Mg含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料組織與性能的影響

俞德新 程世偉 張恒華

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444; 2.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444; 3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444)

由于具有高的比強(qiáng)度、較好的力學(xué)性能和耐磨性能，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已成為近年來新材料開發(fā)的重要方向[1- 2]。然而由于SiC顆粒與鋁合金熔體之間較難潤(rùn)濕，會(huì)導(dǎo)致顆粒在鋁合金中分布不均勻，因此如何減小SiC顆粒與鋁合金結(jié)合處的固- 液界面能，使增強(qiáng)顆粒與鋁合金熔體能良好地潤(rùn)濕是研究的熱點(diǎn)[3- 4]。SiC顆粒在鋁合金熔體中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)SiC顆粒與鋁合金熔體的潤(rùn)濕和提高二者界面的結(jié)合強(qiáng)度，但同時(shí)SiC顆粒與熔體的界面處也往往會(huì)發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng)。加入某些元素如Mg、Ca、Ti、Zr等，可改善SiC顆粒與鋁合金熔體的潤(rùn)濕性，降低鋁合金熔體的表面張力，減小固- 液界面能，從而促進(jìn)潤(rùn)濕。有研究[5- 6]表明，Mg在促進(jìn)SiC顆粒進(jìn)入鋁合金熔體、使顆粒在鋁合金中均勻分布的作用比La、Zr、Ti、Bi、Co、Zn等元素更明顯。添加了鎂的鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐蝕性好等特點(diǎn)[7]。鎂可減小熔體的表面張力，促進(jìn)顆粒表面的SiO2氧化膜與鋁合金熔體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)SiO2+Al+Mg→MgAl2O4+Si。鎂比鋁活潑，會(huì)優(yōu)先與氧反應(yīng)使氧化鋁膜破裂，有利于明顯改善A356合金與SiC顆粒的潤(rùn)濕性，也有利于兩者的復(fù)合并在顆粒表面形成新的強(qiáng)化相，從而降低固- 液界面能。此外，文獻(xiàn)[8]指出，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于12%、鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.2%的鋁合金將有Mg2Si強(qiáng)化相形成。而A356鋁合金中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%左右，鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%左右，且兩者電負(fù)性相差較大，所以有形成Mg2Si強(qiáng)化相的傾向，從而提高復(fù)合材料的強(qiáng)度[9]。

本文采用半固態(tài)攪拌鑄造法，以550 r/min的攪拌速度在600 ℃攪拌30 min，制備了不同鎂含量的SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料，觀察、測(cè)試和分析了復(fù)合材料的顯微組織、力學(xué)性能和摩擦磨損性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用SiC顆粒的粒徑為60 μm，加入量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)?；w材料為A356鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。在加入攪拌前，對(duì)鎂進(jìn)行表面處理以去除氧化膜。

表1 試驗(yàn)用A356鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the tested A356 aluminum alloy (mass fraction) %

將鋁合金原料放入電阻爐的坩堝內(nèi)加熱到720 ℃并保溫一段時(shí)間，隨后降溫到600 ℃保溫，加入經(jīng)過氧化處理并預(yù)熱的SiC顆粒和不同量的鎂，以550 r/min的攪拌速度攪拌30 min，隨后快速升溫到720 ℃澆注。然后拍攝金相照片，采用Image- Pro Plus軟件統(tǒng)計(jì)復(fù)合材料中SiC顆粒的含量。采用HITACHI SU- 1500SEM觀察SiC顆粒的分布狀態(tài)。在MMS- 2A型磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定復(fù)合材料的磨損率，試樣尺寸為3 mm×7 mm×10 mm，摩擦副材料為內(nèi)徑16 mm、外徑40 mm、厚10 mm的合金鑄鐵圓環(huán)，硬度為55 HRC，試驗(yàn)力為100 N，上試樣保持靜止，下試樣轉(zhuǎn)速為200 r/min。根據(jù)阿基米德原理測(cè)定基體合金和復(fù)合材料的密度，計(jì)算其孔隙率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鎂含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料顯微組織的影響

