镁合金复合材料摩擦磨损性能的研究

摘要 颗粒增强镁基复合材料由于具有高比强度、高比刚度和较好的阻尼性能，在航空航天、机械电子、汽车制造业中有着广阔的应用前景。本文研究内容主要包括：在镁合金 AM60 基体里加入 Si 粉，釆用机械搅拌法原位制备 Mg2Si /AM60 复合材料，研究不同质量分数 Si 粉对 Mg2Si /AM60 复合材料组织和性能的影响，优选出结晶 Si 粉加入质量分数，并对 Mg2Si /AM60 复合强化机理进行了研究。结果表明， 随着 Si 含量的增加，原位自生的 Mg2Si 数量增加，其树枝晶更加发达，抗拉强度也随着 Si含量的增加而提高 。 Si含量达到 3%，抗拉轻度达 181.7Mpa，比基体的 158.1Mpa 提高了 14.9%，继续加大 Si 最抗拉强度反而下降。加入0.8wt.%Sb 可使 Mg2Si 的形态由粗大的树枝状转变为细小的颗粒状，从而获得了较理想的 Mg2Si 复合材料的组织。 研究 Mg2Si /AM60 复合材料不同参数（载荷、 Si 质量分数、滑动速度）对摩擦磨损性能影响和各种工况条件下的磨损机理。发现随着 Si 质量分数的增加，复合材料摩擦磨损性能得到加强。外加载荷的增加，复合材料磨损量持续增加，Mg2Si /AM60 复合材料有效推迟 AM60 基体 微量磨损向严重磨损转变拐点的到来。对各个摩擦磨损过程中的磨损机理进行了深入的研究。 关键词 ：原位合成；镁基复合材料；摩擦磨损；半固态； 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 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 镁合金应用概述 . 1 1.2 镁合金开发的新材料及其 制备工艺 . 1 1.3 镁合金在汽车工业中的应用前景 . 1 1.4 本文主要工作 . 3 第二章 Mg2Si/AM60 复合材料的制备工艺 . 5 2.1 引言 . 5 2.2 实验材料及过程 . 8 第三章 Mg2Si/AM60 复合材料摩擦磨损性能的研究 . 12 3.1 原位合成技术的概述 . 12 3.2 Mg2Si/AM60 复合材料制备工艺过程 . 12 3.3 Mg2Si/AM60 复合材料摩擦磨损性能实验 . 14 3.4 实验参数对磨损量影响规律 . 15 3.4.1 试验载荷对复合材料磨损量影响规律 . 15 3.4.2 Si 含量对复合材料磨损量影响规律 . 16 3.4.3 滑动速度对复合材料磨损量影响规律 . 17 3.5 磨损表面特征 . 18 3.5.1 试验载荷对复合材料磨面形貌的影响 . 18 3.5.2 Si含量对复合材料磨面形貌的影响 . 19 3.5.3 滑动速度对复合材料磨面形貌的影响 . 20 3.6 磨损机理 . 21 3.6.1 磨料磨损 . 21 3.6.2 氧化磨损 . 21 3.6.3 粘着磨损 . 22 3.6.4 剥层磨损 . 22 第四章 结论与展望 . 24 参考文献 . 26 致谢 . 27 1 第一章 绪论 1.1 镁合金应用概述 镁合金作 为最轻质的金属工程结构材料，因其具有比重轻、比强度、比刚度高；阻尼减振、降噪能力、抗辐射能力强，特别适合在交通工具、手动工具、航空航天及国防军工等领域应用。但塑性差、强度低、弹性模量低、耐蚀性和耐热性差等缺点限制了镁合金在工业上的应用 1-4。众所周知，复合材料既能保留原有材料的主要特性，还能通过材料复合获得原组分不具备的性能。复合材料按增强体类型可分为：叠层式复合材料、片材增强复合材料、颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料 5。因此，通过向镁合金中加入高强度，高弹性模量，高热稳定性能的晶须、纤维、颗粒等制备复合材料已成为开发应用镁合金的重要手段之一。 1.2 镁合金开发的新材料及其制备工艺 目前，以 Mg2Si为增强相制备复合材料的方法有很多，不少研究所对 Mg2Si的制备、形态控制做了深入的研究。兰州理工大学的臧树俊 53釆用燃烧合成法制备了 Mg2Si/Al复合材料，并通过优化工艺参数制备了高密度 Mg2Si/Al 复合材料。