鎂合金復合材料摩擦磨損性能的研究

摘要 顆粒增強鎂基復合材料由于具有高比強度、高比剛度和較好的阻尼性能，在航空航天、機械電子、汽車制造業(yè)中有著廣闊的應用前景。本文研究內(nèi)容主要包括：在鎂合金 AM60 基體里加入 Si 粉，釆用機械攪拌法原位制備 Mg2Si /AM60 復合材料，研究不同質(zhì)量分數(shù) Si 粉對 Mg2Si /AM60 復合材料組織和性能的影響，優(yōu)選出結(jié)晶 Si 粉加入質(zhì)量分數(shù)，并對 Mg2Si /AM60 復合強化機理進行了研究。結(jié)果表明， 隨著 Si 含量的增加，原位自生的 Mg2Si 數(shù)量增加，其樹枝晶更加發(fā)達，抗拉強度也隨著 Si含量的增加而提高 。 Si含量達到 3%，抗拉輕度達 181.7Mpa，比基體的 158.1Mpa 提高了 14.9%，繼續(xù)加大 Si 最抗拉強度反而下降。加入0.8wt.%Sb 可使 Mg2Si 的形態(tài)由粗大的樹枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉念w粒狀，從而獲得了較理想的 Mg2Si 復合材料的組織。 研究 Mg2Si /AM60 復合材料不同參數(shù)（載荷、 Si 質(zhì)量分數(shù)、滑動速度）對摩擦磨損性能影響和各種工況條件下的磨損機理。發(fā)現(xiàn)隨著 Si 質(zhì)量分數(shù)的增加，復合材料摩擦磨損性能得到加強。外加載荷的增加，復合材料磨損量持續(xù)增加，Mg2Si /AM60 復合材料有效推遲 AM60 基體 微量磨損向嚴重磨損轉(zhuǎn)變拐點的到來。對各個摩擦磨損過程中的磨損機理進行了深入的研究。 關(guān)鍵詞 ：原位合成；鎂基復合材料；摩擦磨損；半固態(tài)； ABSTRACT Magnesium matrix composites have been widely used in spaceflight, mechanical electron， automobile manufacture etc. because of their low density, high specific strength and rigidity and good damping capacity. This paper mainly include: Added the Si powder into AM60, Mg2Si / AM60 composites was prepared by mechanical stirring in situ. Different content of Si powder affect on materials and mechanical properties of Mg2Si / AM60 composites were studied, and identified the optimal dosage of crystalline Si powder. The Mg2Si / AM60 composites strengthening mechanism has been studied. The results show that， with the increase of Si content, the amount of Mg2Si in the solidified samples increases, and its shape becomes more ful1 Chinese script. The tensile strength of 3% Si content was up to 181.7MPa which was more about 14.9%than that of the matrix. However, it would decrease while Si was increased continuously. When 0.8 wt. % Sb was added into the alloys, the shape ofMg2Si could be transformed form the Chinese script into uniformly dispersed partic1es. Therefore, Mg2Si / AM60 composites with more desirable microstructure Can be obtained. By studying the Mg2Si / AM60 composites with different parameters (load, Si mass fraction, sliding speed) on the friction and wear performance found that with the increase of Si content, Mg2Si / AM60 friction and wear properties was reinforced. With increase of Si content, the wear mass of Mg2Si / AM60 composites continued to decrease. Mg2Si / AM60 composites can postpone the arrival of inflection point. Under the conditions of the various parameters, got a in-depth study on the process of wear mechanism. Key word: in-situ； magnesium matrix composites； friction and wear； semi-solid； 目 錄 第一章 緒 論 . 