、鎂、鈦、硼、鑭元素進(jìn)行微量多元合金化 處理和晶粒細(xì)化、變質(zhì)處理，并采用熔體熱處理熔煉工藝，獲得了晶粒細(xì)小的軟基體上分 布著硬質(zhì)點(diǎn)的理想軸承合金組織，提高了合金的力學(xué)性能，改善了其摩擦磨損特性和鑄 件質(zhì)量。但其制備鋅合金的耐磨性不高，且生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜。CN87105901.0公開了一種具有高耐磨、耐蝕性能的Al-Si高阻尼合金?；旌舷?土 RE的加入，提高了合金的耐磨和耐蝕性，通過合理選擇熱處理工藝，以獲得佳的阻尼性 能。發(fā)明的Al-Si鑄造合金可廣泛應(yīng)用于既有耐磨、耐蝕要求，又要求減振或降噪場(chǎng)合的零 部件。該合金成分組成范圍(重量百分比)是Al 15-75%, Cu 0. 1-1. 5%, Si 1-6%, RE0.001-0. 7%,其余的為Si和不可避免的雜質(zhì)元素。但所得到的鋅鋁合金的耐磨性和阻尼 性的綜合性能不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述技術(shù)缺陷，提供一種鋼絲和碳纖維復(fù)合增強(qiáng)阻尼耐磨 鋅合金材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種鋼絲和碳纖維復(fù)合增強(qiáng)阻尼耐磨鋅合金材料的制 備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種阻尼耐磨鋅合金材料，該材料以鋅合金為基體，在基體中分布著鋼絲團(tuán)和碳纖維； 所述鋼絲團(tuán)直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面規(guī)格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1.5mm ；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30 1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分 比為 20-40% ；鋅合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量A1為30% 40%，Sr為0. 02% 0. 05%， Si 為 3% 6%，Pb 為 2% 4%，F(xiàn)e 為 0. 2% 0. 4%，Y 為 0. 05% 0. 1%，Mn 為 3% ,Ho 為 0. 01% 0. 03%，其余為 Zn ；鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量為C為0. 4% 0. 75%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為 0. 5% 0. 85%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 500:1。上述基體中還分布有CrSi17和Cr3Si顆粒。一種阻尼耐磨鋅合金材料的制備方法，它包括以下步驟鍍鉻鋼絲團(tuán)和碳纖維的準(zhǔn)備取截面為矩形、規(guī)格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm、成分 為 C 為 0. 4% 0. 75%, Si 為 0. 2% 0. 3%, Mn 為 0. 5% 0. 85%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其 余為狗的鋼絲，以及直徑為7微米、長徑比為100 500:1的Τ300碳纖維；所述鋼絲和碳 纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20 40% ；取鋼絲 按清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的直徑為10 15cm，并按常規(guī)化 學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鉻制備鍍鉻鋼絲團(tuán)，所述鍍鉻層的厚度為50-100μπι ；鍍鉻鋼絲團(tuán)粘附碳纖維的制備將鍍鉻鋼絲團(tuán)浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的濃 度為1. 3 1. 5 g/cm3，模數(shù)為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團(tuán)從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維 揉撒到帶有水玻璃溶液的鋼絲團(tuán)上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若 干粘附有碳纖維的鋼絲團(tuán)放入鑄型型腔；鋼絲團(tuán)的松緊程度由鋼絲和碳纖維兩者共占材料 的體積百分比決定，且保證鋼絲團(tuán)正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢 后等待鋅合金水澆注；鋅合金材料基體的準(zhǔn)備按重量百分含量Al為30% 40%，Sr為0.02% 0.05%， Si 為 3% 6%，Pb 為 2% 4%，F(xiàn)e 為 0. 2% 0. 4%，Y 為 0. 05% 0. 1%，Mn 為 3%，Ho為0. 01% 0. 03%，其余為Si進(jìn)行配料；將鋅合金基體在感應(yīng)電爐中熔化得到鋅 合金水，熔化溫度為690-710°C ；將上述鋅合金水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團(tuán)的鑄型，液態(tài)鋅合金水進(jìn)入鋼絲團(tuán)間隙 將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以鋅合金為基體的其中分布有碳纖維和鋼絲團(tuán) 的材料。