中科院沈阳金属所张健 54在空气中以纯铝、镁、硅为原料在石墨坩埚电阻炉中釆用普通铸造方法制备了 Mg2Si/Al 复合材料。 Mabuchi 等通过熔体旋转技术制备出具有高室温强度的 Mg2Si/Mg 复合材料，发现该复合材料在 773K 时呈现出较高应变率的超塑性，组织中的 Mg2Si 增强颗粒分布弥散、尺寸细小。当前研究集中在铝基复合材料制备，本文结合 Mg2Si 增强铝基复合材料的制备经验，运用原位自生成功制备出 Mg2Si/AM60 复合材料，并就 Si 的含量对Mg2Si/AM60 复合材料组织性能的影响进行了研究。 1.3 镁合金在汽车工业中的应用前景 近年来 , 由于人们对产品轻量化的要求日益迫切，镁合金性能的不断改善及压铸技术的显 著进步，压铸镁合金的用量显著增长。特别是人类对汽车提出了进一步减轻重量、降低燃耗和排放、提高驾驶安全性和舒适性的要求 , 对汽车采用新的概念设计，这为镁合金在汽车工业中的应用开僻了更加广阔的领域。镁合金压铸技术正飞速发展。此外，镁合金压铸件已逐步扩大到其他领域，如航空器上的通信设备和雷达机壳，以及一些家用电器具等。 进入 90 年代以来，我国汽车 工业 领域有了极大的发展，单就轿车拥有量的增长幅度就高达 91 倍，汽车轻量化、高速、节能等问题也日益突出， 但是 ， 90年代前期 国内只有上海乾通汽车附件有限公司为上海大众汽车公司 的桑塔纳轿 2 车配套生产的变速箱壳体是利用德国技术由镁合金压铸生产的，镁合金用量仅为8.5kg/辆，而国外汽车的镁合金用量平均为 40kg/辆，可见要达到世界标准、提高产品竞争力，我国汽车行业 还有较长的路要走 。 1998 年，中科院现代制造技术 CAD/CAM 开放试验室、中科院金属材料疲劳与断裂国家重点试验室、沈阳工业大学和中国第一汽车集团联合进行了镁合金压铸研究及开发项目。 “九五 ”期间，北京有色金属总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心和东风汽车公司共同承担了国家 “九五 ”科技攻关项目 “轿车铝、镁合金新材料及铸造 生产技术的应用研究 ”专题子项 “镁合金材料在轿车上的应用研究 ”，目前对镁合金零件的使用性能 的 检验 已完成，下属东风电子科技汽车制动系统公司正在进行批量化生产扩展 。 1999 年，清华大学与力劲公司联手创立了 “清华 -力劲压铸高新技术研究中心 ”，旨在实现进口镁合金压铸设备国产化，开发汽车、计算机等行业镁合金零部件的生产新工艺，为镁合金大规模的应用提供装备与技术保障，目前已迈出了可喜的一步，实现了镁合金压铸机关键进口部件的国产化，具备了向国内企业提供 镁压铸 装备的能力， 现在已经制造出了 160-3000 吨冷、热室两大系列共 10 多款机型， 而且压铸机的自控精度已与国外压铸机相当，使生产高质量的镁合金压铸件成为可能 2001 年 8 月，我国将 镁合金应用与开发 列为国家计委和科技部联合下发的十五 国家科技发展规划中材料领域的重点任务，同时 镁合金应用开发与产业化 作为十五计划的第一批项目正式启动。项目正式启动后一年多时间内，共投入国拨经费 4100 万元，吸引各方面资金近亿元；全国共有 21 个省市自治区的个研究院所、所高校、 20 家企业直接参与了项目实施。 按照科技部在“镁合金应用开发及产业化”方面的总体战略部署，目前取得了显著的阶段 性成果，初步建立了镁合金技术研发到产业化试点的技术研发体系，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术，在全国建立了一批产业化示范基地。未来汽车技术的发展趋势可以概括为“三化”，即轻量化、电子化和计算机信息化。所谓轻量化，是指采用高新技术开发的新材料，以减小汽车整备质量。能够使汽车实现轻量化的新材料主要是指：用轻质的有色金属材料取代钢、铁、铜等，如铝合金和镁合金。其中铝合金已得到广泛认同和应用，目前奥迪全铝车身、宝马全铝底盘等都已生产出来。而镁合金是近年来正在兴起的新材料，这是由于镁冶炼技术进一步提高，镁的价格 也得以逐渐下降了，而且镁与铝结合后表现出非常好的压铸性能和加工性能。因此有人预计，全世界对汽车镁合金的需求量每年将递增 20%以上。 