1 1.1 鎂合金應用概述 . 1 1.2 鎂合金開發(fā)的新材料及其 制備工藝 . 1 1.3 鎂合金在汽車工業(yè)中的應用前景 . 1 1.4 本文主要工作 . 3 第二章 Mg2Si/AM60 復合材料的制備工藝 . 5 2.1 引言 . 5 2.2 實驗材料及過程 . 8 第三章 Mg2Si/AM60 復合材料摩擦磨損性能的研究 . 12 3.1 原位合成技術(shù)的概述 . 12 3.2 Mg2Si/AM60 復合材料制備工藝過程 . 12 3.3 Mg2Si/AM60 復合材料摩擦磨損性能實驗 . 14 3.4 實驗參數(shù)對磨損量影響規(guī)律 . 15 3.4.1 試驗載荷對復合材料磨損量影響規(guī)律 . 15 3.4.2 Si 含量對復合材料磨損量影響規(guī)律 . 16 3.4.3 滑動速度對復合材料磨損量影響規(guī)律 . 17 3.5 磨損表面特征 . 18 3.5.1 試驗載荷對復合材料磨面形貌的影響 . 18 3.5.2 Si含量對復合材料磨面形貌的影響 . 19 3.5.3 滑動速度對復合材料磨面形貌的影響 . 20 3.6 磨損機理 . 21 3.6.1 磨料磨損 . 21 3.6.2 氧化磨損 . 21 3.6.3 粘著磨損 . 22 3.6.4 剝層磨損 . 22 第四章 結(jié)論與展望 . 24 參考文獻 . 26 致謝 . 27 1 第一章 緒論 1.1 鎂合金應用概述 鎂合金作 為最輕質(zhì)的金屬工程結(jié)構(gòu)材料，因其具有比重輕、比強度、比剛度高；阻尼減振、降噪能力、抗輻射能力強，特別適合在交通工具、手動工具、航空航天及國防軍工等領(lǐng)域應用。但塑性差、強度低、彈性模量低、耐蝕性和耐熱性差等缺點限制了鎂合金在工業(yè)上的應用 1-4。眾所周知，復合材料既能保留原有材料的主要特性，還能通過材料復合獲得原組分不具備的性能。復合材料按增強體類型可分為：疊層式復合材料、片材增強復合材料、顆粒增強復合材料、纖維增強復合材料 5。因此，通過向鎂合金中加入高強度，高彈性模量，高熱穩(wěn)定性能的晶須、纖維、顆粒等制備復合材料已成為開發(fā)應用鎂合金的重要手段之一。 1.2 鎂合金開發(fā)的新材料及其制備工藝 目前，以 Mg2Si為增強相制備復合材料的方法有很多，不少研究所對 Mg2Si的制備、形態(tài)控制做了深入的研究。蘭州理工大學的臧樹俊 53釆用燃燒合成法制備了 Mg2Si/Al復合材料，并通過優(yōu)化工藝參數(shù)制備了高密度 Mg2Si/Al 復合材料。中科院沈陽金屬所張健 54在空氣中以純鋁、鎂、硅為原料在石墨坩堝電阻爐中釆用普通鑄造方法制備了 Mg2Si/Al 復合材料。 Mabuchi 等通過熔體旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備出具有高室溫強度的 Mg2Si/Mg 復合材料，發(fā)現(xiàn)該復合材料在 773K 時呈現(xiàn)出較高應變率的超塑性，組織中的 Mg2Si 增強顆粒分布彌散、尺寸細小。當前研究集中在鋁基復合材料制備，本文結(jié)合 Mg2Si 增強鋁基復合材料的制備經(jīng)驗，運用原位自生成功制備出 Mg2Si/AM60 復合材料，并就 Si 的含量對Mg2Si/AM60 復合材料組織性能的影響進行了研究。 1.3 鎂合金在汽車工業(yè)中的應用前景 近年來 , 由于人們對產(chǎn)品輕量化的要求日益迫切，鎂合金性能的不斷改善及壓鑄技術(shù)的顯 著進步，壓鑄鎂合金的用量顯著增長。特別是人類對汽車提出了進一步減輕重量、降低燃耗和排放、提高駕駛安全性和舒適性的要求 , 對汽車采用新的概念設(shè)計，這為鎂合金在汽車工業(yè)中的應用開僻了更加廣闊的領(lǐng)域。鎂合金壓鑄技術(shù)正飛速發(fā)展。此外，鎂合金壓鑄件已逐步擴大到其他領(lǐng)域，如航空器上的通信設(shè)備和雷達機殼，以及一些家用電器具等。 進入 90 年代以來，我國汽車 工業(yè) 領(lǐng)域有了極大的發(fā)展，單就轎車擁有量的增長幅度就高達 91 倍，汽車輕量化、高速、節(jié)能等問題也日益突出， 但是 ， 90年代前期 國內(nèi)只有上海乾通汽車附件有限公司為上海大眾汽車公司 的桑塔納轎 2 車配套生產(chǎn)的變速箱殼體是利用德國技術(shù)由鎂合金壓鑄生產(chǎn)的，鎂合金用量僅為8.5kg/輛，而國外汽車的鎂合金用量平均為 40kg/輛，可見要達到世界標準、提高產(chǎn)品競爭力，我國汽車行業(yè) 還有較長的路要走 。 1998 年，中科院現(xiàn)代制造技術(shù) CAD/CAM 開放試驗室、中科院金屬材料疲勞與斷裂國家重點試驗室、沈陽工業(yè)大學和中國第一汽車集團聯(lián)合進行了鎂合金壓鑄研究及開發(fā)項目。 “九五 ”期間，北京有色金屬總院國家有色金屬復合材料工程技術(shù)研究中心和東風汽車公司共同承擔了國家 “九五 ”科技攻關(guān)項目 “轎車鋁、鎂合金新材料及鑄造 生產(chǎn)技術(shù)的應用研究 ”專題子項 “鎂合金材料在轎車上的應用研究 ”，目前對鎂合金零件的使用性能 的 檢驗 已完成，下屬東風電子科技汽車制動系統(tǒng)公司正在進行批量化生產(chǎn)擴展 。 1999 年，清華大學與力勁公司聯(lián)手創(chuàng)立了 “清華 -力勁壓鑄高新技術(shù)研究中心 ”，旨在實現(xiàn)進口鎂合金壓鑄設(shè)備國產(chǎn)化，開發(fā)汽車、計算機等行業(yè)鎂合金零部件的生產(chǎn)新工藝，為鎂合金大規(guī)模的應用提供裝備與技術(shù)保障，目前已邁出了可喜的一步，實現(xiàn)了鎂合金壓鑄機關(guān)鍵進口部件的國產(chǎn)化，具備了向國內(nèi)企業(yè)提供 鎂壓鑄 裝備的能力， 現(xiàn)在已經(jīng)制造出了 160-3000 噸冷、熱室兩大系列共 10 多款機型， 而且壓鑄機的自控精度已與國外壓鑄機相當，使生產(chǎn)高質(zhì)量的鎂合金壓鑄件成為可能 2001 年 8 月，我國將 鎂合金應用與開發(fā) 列為國家計委和科技部聯(lián)合下發(fā)的十五 國家科技發(fā)展規(guī)劃中材料領(lǐng)域的重點任務(wù)，同時 鎂合金應用開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化 作為十五計劃的第一批項目正式啟動。項目正式啟動后一年多時間內(nèi)，共投入國撥經(jīng)費 4100 萬元，吸引各方面資金近億元；全國共有 21 個省市自治區(qū)的個研究院所、所高校、 20 家企業(yè)直接參與了項目實施。 按照科技部在“鎂合金應用開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”方面的總體戰(zhàn)略部署，目前取得了顯著的階段 性成果，初步建立了鎂合金技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化試點的技術(shù)研發(fā)體系，突破了一批前沿核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，在全國建立了一批產(chǎn)業(yè)化示范基地。未來汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢可以概括為“三化”，即輕量化、電子化和計算機信息化。所謂輕量化，是指采用高新技術(shù)開發(fā)的新材料，以減小汽車整備質(zhì)量。能夠使汽車實現(xiàn)輕量化的新材料主要是指：用輕質(zhì)的有色金屬材料取代鋼、鐵、銅等，如鋁合金和鎂合金。其中鋁合金已得到廣泛認同和應用，目前奧迪全鋁車身、寶馬全鋁底盤等都已生產(chǎn)出來。而鎂合金是近年來正在興起的新材料，這是由于鎂冶煉技術(shù)進一步提高，鎂的價格 也得以逐漸下降了，而且鎂與鋁結(jié)合后表現(xiàn)出非常好的壓鑄性能和加工性能。因此有人預計，全世界對汽車鎂合金的需求量每年將遞增 20%以上。 3 汽車工業(yè)可能采用鎂壓鑄件的場合大致可分成兩大類：一類是以鎂取代原先以其它材料用作壓鑄件的領(lǐng)域；另一類是直至目前還在采用焊接鋼結(jié)構(gòu)或鋁板材料的場合。對于前者，最常見的是以鎂壓鑄件替換鋅壓鑄件。雖然這兩種材料有同等的鑄造特性，但若全面衡量質(zhì)量與成本因素，選用鎂顯然更加合理。例如，點火裝置外殼、變速器外殼、進氣歧管等，都有成功改用鎂壓鑄件的實例。此外，鎂與硅、錳、鋅的合金能在高溫下快 速降低蠕變張力，這對于要承受巨大機械應力和較高工作溫度的發(fā)動機缸體，采用鎂壓鑄件也是很理想的。在北美，一些大型豪華轎車和小型運輸車都已采用單一鎂鑄件取代了過去組合式鋼結(jié)構(gòu)來制作儀表盤座。 鎂鑄件取代組合式鋼結(jié)構(gòu)來制作儀表盤座 近年來，許多種轎車鑄件開始采用鎂合金，以適應汽車輕量化的要求。這些鎂合金鑄件包括：離合 器外殼、變速器外殼、變速器上蓋、發(fā)動機罩蓋、轉(zhuǎn)向盤、座椅支架、儀表盤框架、車門內(nèi)板、輪輞、轉(zhuǎn)向支架、制動支架、氣門支架等，甚至還有缸蓋和缸體。 60 多種汽車零部件已采用或正在開發(fā)應用鎂合金。 雖然中國為全球最大鎂金屬生產(chǎn)國，也有如上文中所列舉的可喜成績，但相對來說鎂合金汽車零部件制造商到目前為止仍寥寥無幾，汽車制造業(yè)使用鎂合金零部件并不多。目前，越來越多的汽車零部件制造商意識到鎂合金零件的優(yōu)點，在近幾年來，已有多家企業(yè)投資建設(shè)了鎂合金壓鑄生產(chǎn)線專用于汽車零部件的生產(chǎn)，咨詢投資鎂合金壓鑄項目的企業(yè)也在不斷增多， 可以預見，在解決了鎂合金材料價格、壓鑄裝備國產(chǎn)化、鎂合金汽車零部件開發(fā)技術(shù)及鎂合金零件加工工藝不斷成熟后，鎂合金在中國的汽車工業(yè)上的應用將會迅速增長起來。 