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下(1)本發(fā)明材料中鋼絲自身具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和較高的韌性，因鐵和鋅相互之間有一定 的溶解度，因此鋼絲和鋅合金很容易結(jié)合起來，形成很好的冶金結(jié)合。這樣，鋼絲分布在鋅 合金中，對(duì)材料具有很好的增強(qiáng)增韌作用，同時(shí)鋼絲含碳量較高，具有耐磨作用。(2)本發(fā)明合金材料中分布有碳纖維，碳纖維不僅具有減摩作用，而且和鋼絲共同 作用，增強(qiáng)材料的韌性和強(qiáng)度，因此有利于合金耐磨性能提高。(3)在成型過程中，鋅合金水進(jìn)入鑄型型腔與鍍鉻鋼絲接觸后，鋼絲表面的Cr熔 于鋅水形成Crfn17,液態(tài)鋅合金水中的Si和鋼絲表面的Cr反應(yīng)形成少量硬度高的Cr3Si的 特殊化合物，所形成的這種特殊化合物彌散分布于基體中，進(jìn)一步提高了材料的耐磨性。(4)本發(fā)明材料選用的鋼絲截面為矩形，而且含有細(xì)小的碳纖維，因此合金中界面 多，表面積大，該材料具有很好的阻尼減振性能；且鋼絲制成鋼絲團(tuán)呈球形，利于鋼絲和其 上附著的碳纖維在材料中均勻分布。(5)本發(fā)明合金材料用鐵代替了部分鋅，材料成本低，制備工藝簡便，生產(chǎn)成本低， 生產(chǎn)的合金材料性能好，而且非常便于工業(yè)化生產(chǎn)。該材料的塑性、韌性和耐磨性能優(yōu)良， 鑄件尺寸穩(wěn)定好，材料成本低廉，是制造軸瓦、軸套、蝸輪等滑動(dòng)摩擦件的優(yōu)良材料。(6 )本發(fā)明材料中P、S為雜質(zhì)，控制在允許的范圍。本發(fā)明的合金性能見表1。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例一制得的鋼絲和碳纖維復(fù)合增強(qiáng)阻尼耐磨鋅合金材料的金相組織。圖1可以看到在鋅合金與鋼絲結(jié)合良好。
具體實(shí)施例方式以下各實(shí)施例僅用作對(duì)本發(fā)明的解釋說明，其中的重量百分比均可換成重量g、kg 或其它重量單位。各實(shí)施例中的鋼絲和碳纖維均為市購，鍍鉻層自制。實(shí)施例一鋅合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量A1為30%，Sr為0. 02%，Si為3%，1 為 2%，！^e 為 0. 2%，Y 為 0. 05%, Mn 為 1%，Ho 為 0. 01%，其余為 Si。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量C為0. 4%，Si為0. 2%, Mn為0. 5%, P<0. 02%, S <0. 025%，其余為!^e ；鋼絲的截面為矩形，且規(guī)格為0. ImmXO. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為100:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分 比· 20%ο取鋼絲按清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的直徑 為10cm，并按常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鉻制備鍍鉻鋼絲團(tuán)，所述鍍鉻層的厚度為 50 μ m0制備過程如下將鍍鉻鋼絲團(tuán)浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的濃度為1. 3g/ cm3，模數(shù)為2. 6 ；將鋼絲團(tuán)從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維揉撒到帶有水玻璃溶液的 鋼絲團(tuán)上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若干粘附有碳纖維的鋼絲團(tuán) 放入鑄型型腔；鋼絲團(tuán)的松緊程度由鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比決定，且保 證鋼絲團(tuán)正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待鋅合金水澆注；將鋅合金基體在感應(yīng)電爐中熔化得到鋅合金水，熔化溫度為695-705°C ； 將上述鋅合金水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團(tuán)的鑄型，液態(tài)鋅合金水進(jìn)入鋼絲團(tuán)間隙 將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以鋅合金為基體的其中分布有碳纖維和鋼絲團(tuán) 的材料。實(shí)施例二鋅合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量A1為40%，Sr為0. 05%，Si為6%，1 為 4%，F(xiàn)e 為 0. 4%，Y 為 0. 1 %，Mn 為 3%，Ho 為 0. 03%，其余為 Si。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量C為0.75%，Si為0.3%，Mn為0. 85 P<0. 02%, S <0. 025%,其余為!^e ；鋼絲截面為矩形，截面規(guī)格為0. 4mmX 1. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為400:1。鋼絲和碳纖維的重量比為30:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 40%。取鋼絲按清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的直徑 為15cm，并按常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鉻制備鍍鉻鋼絲團(tuán)，所述鍍鉻層的厚度為 100 μ m0制備過程同實(shí)施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 5g/cm3，模數(shù)為3. 0。
