攪拌熔鑄法制備云母片晶/Mg復(fù)合材料

華小虎 王永輝（西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

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攪拌熔鑄法制備云母片晶/Mg復(fù)合材料

華小虎 王永輝
（西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

摘 要：本文對(duì)采用原位反應(yīng)法—熔融攪拌方法制備高性能云母片晶/Mg復(fù)合材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該實(shí)驗(yàn)基于Mg-Si、Mg-SiO2系統(tǒng)的反應(yīng)熱力學(xué)理論，在鎂合金中加入云母粉，利用Mg-Si合金結(jié)晶的特點(diǎn)，使云母粉與鎂在凝固過(guò)程中反應(yīng)原位生成Mg2Si增強(qiáng)相進(jìn)而獲得的合成鎂基復(fù)合材料。同時(shí)，針對(duì)合成鎂基復(fù)合材料的相組成和組織結(jié)構(gòu)等的分析，利用了X-射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、高溫摩擦磨損等高精度科學(xué)設(shè)備，對(duì)云母加入量對(duì)復(fù)合材料性能造成的影響進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：攪拌熔鑄法；原位復(fù)合；Mg2Si/Mg復(fù)合材料；顯微組織

眾所周知，鎂基復(fù)合材料作為一種優(yōu)秀的輕金屬基復(fù)合結(jié)構(gòu)與功能材料，相對(duì)于純鎂或鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、耐磨性、耐沖擊性和耐高溫性良好的優(yōu)點(diǎn)。此外，它還具有電磁屏蔽和儲(chǔ)氫性等特殊性能，在電子、汽車、航空等高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。目前，鎂基復(fù)合材料的制備研究已經(jīng)取得了許多優(yōu)秀成果，在方法上包含了粉末冶金法（PM法）、鑄造法（Casting Route）、熔體浸滲法、噴射法、薄膜冶金工藝法等。其中，攪拌鑄造方法在制備鎂基復(fù)合材料方面取得了較大的優(yōu)勢(shì)，分為全液態(tài)攪拌鑄造工藝、半固態(tài)攪拌鑄造工藝和攪熔鑄造工藝等，而半固態(tài)成型方式以最大限度降低鎂氧化燒損的優(yōu)勢(shì)獲得了最大的應(yīng)用空間。本實(shí)驗(yàn)研究即在前人方法研究的基礎(chǔ)上，采用攪拌熔鑄法來(lái)制備硅酸鹽片晶云母/Mg復(fù)合材料，并初步分析測(cè)試了其組織結(jié)構(gòu)與性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

金屬鎂（99.8%）；云母粉（天然）；10%的檸檬酸；衍射儀（型號(hào)：XRD-7000）、掃描電子顯微鏡（型號(hào)：德國(guó)蔡司ZEISSEVO18）、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀（型號(hào)：DL-III）和金相顯微鏡（型號(hào)OM-1）。實(shí)驗(yàn)研究方案則如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)攪拌熔鑄法制備高性能硅酸鹽片晶/Mg復(fù)合材料，采用真空攪拌法在半固態(tài)基體合金熔體中形成渦流，以引入增強(qiáng)顆粒，混合均勻后升溫澆鑄，凝固得到所需隔熱、耐磨和其他性能優(yōu)異的鎂基復(fù)合材料。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）按照實(shí)驗(yàn)配方配置坯料。

（2）用不同規(guī)格的砂紙對(duì)材料表面進(jìn)行粗加工。

（3）用研缽對(duì)天然的片狀云母進(jìn)行研磨至粉末。

（4）在真空爐中600℃素?zé)?，保?h。

（5）待降溫后取出，用砂輪初磨修整。

（6）采用不同規(guī)格的砂紙精加工成型。

圖1 實(shí)驗(yàn)研究方案

圖2 云母/Mg復(fù)合材料XRD衍射圖譜

（7）對(duì)試樣表面進(jìn)行抗氧化處理。

（8）使用10%的檸檬酸對(duì)材料表面進(jìn)行腐蝕。

（9）最后清洗試樣進(jìn)行表面修飾處理。

1.3 測(cè)試試樣的制備

（1）X射線衍射試樣制備

將金屬塊狀試樣粗磨成一個(gè)平面，其平面面積為20×20mm。為了測(cè)量殘余奧氏體，測(cè)量金屬樣品的微觀應(yīng)力，我們對(duì)樣品表面進(jìn)行精加工打磨，并制成金相樣品，用10%檸檬酸清洗，進(jìn)行拋光，以消除表面應(yīng)變層。對(duì)于斷口的衍射分析，則要求相對(duì)平整并提供所含元素。

（2）導(dǎo)熱試樣的制備

實(shí)驗(yàn)樣品制樣直徑一般小于30mm，高小于10mm。如果是很薄的試樣，采用多層疊加法，而本實(shí)驗(yàn)材料取樣尺寸大小為20×20mm的金屬塊狀，將其表面粗磨、清洗、10%檸檬酸酸洗、烘干、并用保溫材料保溫。

（3）掃描電鏡試樣制備

掃描電鏡試樣制備須滿足以下要求：保持完好的組織和細(xì)胞形態(tài)；充分暴露需要觀察的位置，保持充分干燥的狀態(tài)；有良好的導(dǎo)電性和較高的二次電子產(chǎn)額。本試樣尺寸大小為10×10mm，其高度為5mm，對(duì)樣品表面進(jìn)行精加工、打磨、清洗、10%檸檬酸酸洗、烘干，并用導(dǎo)電膠把試樣粘結(jié)在樣品座上，即可放在掃描電鏡中觀察。