3 汽车工业可能采用镁压铸件的场合大致可分成两大类：一类是以镁取代原先以其它材料用作压铸件的领域；另一类是直至目前还在采用焊接钢结构或铝板材料的场合。对于前者，最常见的是以镁压铸件替换锌压铸件。虽然这两种材料有同等的铸造特性，但若全面衡量质量与成本因素，选用镁显然更加合理。例如，点火装置外壳、变速器外壳、进气歧管等，都有成功改用镁压铸件的实例。此外，镁与硅、锰、锌的合金能在高温下快 速降低蠕变张力，这对于要承受巨大机械应力和较高工作温度的发动机缸体，采用镁压铸件也是很理想的。在北美，一些大型豪华轿车和小型运输车都已采用单一镁铸件取代了过去组合式钢结构来制作仪表盘座。 镁铸件取代组合式钢结构来制作仪表盘座 近年来，许多种轿车铸件开始采用镁合金，以适应汽车轻量化的要求。这些镁合金铸件包括：离合 器外壳、变速器外壳、变速器上盖、发动机罩盖、转向盘、座椅支架、仪表盘框架、车门内板、轮辋、转向支架、制动支架、气门支架等，甚至还有缸盖和缸体。 60 多种汽车零部件已采用或正在开发应用镁合金。 虽然中国为全球最大镁金属生产国，也有如上文中所列举的可喜成绩，但相对来说镁合金汽车零部件制造商到目前为止仍寥寥无几，汽车制造业使用镁合金零部件并不多。目前，越来越多的汽车零部件制造商意识到镁合金零件的优点，在近几年来，已有多家企业投资建设了镁合金压铸生产线专用于汽车零部件的生产，咨询投资镁合金压铸项目的企业也在不断增多， 可以预见，在解决了镁合金材料价格、压铸装备国产化、镁合金汽车零部件开发技术及镁合金零件加工工艺不断成熟后，镁合金在中国的汽车工业上的应用将会迅速增长起来。 1.4 本文主要工作 1. 介绍原位合成镁基复合材料的方法。 2. 介绍原位镁基复合材料的性能。 3. 介绍 AM60 复合材料的制备过程。 4 4. 介绍原位镁基复合材料磨损的研究。 5 第二章 Mg2Si/AM60 复合材料的制备工艺 2.1 引言 目前，增强体的原位合成避免了外加增强体易受污染和熔铸过程中存在的增强体和基体合金的润根性等问题，反应生成的增强体在基体 合金中的分布一般都比较均匀。这种原位自生复合材料与普通合金的制备工艺接近，一般来说，不需要添加任何特殊的工艺设备，较有效地解决了传统复合材料的高成本问题，可获得较理想的优异机械性能，适于大批量的工业生产，从而满足对商性能金属基复合材料的地切需求。 原位合成技术是近几年发展起来的一种制备颗粒增强镁基复合材料的方法。其原理是在一定条件下通过元素之间或元素与化合物之间的化学发应，在Mg 基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的增强相，从而达到强化基体的目的。利用原位反应合成法制备金属基复合材料，在同等条件下，其 力学性能一般都高于外加法制备的复合材料。与制备金属基复合材料的传统的外加方法相比，原位合成法有如下优点 (1)由于增强相是在基体内形核和长大的，其含量、大小及分布可以更好地加以控制： (2)原位形成的增强相在基体中具有较好的热力学稳定性； (3)增强相表面洁净无污染，与基体有较强的界面结合强度； (4)原位形成的增强相尺寸细小，在基体中分布均匀，使复合材料具有更高的力学性能； (5)省去了增强相单独合成、处理和加入等程序，从而具有工艺简单、制备成本低等优点。 原位反应合成法是一种很有前途的合成技术，在技术上 和经济上占有绝对优势，它已基本上实现了铝、钛基复合材料制备工艺的多样化，而对原位制备颗粒增强镁基复合材料的研究起步较晚，大部分工艺和反应体系尚处于试验和开发研究阶段，故原位合成工艺成为颗粒增强 Mg 基复合材料研究的热点。目前，原位合成颗粒增强镁基复合材料所采用的制备方法主要包括自蔓延高温合成法、放热反应法、直接反应合成法、机械合金化法、混合盐反应法等。 1、自蔓延高温合成 (SHS) 6 自蔓延高温合成 (Self-P ropagating High-temperature Synthesis， SHS)，是 20世纪 60 年代中期由前苏联科学院院士 Merzhanov和 Borovimskaya 及其同事首次提出的。自蔓延高温合成技术基本原理是将含有两种或两种以上物质的混合物压坯的一端进行点火引燃或将整个混合物坯块快速加热至燃点使其发生化学反应，放出的热量蔓延引起未反应的邻近部分继续燃烧反应，直至全部完成，就可以得到复合材料的毛坯，反应的生成物即为增强相，它弥散分布于基体中，颗粒尺寸可达亚微米至微米级 SHS 方法合成颗粒增强镁基复合材料是最近几年发展起来的。