實(shí)施例三鋅合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量A1為35%，Sr為0. 04%，Si為5%，1 為 3%, Fe 為 0. 34%, Y 為 0. 08%, Mn 為 2% ,Ho 為 0. 02%，其余為 Si。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量C為0. 6%，Si為0. 25%, Mn為0. 7%, P<0. 02%, S <0. 025%，其余為!^e ；鋼絲截面為矩形，且截面規(guī)格為0. 3mmX0. 7mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為190:1。鋼絲和碳纖維的重量比為27:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分 比· 35%。取鋼絲按清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的直徑 為12cm，并按常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鉻制備鍍鉻鋼絲團(tuán)，所述鍍鉻層的厚度為 70 μ m0制備過程同實(shí)施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 4g/cm3，模數(shù)為2. 8。對(duì)比實(shí)施例四鋅合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量Al為20%，Sr為0.01%，Si為2%，1 為 1 %，F(xiàn)e 為 0. 1 %，Y 為 0. 04%，Mn 為 0. 5%，Ho 為 0. 005%，其余為 Si。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量C為0. 3%，Si為0. 1%, Mn為0. 4%, P<0. 02%, S <0. 025%，其余為！^ ；鋼絲截面為圓形，半徑為0. 1mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為50:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分 比· 10%O取鋼絲按清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的直徑 為10cm，且鋼絲表面不鍍鉻。制備過程同實(shí)施例一。對(duì)比實(shí)施例五鋅合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量按重量百分含量Al為50%，Sr為0. 09%，Si 為 8%，Pb 為 5%，F(xiàn)e 為 0. 7%, Y 為 0. 2%, Mn 為 4%，Ho 為 0. 04%，其余為 Si。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量C為0. 8%，Si為0. 5%, Mn為0. 9%, P<0. 02%, S <0. 025%，其余為!^e ；鋼絲截面為矩形，且截面規(guī)格為0. 5mmX2mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為600:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分 比· 60%取鋼絲按清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的直徑為 10cm，并按常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鉻制備鍍鉻鋼絲團(tuán)，所述鍍鉻層的厚度為 200 μ HIo制備過程同實(shí)施例一。產(chǎn)品性能分析由下表可見，本發(fā)明鋅合金基體中的Al、Sr、Si、Pb、Sn、Fe、Y、Ho增高利于合金的力學(xué) 性能提高；但有些元素如Al、Sr、Si、Pb、i^e過多則形成的化合物過多，會(huì)削弱合金的耐磨性 能。有些元素如Y、Ho過多，則會(huì)造成元素浪費(fèi)。
鋼絲中的成分C、Si、Mn增高利于合金的力學(xué)性能提高；過多會(huì)削弱合金的耐磨性。鋼絲截面為矩形便于粘結(jié)碳纖維。但截面規(guī)格過小，不利于粘結(jié)碳纖維；反之，規(guī) 格過大，割裂基體傾向增加。碳纖維長徑比太小和太大都不利于與矩形截面鋼絲的粘結(jié)。鋼絲和碳纖維占材料的體積百分的增加，利于材料韌性的提高；但是過大，則降低 了材料的硬度，因此也降低了材料的耐磨性，如產(chǎn)品5，而且鋅合金水不易包圍鋼絲和碳纖 維；反之，鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比比太小，則不利于鋼絲和碳纖維作用的發(fā)揮。鋼絲的表面的鍍鉻層的厚度增加，利于鋅合金水的合金化；但是過大，鉻不易在短 時(shí)間熔入鋅合金水中，造成元素的浪費(fèi)，同時(shí)熱處理成本增加；反之，鋼絲表面的鍍鉻層厚 度太小，鋼絲硬度降低，并且不利于形成彌散的化合物。