1.4 本文主要工作 1. 介紹原位合成鎂基復合材料的方法。 2. 介紹原位鎂基復合材料的性能。 3. 介紹 AM60 復合材料的制備過程。 4 4. 介紹原位鎂基復合材料磨損的研究。 5 第二章 Mg2Si/AM60 復合材料的制備工藝 2.1 引言 目前，增強體的原位合成避免了外加增強體易受污染和熔鑄過程中存在的增強體和基體合金的潤根性等問題，反應生成的增強體在基體 合金中的分布一般都比較均勻。這種原位自生復合材料與普通合金的制備工藝接近，一般來說，不需要添加任何特殊的工藝設(shè)備，較有效地解決了傳統(tǒng)復合材料的高成本問題，可獲得較理想的優(yōu)異機械性能，適于大批量的工業(yè)生產(chǎn)，從而滿足對商性能金屬基復合材料的地切需求。 原位合成技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種制備顆粒增強鎂基復合材料的方法。其原理是在一定條件下通過元素之間或元素與化合物之間的化學發(fā)應，在Mg 基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的增強相，從而達到強化基體的目的。利用原位反應合成法制備金屬基復合材料，在同等條件下，其 力學性能一般都高于外加法制備的復合材料。與制備金屬基復合材料的傳統(tǒng)的外加方法相比，原位合成法有如下優(yōu)點 (1)由于增強相是在基體內(nèi)形核和長大的，其含量、大小及分布可以更好地加以控制： (2)原位形成的增強相在基體中具有較好的熱力學穩(wěn)定性； (3)增強相表面潔凈無污染，與基體有較強的界面結(jié)合強度； (4)原位形成的增強相尺寸細小，在基體中分布均勻，使復合材料具有更高的力學性能； (5)省去了增強相單獨合成、處理和加入等程序，從而具有工藝簡單、制備成本低等優(yōu)點。 原位反應合成法是一種很有前途的合成技術(shù)，在技術(shù)上 和經(jīng)濟上占有絕對優(yōu)勢，它已基本上實現(xiàn)了鋁、鈦基復合材料制備工藝的多樣化，而對原位制備顆粒增強鎂基復合材料的研究起步較晚，大部分工藝和反應體系尚處于試驗和開發(fā)研究階段，故原位合成工藝成為顆粒增強 Mg 基復合材料研究的熱點。目前，原位合成顆粒增強鎂基復合材料所采用的制備方法主要包括自蔓延高溫合成法、放熱反應法、直接反應合成法、機械合金化法、混合鹽反應法等。 1、自蔓延高溫合成 (SHS) 6 自蔓延高溫合成 (Self-P ropagating High-temperature Synthesis， SHS)，是 20世紀 60 年代中期由前蘇聯(lián)科學院院士 Merzhanov和 Borovimskaya 及其同事首次提出的。自蔓延高溫合成技術(shù)基本原理是將含有兩種或兩種以上物質(zhì)的混合物壓坯的一端進行點火引燃或?qū)⒄麄€混合物坯塊快速加熱至燃點使其發(fā)生化學反應，放出的熱量蔓延引起未反應的鄰近部分繼續(xù)燃燒反應，直至全部完成，就可以得到復合材料的毛坯，反應的生成物即為增強相，它彌散分布于基體中，顆粒尺寸可達亞微米至微米級 SHS 方法合成顆粒增強鎂基復合材料是最近幾年發(fā)展起來的。中國科學院金屬研究所董群等人利用自發(fā)滲透和 SHS 相結(jié)合的方法制備了 TiC Mg 復合材料，此方法避免了常規(guī)方法中顆粒與基體間的界面污染和化學反應等問題，同時通過液態(tài)鎂的自發(fā)滲透達到復合材料的致密化。盡管 SHS 法有很多優(yōu)點，但由于在高溫下反應，合成的材料內(nèi)部易產(chǎn)生大量氣孔，通常需經(jīng)過二次加工才能使用，增加了材料的制造成本。 2、放熱反應法 (XD) 放熱反應法 (exothermic dispersion)簡稱 XD 法，是美國 Martin Maritta Laborotory 在前蘇聯(lián)科學家 Marzhanov 發(fā)明的 SHS 法的基礎(chǔ)上改進而來。其基本原理是將增強相組分與金屬粉末以一定比例均勻混合 ，冷壓或熱壓成型，制成坯塊，以一定的加熱速率預熱試樣。在一定溫度范圍內(nèi) (通常是高于基體的熔點而低于增強相的熔點 )，增強相各組分之間通過化學反應，生成增強相。它的優(yōu)點是可控制強化相體積分數(shù)及類型，可調(diào)整工藝參數(shù)，改變強化相粒子大小，并進行近終成型 KuruviUa et a1 用 XD 法制備了 20vol TiB2復合材料，由于放熱反應后制得的復合材料疏松多孔，因此進行了軋制。組織分析表明，除了分布均勻的約 l u m的 TiB2 顆粒以外，復合材料中還一些粗大的。 MxTi相。反應是一個短暫的過程，因而基體與強化相之 間的界面反應大大減弱。基體與增強體之間的界面干凈，結(jié)合好，增強體的含量可在大范圍內(nèi)變化，既可以提高強度，又可以降低密度，且由于增強顆粒是通過高溫放熱反應生成，因而熱穩(wěn)定性好。另外， XDI 藝設(shè)備簡單，節(jié)省能源。因此該方法具有很高的使用價值。但是該方法工藝技巧性很強，難度高，不易掌握。 3、直接反應合成法 (DRS) DRS 法是在 XD 法的基礎(chǔ)上衍生而來的。其基本原理是將反應物以粉料或壓坯形式直接加入到金屬熔體中，通過熔體的熱量引發(fā)反應物和熔體內(nèi)的合金元素之間進行化學反應，從而原位生成所需增強相，再通過機械攪拌，使 增強 7 相進一步彌散。