中国科学院金属研究所董群等人利用自发渗透和 SHS 相结合的方法制备了 TiC Mg 复合材料，此方法避免了常规方法中颗粒与基体间的界面污染和化学反应等问题，同时通过液态镁的自发渗透达到复合材料的致密化。尽管 SHS 法有很多优点，但由于在高温下反应，合成的材料内部易产生大量气孔，通常需经过二次加工才能使用，增加了材料的制造成本。 2、放热反应法 (XD) 放热反应法 (exothermic dispersion)简称 XD 法，是美国 Martin Maritta Laborotory 在前苏联科学家 Marzhanov 发明的 SHS 法的基础上改进而来。其基本原理是将增强相组分与金属粉末以一定比例均匀混合 ，冷压或热压成型，制成坯块，以一定的加热速率预热试样。在一定温度范围内 (通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔点 )，增强相各组分之间通过化学反应，生成增强相。它的优点是可控制强化相体积分数及类型，可调整工艺参数，改变强化相粒子大小，并进行近终成型 KuruviUa et a1 用 XD 法制备了 20vol TiB2复合材料，由于放热反应后制得的复合材料疏松多孔，因此进行了轧制。组织分析表明，除了分布均匀的约 l u m的 TiB2 颗粒以外，复合材料中还一些粗大的。 MxTi相。反应是一个短暂的过程，因而基体与强化相之 间的界面反应大大减弱。基体与增强体之间的界面干净，结合好，增强体的含量可在大范围内变化，既可以提高强度，又可以降低密度，且由于增强颗粒是通过高温放热反应生成，因而热稳定性好。另外， XDI 艺设备简单，节省能源。因此该方法具有很高的使用价值。但是该方法工艺技巧性很强，难度高，不易掌握。 3、直接反应合成法 (DRS) DRS 法是在 XD 法的基础上衍生而来的。其基本原理是将反应物以粉料或压坯形式直接加入到金属熔体中，通过熔体的热量引发反应物和熔体内的合金元素之间进行化学反应，从而原位生成所需增强相，再通过机械搅拌，使 增强 7 相进一步弥散。山东工业大学的于华顺 1141 利用该法首次在 Mg Li 合金液 q JIlA Si02 粉末成功制备 TMgO M92Si颗粒增强 Mg-Li基复合材料。对其显微组织观察表明：反应生成的 MgO 及 M92Si 尺寸细小 (小于 5urn)，分布均匀；粒子与基体界面清晰，无过渡层及其它附加物，界面结合良好。他们还通过液淬实验和显微组织分析，首次建专 fTSi02 与 Mg Li 熔体反应的动力学模型，并获得 TSi02 与 Mg Li 熔体反应的速度表达式。哈尔滨工业大学张二林【 15】等人进一步发展了用来制备原位 TiC 颗粒增强 Al 基复合材料的 DRS 技术。其工艺是将 Al、 Ti 和 c 粉混合粉料压坯直接加入到 Al 熔体中，利用 Al 液的热量引发放热反应，生成所需的增强体。研究表明参加反应的主要是压坯当中的舢，而不是熔体的舢。根据实验结果还建立 A1 Ti C 体系的反应动力学方程。与XD 法的区别是，该法不需要预先将基体合金制成粉末，而将基体合金锭或块体熔化至适当温度即可。且该方法具有成本低廉、工艺简单、增强体与基体结合好等优点，而且可以通过铸造的方法制备形状复杂和尺寸较大的复合材料铸件，应用范围较广，市场潜力大。 4、机械合金化法 机械合金化 (Mechanical Alloying)是一种非平衡态下的粉末固态合金化方法，它的制备原理是将各种材料的粉末在高能球磨机中长时间球磨，经过磨球和粉之间的碰撞作用，粉末粒子反复地被挤压，产生变形、破碎、细化、压聚，促使粉末间通过扩散和固态反应等一系列复杂的物理化学过程而形成合金粉末或复合材料【 161。机械合金化 (MA)技术的最大特点是制备材料不受相律支配，可以比较自由地选择金属和构成相，晶粒细小，可细化到纳米尺寸。 Lai et a1 J 将 5wt Mg、 17 15wt A1和 Ti02粉通过 MA技术制备 TMgO Mg-A1 Ti复合材料，差热 CDSC 分析表明：未经高能球磨的混合粉料加热到 500也没有反应发生，然而球磨以后的粉料在 390就有明显的反应发生；此外，经过 400退火以后，复合材料巾 Ti02 已经完全消失，并且有 MgAl204 相生成。 