表1所得各產(chǎn)品性能對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種阻尼耐磨鋅合金材料，其特征在于該材料以鋅合金為基體，在基體中分布著 鋼絲團(tuán)和碳纖維；所述鋼絲團(tuán)直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面規(guī)格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm ；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材 料的體積百分比為20-40% ；鋅合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量A1為30% 40%，Sr為0. 02% 0. 05%， Si 為 3% 6%，Pb 為 2% 4%，F(xiàn)e 為 0. 2% 0. 4%，Y 為 0. 05% 0. 1%，Mn 為 3% ,Ho 為 0. 01% 0. 03%，其余為 Zn ；鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量為C為0. 4% 0. 75%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為 0. 5% 0. 85%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 500:1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻尼耐磨鋅合金材料，其特征在于所述基體中還分布有 CrZn17 禾Π Cr3Si 顆粒。
3.—種阻尼耐磨鋅合金材料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟鍍鉻鋼絲團(tuán)和碳纖維的準(zhǔn)備取截面為矩形、規(guī)格為0. 1 0. 4mmΧ0. 5 1. 5mm、成分 為 C 為 0. 4% 0. 75%, Si 為 0. 2% 0. 3%, Mn 為 0. 5% 0. --85%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其 余為狗的鋼絲，以及直徑為7微米、長徑比為100 500:1的Τ300碳纖維；所述鋼絲和碳 纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20 40% ；取鋼絲 按清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的直徑為10 15cm，并按常規(guī)化 學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鉻制備鍍鉻鋼絲團(tuán)，所述鍍鉻層的厚度為50-100μπι ；鍍鉻鋼絲團(tuán)粘附碳纖維的制備將鍍鉻鋼絲團(tuán)浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的濃 度為1. 3 1. 5 g/cm3，模數(shù)為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團(tuán)從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維 揉撒到帶有水玻璃溶液的鋼絲團(tuán)上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若 干粘附有碳纖維的鋼絲團(tuán)放入鑄型型腔；鋼絲團(tuán)的松緊程度由鋼絲和碳纖維兩者共占材料 的體積百分比決定，且保證鋼絲團(tuán)正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢 后等待鋅合金水澆注；鋅合金材料基體的準(zhǔn)備按重量百分含量Al為30% 40%，Sr為0. 02% 0. 05%， Si 為 3% 6%，Pb 為 2% 4%，F(xiàn)e 為 0. 2% 0. 4%，Y 為 0. 05% 0. 1%，Mn 為 3%，Ho為0. 01% 0. 03%，其余為Si進(jìn)行配料；將鋅合金基體在感應(yīng)電爐中熔化得到鋅 合金水，熔化溫度為690-710°C ；將上述鋅合金水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團(tuán)的鑄型，液態(tài)鋅合金水進(jìn)入鋼絲團(tuán)間隙 將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以鋅合金為基體的其中分布有碳纖維和鋼絲團(tuán) 的材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種阻尼耐磨鋅合金材料及其制備方法，該材料以鋅合金為基體，在基體中分布著鋼絲團(tuán)和碳纖維；所述鋼絲團(tuán)直徑為10～15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面規(guī)格為0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25～30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20-40%。本發(fā)明得到的合金材料具有較高的韌性和耐磨性，且工藝簡單，生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)C22C47/04GK102051550SQ20111000704
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者王玲, 謝愛根, 趙浩峰 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)