山東工業(yè)大學的于華順 1141 利用該法首次在 Mg Li 合金液 q JIlA Si02 粉末成功制備 TMgO M92Si顆粒增強 Mg-Li基復合材料。對其顯微組織觀察表明：反應生成的 MgO 及 M92Si 尺寸細小 (小于 5urn)，分布均勻；粒子與基體界面清晰，無過渡層及其它附加物，界面結(jié)合良好。他們還通過液淬實驗和顯微組織分析，首次建專 fTSi02 與 Mg Li 熔體反應的動力學模型，并獲得 TSi02 與 Mg Li 熔體反應的速度表達式。哈爾濱工業(yè)大學張二林【 15】等人進一步發(fā)展了用來制備原位 TiC 顆粒增強 Al 基復合材料的 DRS 技術(shù)。其工藝是將 Al、 Ti 和 c 粉混合粉料壓坯直接加入到 Al 熔體中，利用 Al 液的熱量引發(fā)放熱反應，生成所需的增強體。研究表明參加反應的主要是壓坯當中的舢，而不是熔體的舢。根據(jù)實驗結(jié)果還建立 A1 Ti C 體系的反應動力學方程。與XD 法的區(qū)別是，該法不需要預先將基體合金制成粉末，而將基體合金錠或塊體熔化至適當溫度即可。且該方法具有成本低廉、工藝簡單、增強體與基體結(jié)合好等優(yōu)點，而且可以通過鑄造的方法制備形狀復雜和尺寸較大的復合材料鑄件，應用范圍較廣，市場潛力大。 4、機械合金化法 機械合金化 (Mechanical Alloying)是一種非平衡態(tài)下的粉末固態(tài)合金化方法，它的制備原理是將各種材料的粉末在高能球磨機中長時間球磨，經(jīng)過磨球和粉之間的碰撞作用，粉末粒子反復地被擠壓，產(chǎn)生變形、破碎、細化、壓聚，促使粉末間通過擴散和固態(tài)反應等一系列復雜的物理化學過程而形成合金粉末或復合材料【 161。機械合金化 (MA)技術(shù)的最大特點是制備材料不受相律支配，可以比較自由地選擇金屬和構(gòu)成相，晶粒細小，可細化到納米尺寸。 Lai et a1 J 將 5wt Mg、 17 15wt A1和 Ti02粉通過 MA技術(shù)制備 TMgO Mg-A1 Ti復合材料，差熱 CDSC 分析表明：未經(jīng)高能球磨的混合粉料加熱到 500也沒有反應發(fā)生，然而球磨以后的粉料在 390就有明顯的反應發(fā)生；此外，經(jīng)過 400退火以后，復合材料巾 Ti02 已經(jīng)完全消失，并且有 MgAl204 相生成。 Lu et a1和E1 Eskandarany ct a1【 19】還分別采用 M 爭 Si和 Mg Fe203 粉利用 MA 技術(shù)成功制備了原位 M92Si Mg 和 M90 Mg復合材料。近年來隨著機械合金化制備技術(shù)的發(fā)展，將純 Mg、 Si粉末進行機械球磨，不僅可以制備出 M92Si增強的鎂基復合材料，而且還由于機械合金化過程中所造成的粉末顆粒的極度細化和顆粒內(nèi)部嚴重機械變形，大大地增加了合金的表面積和表面原子活性以及內(nèi)部缺陷， I 因 JltM92Si 的形成速率加快，其尺寸也較傳統(tǒng)鑄造法制備的 M92Si 8 尺寸細小。另外，采用球磨的方式還具有工藝簡單成本低廉的優(yōu)點。機械合金化制備的材料是粉末，要經(jīng)過后續(xù)處理才能應用，因而成本較高。目前關(guān)于機械合金化制備 Mg Si合金及其復合材料的報道并不多。 5、混合鹽反應法 混合鹽反應法是 London Scandinavian 冶金公司提出的一種生產(chǎn)復合材料的新工 藝。它的特點是基于現(xiàn)有的冶煉工藝，制備過程容易控制，有著良好的應用前景。其基本原理是將含 B 和 Ti 的混合鹽直接加入到鎂熔體中，鹽中的 B 和Ti 被鎂還原出來，進而在鎂熔液中合成 TiB2，除去不必要的副產(chǎn)物后澆鑄，即得內(nèi)生 TiB2 顆粒增強的鎂基復合材料【 201。 Matinl21】等人將 KBF4 和 K2 TiF6兩種混合鹽加入鎂熔體中制備出了硼化物增強的鎂基復合材料。 X ray 衍射實驗證實，在復合材料中合成了硼化物，實驗發(fā)現(xiàn)，溫度和反應時間呢對合成物有比較重要的影響，得出的制備條件為：反應時間 30min、反應溫度 1023K。并從熱力學角度證實了該原位反應的可行性，同時否定了混合鹽之間自發(fā)反應生成 TiB2 的可能性。盡管在實驗室已研究開發(fā)出了多種原位鎂基復合材料制備工藝，生產(chǎn)制備了不少種類的原位鎂基復合材料，但由于研究時間較短，許多應用項目剛起步，還存在不少問題。解決的問題，如何控制增強粒子的均勻性和防止粒子的粗化 .而且，在反應過程中，如果控制不當，會生成有害化合物而割裂金屬基體使其力學性能降低與自蔓延高溫合成法、放熱反應法、機械合金化法、混合鹽法相比，直接反應法具有制備工藝簡單，材料制造成本低廉，反應容易控制，增強相與 基體相容性好等優(yōu)點日益受到材料工作者的重視。本文采用這種原位反應工藝制備 M92Si Mg復合材料，并研究材料的顯微組織和力學性能。 2.2 實驗材料及過程 2.2.1 復合材料的制備 本實驗中所選取的基體材料是 AM60 屬 AM 系鎂合金， AM 系鎂合金由于含鋁量相對較低，使合金中含鋁的二次化合物相的析出量減少，故該系合金具有優(yōu)良的塑性和韌性，強度則有所降低。