Lu et a1和E1 Eskandarany ct a1【 19】还分别采用 M 争 Si和 Mg Fe203 粉利用 MA 技术成功制备了原位 M92Si Mg 和 M90 Mg复合材料。近年来随着机械合金化制备技术的发展，将纯 Mg、 Si粉末进行机械球磨，不仅可以制备出 M92Si增强的镁基复合材料，而且还由于机械合金化过程中所造成的粉末颗粒的极度细化和颗粒内部严重机械变形，大大地增加了合金的表面积和表面原子活性以及内部缺陷， I 因 JltM92Si 的形成速率加快，其尺寸也较传统铸造法制备的 M92Si 8 尺寸细小。另外，采用球磨的方式还具有工艺简单成本低廉的优点。机械合金化制备的材料是粉末，要经过后续处理才能应用，因而成本较高。目前关于机械合金化制备 Mg Si合金及其复合材料的报道并不多。 5、混合盐反应法 混合盐反应法是 London Scandinavian 冶金公司提出的一种生产复合材料的新工 艺。它的特点是基于现有的冶炼工艺，制备过程容易控制，有着良好的应用前景。其基本原理是将含 B 和 Ti 的混合盐直接加入到镁熔体中，盐中的 B 和Ti 被镁还原出来，进而在镁熔液中合成 TiB2，除去不必要的副产物后浇铸，即得内生 TiB2 颗粒增强的镁基复合材料【 201。 Matinl21】等人将 KBF4 和 K2 TiF6两种混合盐加入镁熔体中制备出了硼化物增强的镁基复合材料。 X ray 衍射实验证实，在复合材料中合成了硼化物，实验发现，温度和反应时间呢对合成物有比较重要的影响，得出的制备条件为：反应时间 30min、反应温度 1023K。并从热力学角度证实了该原位反应的可行性，同时否定了混合盐之间自发反应生成 TiB2 的可能性。尽管在实验室已研究开发出了多种原位镁基复合材料制备工艺，生产制备了不少种类的原位镁基复合材料，但由于研究时间较短，许多应用项目刚起步，还存在不少问题。解决的问题，如何控制增强粒子的均匀性和防止粒子的粗化 .而且，在反应过程中，如果控制不当，会生成有害化合物而割裂金属基体使其力学性能降低与自蔓延高温合成法、放热反应法、机械合金化法、混合盐法相比，直接反应法具有制备工艺简单，材料制造成本低廉，反应容易控制，增强相与 基体相容性好等优点日益受到材料工作者的重视。本文采用这种原位反应工艺制备 M92Si Mg复合材料，并研究材料的显微组织和力学性能。 2.2 实验材料及过程 2.2.1 复合材料的制备 本实验中所选取的基体材料是 AM60 属 AM 系镁合金， AM 系镁合金由于含铝量相对较低，使合金中含铝的二次化合物相的析出量减少，故该系合金具有优良的塑性和韧性，强度则有所降低。主要合金为 AM60， AM50。其中 AM60B为高纯牌号，与 AZ91D 一样具有优良的耐蚀性能，用于要求较高塑性、韧性和耐蚀性的场合代替 AZ91D 合金，制 作经受冲击载荷、安全性能要求较高的零部件。其液相线温度为 6150C，固相线温度为 5400C。它的化学成分如下表所示： 9 表 2.1 AM60 镁合金的化学成分 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 本文选用 Mg2Si 为增强相，主要是因为 Mg2Si的密度（ 1.88g/cm3）与基体Mg 的密度（ 1.74g/cm3）相差不大，因此，可减小颗粒的沉降现象。而且 Mg2Si在 Mg 中的溶解度很小，也 不会与基体合金发生固相反应，是镁合金的一种理想增强相。 实验合金坯料的熔炼在电阻坩锅炉（见图 2.1）中进行，与铝合金不同，熔融镁合金表面的氧化膜是不致密的（相对密度为 0.79），不能保护合金继续被氧化。熔融镁合金的氧化速度随温度的升高而增加，以致发生燃烧。因此，熔炼镁合金时，必须采取抗氧化、阻燃的措施，如用溶剂覆盖或保护气氛下进行操作。