（4）高溫摩擦磨損試樣制備

高溫摩擦磨損主要是為研究復(fù)合材料與原材料的耐磨性。材料表面的耐磨性與材料表面的粗糙度有關(guān)，而與接觸面積的大小無(wú)關(guān)。依據(jù)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，分為動(dòng)摩擦和靜摩擦。現(xiàn)制備出尺寸大小為20×20mm的塊狀Mg復(fù)合材料；另一組則為純凈Mg金屬，其尺寸為20×20mm，將其打磨、拋光、酸洗以及烘干。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 X射線衍射分析

如圖2所示，圖中凸起的部分都為典型的MFI結(jié)構(gòu)衍射峰，并且有峰高強(qiáng)度和積分強(qiáng)度之分。峰高代表衍射強(qiáng)度，峰位則代表衍射角，峰寬代表結(jié)晶程度。半峰寬接近儀器的自然寬度，則結(jié)晶度較高；而衍射峰寬闊而彌散，則結(jié)晶度較小。同時(shí)，峰越高，衍射強(qiáng)度越大，晶粒越大，結(jié)晶越完美；反之峰越寬越矮，這可能是晶粒比較小、結(jié)晶較差導(dǎo)致的。圖中Mg衍射強(qiáng)度最大，結(jié)晶程度較好；而Mg2Si的衍射強(qiáng)度較小，結(jié)晶也較差；Si的衍射角較大，其衍射強(qiáng)度最小，結(jié)晶程度也最小。

2.2 金相組織分析

在Mg基復(fù)合材料中，我們可以觀測(cè)到孔洞的存在，這有可能是鑄造過(guò)程中帶入了一定數(shù)量的空氣，凝固過(guò)程中氣體不斷出和溶化的合金不能及時(shí)補(bǔ)充而造成的，并且基體上可能還保留有一定的氧化膜，這些氧化膜在凝固過(guò)程中形成，隨后被保留在基體組織中。

2.3 SEM掃描電鏡

在5000倍掃描電子顯微鏡下，我們可以清楚地觀察到白色的云母顆粒附著在Mg基上，標(biāo)志著試樣中已經(jīng)有云母的存在。二次電子是掃描電鏡最常用的物理信號(hào)，它對(duì)樣品表面特征反應(yīng)靈敏，分辨率高。我們可以明顯觀察到Mg基的大小形態(tài)、分布程度、斷裂方式以及結(jié)構(gòu)等微觀特征。

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

通常，物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)兩種方式來(lái)獲得。熱導(dǎo)率一般與壓力關(guān)系不大，但受溫度的影響很大。純金屬和大多數(shù)液體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低，但水例外。另一方面，非金屬和氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。晶體冷卻時(shí)，它的熱導(dǎo)率增加極快。此外，固態(tài)物料的熱導(dǎo)率還與它的含濕量、結(jié)構(gòu)和孔隙度有關(guān)。一般含濕量大的物料熱導(dǎo)率大，且物質(zhì)的密度大；金屬含雜質(zhì)時(shí)熱導(dǎo)率降低，合金的熱導(dǎo)率比純金屬低。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定的Mg基復(fù)合材料因結(jié)構(gòu)、孔隙度、雜質(zhì)等影響，導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低。另外，天然云母具有良好的絕緣性和隔熱性能，所以Mg基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)降低。

2.5 高溫摩擦磨損的分析

在高強(qiáng)韌的Mg金屬基體試樣中加入較為均勻分布的增強(qiáng)相，磨損應(yīng)力則主要由增強(qiáng)相承擔(dān)，基體主要起連接支撐增強(qiáng)相、協(xié)調(diào)變形和承受沖擊應(yīng)力的作用。但復(fù)合材料成分分布、相分布復(fù)雜多變，難以獲得準(zhǔn)確的接觸應(yīng)力和摩擦溫度系數(shù)。原位Mg2Si/Mg復(fù)合材料含有硬質(zhì)相Mg2Si顆粒，具有良好的耐磨性，可以顯著提高通信、汽車、電力等零件的使用壽命，其磨損機(jī)理是微觀切削和脆性剝落磨損共同疊加作用的結(jié)果。由于Mg基體較軟，磨損表面只是軟的Mg基體時(shí)，壓力使磨料垂直鍥入表面，切向力使磨料與表面做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨損面被剪切，但在Mg基體上分布有硬質(zhì)的Mg2Si增強(qiáng)相時(shí)，Mg2Si/Mg復(fù)合材料的耐磨性提高。由于Si在Mg中的溶解度很小，幾乎不固溶，所以加入的云母完全和Mg反應(yīng)生成Mg2Si。Si的存在增加了Mg基體的承載能力，起到了硬質(zhì)點(diǎn)的作用，軟的基體上分布著硬質(zhì)點(diǎn)有利于提高材料耐磨性。一般來(lái)說(shuō)，Mg2Si/Mg復(fù)合材料的耐磨性是由硬質(zhì)相Mg2Si和基體兩者的磨損機(jī)制共同決定的。因此，Mg2Si/Mg復(fù)合材料的摩擦系數(shù)大于純凈Mg。

結(jié)論

與全液態(tài)攪拌鑄造工藝和攪熔鑄造工藝相比，半固態(tài)攪拌成型降低了鎂在高溫下的氧化燒損程度，且工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，適用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)制備的Mg2Si/Mg復(fù)合材料，使Mg2Si增強(qiáng)顆粒主要分布于晶界之間，絕緣性能絕熱性能和耐磨性能相對(duì)于純鎂都有了顯著提高。

參考文獻(xiàn)

［1］于化順.金屬基復(fù)合材料及其制備技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］張發(fā)云，閆洪，陳國(guó)香. SiCp/AZ61鎂基復(fù)合材料制備工藝和性能的研究［J］.鑄造，2007，56（6）.

資助項(xiàng)目：西安科技大學(xué)培育基金（201303）。

中圖分類號(hào)：O163

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A