主要合金為 AM60， AM50。其中 AM60B為高純牌號，與 AZ91D 一樣具有優(yōu)良的耐蝕性能，用于要求較高塑性、韌性和耐蝕性的場合代替 AZ91D 合金，制 作經(jīng)受沖擊載荷、安全性能要求較高的零部件。其液相線溫度為 6150C，固相線溫度為 5400C。它的化學成分如下表所示： 9 表 2.1 AM60 鎂合金的化學成分 元素 Al Mn Zn Si Fe Cu Ni 其它 Mg 含量 5.58 0.33 0.17 0.03 0.001 0.005 0.005 0.004 其余 本文選用 Mg2Si 為增強相，主要是因為 Mg2Si的密度（ 1.88g/cm3）與基體Mg 的密度（ 1.74g/cm3）相差不大，因此，可減小顆粒的沉降現(xiàn)象。而且 Mg2Si在 Mg 中的溶解度很小，也 不會與基體合金發(fā)生固相反應，是鎂合金的一種理想增強相。 實驗合金坯料的熔煉在電阻坩鍋爐（見圖 2.1）中進行，與鋁合金不同，熔融鎂合金表面的氧化膜是不致密的（相對密度為 0.79），不能保護合金繼續(xù)被氧化。熔融鎂合金的氧化速度隨溫度的升高而增加，以致發(fā)生燃燒。因此，熔煉鎂合金時，必須采取抗氧化、阻燃的措施，如用溶劑覆蓋或保護氣氛下進行操作。熔煉鎂合金時對熔劑的要求如下表所示： 表 2.2 熔煉鎂合金所需熔劑的性能要求 熔劑的性能要求 說明 熔點比合金低 在熔煉過程中先于合金熔化為液體 在 7000C-8000C 時，密度比合金大 保證熔劑質(zhì)點由金屬液中沉淀下去 有足夠的流動性和表面張力，在合金液表面形成連續(xù)的覆蓋膜 不致因比重較合金大而沉入合金液中 良好的精煉性能，能從合金中排除氧化物及其它非金屬夾雜物 凈化合金液 化學性質(zhì)穩(wěn)定，不與鎂及合金的其它組分起化學反應 10 1、調(diào)速電機 2、控溫設(shè)備和溫度顯示表 3、熱電偶 4、吸液管 5、攪拌葉片 6、加熱電阻絲 7、坩堝 8、半固態(tài)合金 9、真空表 10、真空罐 11、真空泵 圖 2.3 機械攪拌裝置 以上熔劑綜合性能要求不是某一種化合物所能達到的 ，因此，實用的熔劑都是由幾種氯鹽和氟鹽組成的混合物。因此本實驗采用自制覆蓋劑進行保護，覆蓋劑的化學成分見表 2.4 如下所示。 表 2.4 熔劑的化學成分 成份 MgCl2 KCl BaCl2 CaF2 質(zhì)量分數(shù) 41% 49% 5% 5% 合金熔煉是在熔劑和氬氣保護下進行，其過程如下： 1）準備工作。對實驗場所進行清理、整理、整頓和清掃。將稱好熔劑（約為鎂合金總量的 1.5%-2.5%）進行干燥處理，確保其干燥。對試驗爐料進行預熱。清理鐘罩，撤渣 勺等熔煉工具 ，刷涂料（石墨 +水玻璃）并預熱。 2） 加料，熔化 .將 坩堝 預熱至暗紅色 （ 約 4000C)） 然后加入事先鋸好并稱重的 爐 料 (AM60)， 將爐溫調(diào)至 8000C， 并用自制 覆蓋劑或 Ar 氣對熔體進行保護，以防止 鎂合金 的氧化燃燒 。 與此同時，將結(jié)晶 Si包于鋁 箔 中，在電阻爐上進行預熱，預熱溫度為 3000C 左右 。 3）加 Si 粉。當鎂熔體溫度達到 7800C-8000C 時保溫，去掉表面的氧化夾渣后，用鐘罩將包于鋁箔中的結(jié)晶 Si粉末壓入合金熔體當中（ Si加入的質(zhì)量分 11 數(shù)分別為 1%、 2.0%、 3%、 4%和 5%），為使結(jié)晶 Si充分溶解和成分分布均勻，反應 15 分鐘后對熔體攪拌 5-10 分鐘 ，在保溫 30 分鐘。 4）真空吸鑄。當溫度降至 7000C 時，采用不銹鋼管聯(lián)通真空測試儀進行真空吸鑄，通過調(diào)節(jié)真空測試儀的真空度來控制熔體的吸鑄長度。 12 第三章 Mg2Si/AM60 復合材料摩擦磨損性能的研究 3.1 原位合成技術(shù)的概述 原位合成技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種制備顆粒增強 鎂基 復合材料的方法。 其原理是在一定條件下通過元素之間或元素與化合物之間的化學發(fā)應，在 Mg 基體內(nèi)原位生成一種 或幾種高 硬度、 高彈性模量 的增強相，從而 實現(xiàn) 強化基體的目的。 相比于外加法所制備復合材料，使用原位合成技術(shù)制備的金屬基復合材料具 有更為優(yōu)越的力學性能。 原位合成法的特點為： (1)由于增強相是在基體內(nèi)形核和長大的，其含量、大小及分布可以更好地加以控制 : (2)增強相在基體中具有較好的熱力學穩(wěn)定性 : (3)增強相表面潔凈無污染， 與基體的界面結(jié)合強度較高； (4)增強相尺寸細小，分布均勻，使復合材料具有更高的力學性能 : (5)不需要單獨合成、處理以及加入增強相，從而簡化工藝，降低制備成本。 3.2 Mg2Si/AM60 復合材料制備工藝過程 本實驗中所選取的基體材料是 AM60 屬 AM 系鎂基合金， AM 系鎂合金由于含鋁量相對較低，使 合金中含鋁的二次化合物相的析出量減少，故該系合金具有優(yōu)良的塑性和韌性，強度則有所降低。代表合金為 AM60， AM50。 