熔炼镁合金时对熔剂的要求如下表所示： 表 2.2 熔炼镁合金所需熔剂的性能要求 熔剂的性能要求 说明 熔点比合金低 在熔炼过程中先于合金熔化为液体 在 7000C-8000C 时，密度比合金大 保证熔剂质点由金属液中沉淀下去 有足够的流动性和表面张力，在合金液表面形成连续的覆盖膜 不致因比重较合金大而沉入合金液中 良好的精炼性能，能从合金中排除氧化物及其它非金属夹杂物 净化合金液 化学性质稳定，不与镁及合金的其它组分起化学反应 10 1、调速电机 2、控温设备和温度显示表 3、热电偶 4、吸液管 5、搅拌叶片 6、加热电阻丝 7、坩埚 8、半固态合金 9、真空表 10、真空罐 11、真空泵 图 2.3 机械搅拌装置 以上熔剂综合性能要求不是某一种化合物所能达到的 ，因此，实用的熔剂都是由几种氯盐和氟盐组成的混合物。因此本实验采用自制覆盖剂进行保护，覆盖剂的化学成分见表 2.4 如下所示。 表 2.4 熔剂的化学成分 成份 MgCl2 KCl BaCl2 CaF2 质量分数 41% 49% 5% 5% 合金熔炼是在熔剂和氩气保护下进行，其过程如下： 1）准备工作。对实验场所进行清理、整理、整顿和清扫。将称好熔剂（约为镁合金总量的 1.5%-2.5%）进行干燥处理，确保其干燥。对试验炉料进行预热。清理钟罩，撤渣 勺等熔炼工具 ，刷涂料（石墨 +水玻璃）并预热。 2） 加料，熔化 .将 坩埚 预热至暗红色 （ 约 4000C)） 然后加入事先锯好并称重的 炉 料 (AM60)， 将炉温调至 8000C， 并用自制 覆盖剂或 Ar 气对熔体进行保护，以防止 镁合金 的氧化燃烧 。 与此同时，将结晶 Si包于铝 箔 中，在电阻炉上进行预热，预热温度为 3000C 左右 。 3）加 Si 粉。当镁熔体温度达到 7800C-8000C 时保温，去掉表面的氧化夹渣后，用钟罩将包于铝箔中的结晶 Si粉末压入合金熔体当中（ Si加入的质量分 11 数分别为 1%、 2.0%、 3%、 4%和 5%），为使结晶 Si充分溶解和成分分布均匀，反应 15 分钟后对熔体搅拌 5-10 分钟 ，在保温 30 分钟。 4）真空吸铸。当温度降至 7000C 时，采用不锈钢管联通真空测试仪进行真空吸铸，通过调节真空测试仪的真空度来控制熔体的吸铸长度。 12 第三章 Mg2Si/AM60 复合材料摩擦磨损性能的研究 3.1 原位合成技术的概述 原位合成技术是近几年发展起来的一种制备颗粒增强 镁基 复合材料的方法。 其原理是在一定条件下通过元素之间或元素与化合物之间的化学发应，在 Mg 基体内原位生成一种 或几种高 硬度、 高弹性模量 的增强相，从而 实现 强化基体的目的。 相比于外加法所制备复合材料，使用原位合成技术制备的金属基复合材料具 有更为优越的力学性能。 原位合成法的特点为： (1)由于增强相是在基体内形核和长大的，其含量、大小及分布可以更好地加以控制 : (2)增强相在基体中具有较好的热力学稳定性 : (3)增强相表面洁净无污染， 与基体的界面结合强度较高； (4)增强相尺寸细小，分布均匀，使复合材料具有更高的力学性能 : (5)不需要单独合成、处理以及加入增强相，从而简化工艺，降低制备成本。 3.2 Mg2Si/AM60 复合材料制备工艺过程 本实验中所选取的基体材料是 AM60 属 AM 系镁基合金， AM 系镁合金由于含铝量相对较低，使 合金中含铝的二次化合物相的析出量减少，故该系合金具有优良的塑性和韧性，强度则有所降低。代表合金为 AM60， AM50。 AM60B 为高纯牌号，具有优良的耐蚀性能，可用于具有较高塑性、韧性和耐蚀性能要求的工况下制作的具有高安全性要求的零部件，其化学成分如下表所示： 表 3.1AM60镁合金的化学成分 本实验使用 Mg2Si 做为增强相。金属间化合物 Mg2Si 具有低密度、高杨氏模量、高硬度、高熔点、耐磨性及立方晶体结构等突出特点，它与轻质金属 Mg基体复合制备出的复合材料 Mg2Si/Mg 兼具的 Mg优点和的 Mg2Si特性，因而在发展高温、耐磨、轻质材料等方面有重要的研究价值，在航空航天、汽车船舶等领域有潜在的应用前景。 实验合金坯料的熔炼在电阻坩埚炉中进行，熔融镁合金表面没有致密的氧化 13 膜，因此无法防止合金继续被氧化。熔融镁合金的氧化速度随温度升高而增加，甚至发生燃烧，因此，在熔炼镁合金时，必须采取抗氧化、阻燃的措施，如用熔剂覆盖或保护气氛下进行操作。