AM60B 為高純牌號，具有優(yōu)良的耐蝕性能，可用于具有較高塑性、韌性和耐蝕性能要求的工況下制作的具有高安全性要求的零部件，其化學成分如下表所示： 表 3.1AM60鎂合金的化學成分 本實驗使用 Mg2Si 做為增強相。金屬間化合物 Mg2Si 具有低密度、高楊氏模量、高硬度、高熔點、耐磨性及立方晶體結(jié)構(gòu)等突出特點，它與輕質(zhì)金屬 Mg基體復合制備出的復合材料 Mg2Si/Mg 兼具的 Mg優(yōu)點和的 Mg2Si特性，因而在發(fā)展高溫、耐磨、輕質(zhì)材料等方面有重要的研究價值，在航空航天、汽車船舶等領(lǐng)域有潛在的應用前景。 實驗合金坯料的熔煉在電阻坩堝爐中進行，熔融鎂合金表面沒有致密的氧化 13 膜，因此無法防止合金繼續(xù)被氧化。熔融鎂合金的氧化速度隨溫度升高而增加，甚至發(fā)生燃燒，因此，在熔煉鎂合金時，必須采取抗氧化、阻燃的措施，如用熔劑覆蓋或保護氣氛下進行操作。熔煉鎂合金時對熔劉的要求如下表： 但上述熔劑性能要求不是某一種化合物所能達到的，因此，實用的熔劑都是由幾種 氯鹽和氟鹽組成的混合物。因此本實驗采用自制覆蓋劑進行保護，覆蓋劑的化學成分見下表： 合金熔煉是在熔劑和氬氣保護下進行，其過程如下： 準備工作。對試驗場所進行清理、整理、整頓和清掃。將稱好溶劑（約為鎂合金總量的 1.5%-2.5%） 進行干燥處理，確保其干燥。對試驗爐料進行預熱。清理鐘罩，撤渣勺等熔煉工具，刷涂料（石墨 +水玻璃）并預熱。 加料，熔化。將坩堝預熱至暗紅色（約 400），然后加入事先鋸好并稱重的爐料（ AM60），將爐溫調(diào)至 800，并用自制覆蓋劑或氣對熔體進行保護，以防止鎂合金的氧化燃燒，與此同時 ，將結(jié)晶包于鋁箔中，在電阻爐上進行預熱，預熱溫度為 300左右。 加 Si。當鎂熔體溫度達到 780 -800時保溫，去掉表面的氧化夾渣后，用鐘罩將包于鋁箔中的結(jié)晶粉末壓入合金熔體當中（加入的質(zhì)量分數(shù)分別為 1%、2%、 3%、 4%、 5%），為使結(jié)晶充分溶解和成分分布均勻，反應 15 后對熔體進行拌 5-10MIN，再保溫 30MIN。 真空吸鑄。當溫度降至 700時，采用不銹鋼管聯(lián)通真空測試儀進行真空吸鑄，通過調(diào)節(jié)真空測試儀的真空度來控制熔體的吸鑄長度。 14 3.3 Mg2Si/AM60 復合材料摩擦磨損性能實驗 目前，顆 粒增強鎂基復合材料摩擦磨損性能的研究已引起了國內(nèi)外研究機構(gòu)的廣泛重視。在很長一段時間里，人們對摩擦的研究較深入對摩擦理解和理論研究也較透徹，而對磨損的理解和研究遠遠不夠，磨損雖然是普遍存在的現(xiàn)象，但其種類多相互關(guān)系復雜。本章在前文復合材料力學性能的基礎(chǔ)上，對Mg2Si/AM60 復合材料進行了摩擦磨損性能的研究。 3.3.1 實驗設(shè)備及相關(guān)參數(shù) 試驗名稱：干滑動摩擦磨損試驗。試驗溫度： 15 20 ，試驗設(shè)備： M2000型磨損試驗機，外觀如圖 3.1 所示，參數(shù)設(shè)定：對磨環(huán)釆用 20Cr，淬火硬度（ HRC）為 53。 （ a）磨損機 (b) 電子天平 (a)Wear machine (b)balance 圖 3.1 磨損機及天平 Fig3.1: Wear machine and the balance 3.3.2 實驗過程描述 (1)實驗試樣用線切割從鑄件分離下來，用牌號為 1000#水砂紙打磨表面，直至達到尺寸為 7 7 30 銷形件的要求。 試樣在磨損前后 用酒精在超聲清洗機中洗 凈， 去油污， 吹風機吹 干后 在精度為 0.0001g 的電子天平上 進行稱量， 防止 因殘余的油污會影響試驗數(shù)據(jù)的準確性 ，并用掃描電鏡觀察磨損表面。 (2)本實驗釆用 稱重法 測定磨損性能， 兩試樣之間的摩擦所引起的磨損量，可以采用精度達萬分之一的分析天平稱量出試樣試驗前 后 重量之差而獲得。計算式： W=W0W1 式中： W 試樣的磨損量 W0試樣在驗前的重量 15 W1試樣在試驗后的重量 實驗方案如表 3.1： 表 3.1 實驗方案 Fig3.1 Experimental program 參數(shù) Si質(zhì)量分數(shù) 滑動速度 外 加載荷 摩擦時間 第一組 0%、 1%、 3%、 5% 0.5m/s 20N、 30N、 60N、 80N 5min 第二組 0%、 1%、 3%、 5% 1m/s 20N、 30N、 60N、 80N 5min 3.4 實驗參數(shù)對磨損量影響規(guī)律 3.4.1 試驗載荷對復合材料磨損 量 影響 規(guī)律 圖 3.2 所示為 AM60+Si Xwt.%的磨損量隨載荷變化圖，其中 X 分別為 0、 1、3、 5。由圖中可看出，隨著載荷的增加， Mg2Si/AM60 復合材料和基體鎂合金磨損量都隨之增加，但復合材料的磨損量明顯要比基體 AM60 鎂合金磨損量低，并隨著復合材料里 Si含量的增加，磨損量逐漸降低。 圖中可見，在載荷相對較低的情況下，基體鎂合金和復合材料的磨損量差異非常小，隨著載荷的增加，兩者差異越來越大。其中，基體 AM60 鎂合金大約在載荷 60N 后不久，就出現(xiàn)了微量磨損到嚴重磨損的轉(zhuǎn)變，當載荷達到 80N 時，磨損量大約是載荷為 20N 時的 2.25 倍。而復合材料在載荷 60N 以下時，曲線變化較平緩，復合材料磨損量比 AM60 基體要小得多。 Si含量為 1%時，載荷達到80N，磨損量也沒有大的增幅，可以推斷，復合材料此時仍是微量磨損。 16 圖 3.2 磨損量隨載荷的變 化 Fig3.2: Change of wear with load 通過對比 Mg2Si AM60 復合材料和基體 AM60 磨損量以及磨損機制拐點，足以表明， Mg2Si AM60 復合材料推遲了由微量磨損到嚴重磨損轉(zhuǎn)變拐點的到來，有效地改善了耐磨性能。 3.4.2 Si含量對復合材料磨損 量 影響 規(guī)律 圖 3.3 為 Si含量和磨損量之間的關(guān)系曲線，如圖所示，復合材料階段，曲線斜率變化較小，說明復合材料耐磨性較好，磨損量小，主要原因是隨著 Si 含量的增加，復合材料硬度增加， Mg2Si增強相密度增大，耐磨性得到增強。 通過觀 察，載荷為 20N、 30N 兩條曲線在圖的最下方，且曲線切線接近水平線。這表明，在低載荷的條件下，基體和復合材料的磨損量都很低，并且兩者磨損量很接近。由載荷為 60N 的曲線可見， Si 質(zhì)量分數(shù)大于 1wt.%時，曲線斜率變化緩慢，當 Si質(zhì)量分數(shù)減少到 1wt.%時，曲線斜率開始變大，而在 0wt.%時，曲線斜率明顯變大，說明 AM60 基體在此條件下磨損機制有轉(zhuǎn)變的趨勢，復合材料仍是微量磨損。 80N 的曲線在 Si 質(zhì)量分數(shù)為 1wt.%時有一明顯拐點存在， Si質(zhì)量分數(shù)大于 1wt.%階段，。 80N 曲線斜率比 20N、 30N、 60N 曲 線稍大，說明，隨著載荷的增加，復合材料磨損量有所增加，但增幅不大。在小于 1wt.%階段，我們可看到，曲線斜率明顯變大，和前一段直線呈約 70，說明，當載荷增加到80N 時，基體 AM60 鎂合金磨損量急劇上升。 20 30 40 50 60 70 800 .0 1 50 .0 2 00 .0 2 50 .0 3 00 .0 3 50 .0 4 0wear mass loss /Nl o a d / NA M 6 0M g 2 S i / A M 6 0 ( S i w t 1 %)M g 2 S i / A M 6 0 ( S i w t 3 %)M g 2 S i / A M 6 0 ( S i w t 5 %) 17 圖 3.3 Si 含量的影響 Fig3.3 Affection of Si 通過分析，可得出，當載荷在 30N 以下時，基體鎂合金和復合材料磨損量都較小，且相互差異不大，當載荷達到 80N 時，基體鎂合金已磨損機制已從微量磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閲乐啬p，而復合材料磨損機制并未發(fā)生改變。復合材料有效地延遲了磨損機制轉(zhuǎn)變 。 3.4.3 滑動速度對復合材料磨損 量 影響 規(guī)律 圖 3.4 是基體 AM60 和含 Si質(zhì)量分數(shù)為 1wt.%時， Mg2Si/AM60 復合材料不同滑動速度對磨損量影響規(guī)律。由滑動速度對 AM60 基體磨損量的影響規(guī)律可看出，整個磨損過程中，磨損機制在高速、低速都有變化，磨損量也隨著載荷的增加而加大，但總體上滑動速度對基體磨損量影響不大，磨損規(guī)律也相似。高速比低速磨損磨損量稍有減小，主要原因是 AM60 材料比較軟，隨著速度的增加，摩擦溫度隨之升高，接觸表面塑性變好，此外，金屬鎂在高溫條件下，有自潤滑功能，因此，摩擦速度增加 ，基體 AM60 鎂合金的磨損量反而有所降低。圖中含Si 質(zhì)量分數(shù)為 1wt.%復合材料磨損量受摩擦速度的影響規(guī)律看出，速度變化，磨損量未發(fā)生大的改變。加速后載荷小于 30N 的條件下，高速磨損量比低速要小，主要原因是低載下，較高的滑動速度會使摩擦溫度略有升高，易在磨面表層形成氧化膜，抗磨損。其次，增強體 Mg2Si以漢字狀分布在材料中并和基體結(jié)合緊密，低載下無力使 Mg2Si嵌入基體，摩擦接觸面上 Mg2Si承擔了主要載荷，因此磨損量相對較小。在 60N80N 的條件下，高速磨損量比低速時多，主要原因是在高載荷、高速條件下 ，高速摩擦溫度比低速高得多， Mg2Si/AM60 復合材料中基體材料變軟，部分氧化膜脫落，形成磨粒。此外， Mg2Si 熱穩(wěn)定好、耐熱0 .0 0 0 .0 1 0 .0 2 0 .0 3 0 .0 4 0 .0 50 .0 1 50 .0 2 00 .0 2 50 .0 3 00 .0 3 50 .0 4 020 N30 N60 N80 Nwear mass loss /gSi w t . % 18 性強、變形小，在高溫下和基體硬度差異進一步加大， 最終 Mg2Si 可能因受力嵌入軟基體，形成長而深的犁削溝，所以相對磨損量要多。 圖 3.4 滑動速度的影響 Fig3.4:Affection of speed 上文分別對加載載荷、 Si含量、加載速度因素對復合材料磨損量的影響加以論述。在實際應用中，影響因素非常多，環(huán)境因素、摩擦對偶件材料和磨損工作條件都會影響磨損結(jié)果，這包括有溫 度、濕度及周圍介質(zhì)、材料成分、組織及工作表面物理化學性能，載荷、速度等運動方式。此外，磨損機理也是多種多樣，在摩擦磨損過程中并不是單獨作用的，