熔炼镁合金时对熔刘的要求如下表： 但上述熔剂性能要求不是某一种化合物所能达到的，因此，实用的熔剂都是由几种 氯盐和氟盐组成的混合物。因此本实验采用自制覆盖剂进行保护，覆盖剂的化学成分见下表： 合金熔炼是在熔剂和氩气保护下进行，其过程如下： 准备工作。对试验场所进行清理、整理、整顿和清扫。将称好溶剂（约为镁合金总量的 1.5%-2.5%） 进行干燥处理，确保其干燥。对试验炉料进行预热。清理钟罩，撤渣勺等熔炼工具，刷涂料（石墨 +水玻璃）并预热。 加料，熔化。将坩埚预热至暗红色（约 400），然后加入事先锯好并称重的炉料（ AM60），将炉温调至 800，并用自制覆盖剂或气对熔体进行保护，以防止镁合金的氧化燃烧，与此同时 ，将结晶包于铝箔中，在电阻炉上进行预热，预热温度为 300左右。 加 Si。当镁熔体温度达到 780 -800时保温，去掉表面的氧化夹渣后，用钟罩将包于铝箔中的结晶粉末压入合金熔体当中（加入的质量分数分别为 1%、2%、 3%、 4%、 5%），为使结晶充分溶解和成分分布均匀，反应 15 后对熔体进行拌 5-10MIN，再保温 30MIN。 真空吸铸。当温度降至 700时，采用不锈钢管联通真空测试仪进行真空吸铸，通过调节真空测试仪的真空度来控制熔体的吸铸长度。 14 3.3 Mg2Si/AM60 复合材料摩擦磨损性能实验 目前，颗 粒增强镁基复合材料摩擦磨损性能的研究已引起了国内外研究机构的广泛重视。在很长一段时间里，人们对摩擦的研究较深入对摩擦理解和理论研究也较透彻，而对磨损的理解和研究远远不够，磨损虽然是普遍存在的现象，但其种类多相互关系复杂。本章在前文复合材料力学性能的基础上，对Mg2Si/AM60 复合材料进行了摩擦磨损性能的研究。 3.3.1 实验设备及相关参数 试验名称：干滑动摩擦磨损试验。试验温度： 15 20 ，试验设备： M2000型磨损试验机，外观如图 3.1 所示，参数设定：对磨环釆用 20Cr，淬火硬度（ HRC）为 53。 （ a）磨损机 (b) 电子天平 (a)Wear machine (b)balance 图 3.1 磨损机及天平 Fig3.1: Wear machine and the balance 3.3.2 实验过程描述 (1)实验试样用线切割从铸件分离下来，用牌号为 1000#水砂纸打磨表面，直至达到尺寸为 7 7 30 销形件的要求。 试样在磨损前后 用酒精在超声清洗机中洗 净， 去油污， 吹风机吹 干后 在精度为 0.0001g 的电子天平上 进行称量， 防止 因残余的油污会影响试验数据的准确性 ，并用扫描电镜观察磨损表面。 (2)本实验釆用 称重法 测定磨损性能， 两试样之间的摩擦所引起的磨损量，可以采用精度达万分之一的分析天平称量出试样试验前 后 重量之差而获得。计算式： W=W0W1 式中： W 试样的磨损量 W0试样在验前的重量 15 W1试样在试验后的重量 实验方案如表 3.1： 表 3.1 实验方案 Fig3.1 Experimental program 参数 Si质量分数 滑动速度 外 加载荷 摩擦时间 第一组 0%、 1%、 3%、 5% 0.5m/s 20N、 30N、 60N、 80N 5min 第二组 0%、 1%、 3%、 5% 1m/s 20N、 30N、 60N、 80N 5min 3.4 实验参数对磨损量影响规律 3.4.1 试验载荷对复合材料磨损 量 影响 规律 图 3.2 所示为 AM60+Si Xwt.%的磨损量随载荷变化图，其中 X 分别为 0、 1、3、 5。由图中可看出，随着载荷的增加， Mg2Si/AM60 复合材料和基体镁合金磨损量都随之增加，但复合材料的磨损量明显要比基体 AM60 镁合金磨损量低，并随着复合材料里 Si含量的增加，磨损量逐渐降低。 图中可见，在载荷相对较低的情况下，基体镁合金和复合材料的磨损量差异非常小，随着载荷的增加，两者差异越来越大。其中，基体 AM60 镁合金大约在载荷 60N 后不久，就出现了微量磨损到严重磨损的转变，当载荷达到 80N 时，磨损量大约是载荷为 20N 时的 2.25 倍。而复合材料在载荷 60N 以下时，曲线变化较平缓，复合材料磨损量比 AM60 基体要小得多。 Si含量为 1%时，载荷达到80N，磨损量也没有大的增幅，可以推断，复合材料此时仍是微量磨损。 16 图 3.2 磨损量随载荷的变 化 Fig3.2: Change of wear with load 通过对比 Mg2Si AM60 复合材料和基体 AM60 磨损量以及磨损机制拐点，足以表明， Mg2Si AM60 复合材料推迟了由微量磨损到严重磨损转变拐点的到来，有效地改善了耐磨性能。 3.4.2 Si含量对复合材料磨损 量 影响 规律 图 3.3 为 Si含量和磨损量之间的关系曲线，如图所示，复合材料阶段，曲线斜率变化较小，说明复合材料耐磨性较好，磨损量小，主要原因是随着 Si 含量的增加，复合材料硬度增加， Mg2Si增强相密度增大，耐磨性得到增强。 通过观 察，载荷为 20N、 30N 两条曲线在图的最下方，且曲线切线接近水平线。这表明，在低载荷的条件下，基体和复合材料的磨损量都很低，并且两者磨损量很接近。由载荷为 60N 的曲线可见， Si 质量分数大于 1wt.%时，曲线斜率变化缓慢，当 Si质量分数减少到 1wt.%时，曲线斜率开始变大，而在 0wt.%时，曲线斜率明显变大，说明 AM60 基体在此条件下磨损机制有转变的趋势，复合材料仍是微量磨损。 80N 的曲线在 Si 质量分数为 1wt.%时有一明显拐点存在， Si质量分数大于 1wt.%阶段，。 80N 曲线斜率比 20N、 30N、 60N 曲 线稍大，说明，随着载荷的增加，复合材料磨损量有所增加，但增幅不大。在小于 1wt.%阶段，我们可看到，曲线斜率明显变大，和前一段直线呈约 70，说明，当载荷增加到80N 时，基体 AM60 镁合金磨损量急剧上升。 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 图 3.3 Si 含量的影响 Fig3.3 Affection of Si 通过分析，可得出，当载荷在 30N 以下时，基体镁合金和复合材料磨损量都较小，且相互差异不大，当载荷达到 80N 时，基体镁合金已磨损机制已从微量磨损转变为严重磨损，而复合材料磨损机制并未发生改变。复合材料有效地延迟了磨损机制转变 。 3.4.3 滑动速度对复合材料磨损 量 影响 规律 图 3.4 是基体 AM60 和含 Si质量分数为 1wt.%时， Mg2Si/AM60 复合材料不同滑动速度对磨损量影响规律。由滑动速度对 AM60 基体磨损量的影响规律可看出，整个磨损过程中，磨损机制在高速、低速都有变化，磨损量也随着载荷的增加而加大，但总体上滑动速度对基体磨损量影响不大，磨损规律也相似。高速比低速磨损磨损量稍有减小，主要原因是 AM60 材料比较软，随着速度的增加，摩擦温度随之升高，接触表面塑性变好，此外，金属镁在高温条件下，有自润滑功能，因此，摩擦速度增加 ，基体 AM60 镁合金的磨损量反而有所降低。图中含Si 质量分数为 1wt.%复合材料磨损量受摩擦速度的影响规律看出，速度变化，磨损量未发生大的改变。加速后载荷小于 30N 的条件下，高速磨损量比低速要小，主要原因是低载下，较高的滑动速度会使摩擦温度略有升高，易在磨面表层形成氧化膜，抗磨损。其次，增强体 Mg2Si以汉字状分布在材料中并和基体结合紧密，低载下无力使 Mg2Si嵌入基体，摩擦接触面上 Mg2Si承担了主要载荷，因此磨损量相对较小。在 60N80N 的条件下，高速磨损量比低速时多，主要原因是在高载荷、高速条件下 ，高速摩擦温度比低速高得多， Mg2Si/AM60 复合材料中基体材料变软，部分氧化膜脱落，形成磨粒。此外， Mg2Si 热稳定好、耐热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 性强、变形小，在高温下和基体硬度差异进一步加大， 最终 Mg2Si 可能因受力嵌入软基体，形成长而深的犁削沟，所以相对磨损量要多。 图 3.4 滑动速度的影响 Fig3.4:Affection of speed 上文分别对加载载荷、 Si含量、加载速度因素对复合材料磨损量的影响加以论述。在实际应用中，影响因素非常多，环境因素、摩擦对偶件材料和磨损工作条件都会影响磨损结果，这包括有温 度、湿度及周围介质、材料成分、组织及工作表面物理化学性能，载荷、速度等运动方式。此外，磨损机理也是多种多样，在摩擦磨损过程中并不是单独作用的，