圖1為SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料的元素面分布SEM圖，結(jié)合圖2復(fù)合材料的XRD圖譜可知，鎂與硅以具有一定寬度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相鄰分布于基體中。由圖2可知，當(dāng)鎂加入量低于2%時(shí)，復(fù)合材料的物相主要為基體Al、SiC和Si；當(dāng)鎂加入量增加到2%和3%時(shí)，復(fù)合材料的物相主要為基體Al、SiC、Si和Mg2Si，即隨著鎂含量的增加，SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料中Mg2Si相的含量逐漸增多。

圖1 SiC增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料的SEM形貌和鋁、硅、鎂的SEM分布圖Fig.1 SEM morphology and distribution patterns of aluminum, silicon and magnesium for the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

圖3為不同鎂含量的SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料的顯微組織。結(jié)合圖1可知，圖3中白色部分為α(Al)，灰色部分為Al和Si的共晶體。同時(shí)可以看出，隨著鎂含量的增加，共晶硅的尺寸減小，且逐漸成網(wǎng)狀分布。其原因是，鋁合金在凝固過程中，由于加入的溶質(zhì)原子在固液兩相中的擴(kuò)散速率相差較大，使固- 液界面前沿的液相中鎂的濃度增大，導(dǎo)致成分過冷[10]。圖3中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是鋁合金在凝固過程中的最后部位，鋁熔體在凝固處生成Mg2Si強(qiáng)化相使共晶硅的數(shù)量減少，從而減輕了共晶硅的偏析。同時(shí)，隨著鎂含量的增加，α(Al)的尺寸減小，由圖3可知，當(dāng)加入3%Mg時(shí)，α(Al)比加入2%Mg時(shí)的粗大。鎂的加入會(huì)使元素在晶界處偏聚，使晶界處出現(xiàn)多種化合物。適量的鎂會(huì)細(xì)化晶粒，加入3%Mg的復(fù)合材料晶粒開始長(zhǎng)大，晶界處的化合物也開始增多。

圖2 SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料的XRD圖譜 Fig.2 XRD patterns of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

圖3 未加Mg和加1%、2%和3%Mg的SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料的顯微組織Fig.3 Microstructures of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite without Mg and with 1%, 2% and 3% Mg

2.2 鎂含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料孔隙率的影響

圖4為鎂含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料孔隙率的影響，可以看出，不加入鎂的復(fù)合材料的孔隙率較高，為4.5%左右， 隨著鎂加入量的增加，復(fù)合材料的孔隙率降低，含2%Mg的復(fù)合材料的孔隙率最小。但含鎂量更高的復(fù)合材料的孔隙率反而增大。主要原因是，加入較少的鎂可以促進(jìn)SiC顆粒與鋁合金的潤(rùn)濕，從而降低復(fù)合材料的孔隙率。另一方面，加入的鎂與A356鋁合金中硅反應(yīng)生成Mg2Si強(qiáng)化相從而提高復(fù)合材料的性能，但該反應(yīng)會(huì)明顯消耗A356鋁合金中的硅，降低合金的鑄造性能，導(dǎo)致復(fù)合材料的致密度減小。增加A356鋁合金的鎂含量反而會(huì)降低其鑄造性能，導(dǎo)致其孔洞增多，即孔隙率增大。

圖4 鎂含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料孔隙率的影響Fig.4 Effect of magnesium contents on porosity of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

2.3 鎂含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料顆粒分布均勻性的影響

圖5為SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料中SiC顆粒的分布均勻性系數(shù)隨鎂含量的變化。由圖5可知，隨著鎂含量的增加，D值逐漸減小，表明鎂能改善SiC顆粒分布的均勻性。這是因?yàn)橐环矫骀V的表面張力為0.599 N·m-1，鋁的表面張力高于鎂，為0.760 N·m-1，鎂的加入使鋁合金熔體的表面張力降低，促進(jìn)SiC顆粒在鋁合金中較為均勻地分布。同時(shí)，鎂能促進(jìn)SiC顆粒與鋁合金在兩者結(jié)合處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高SiC顆粒與鋁合金之間的潤(rùn)濕性，導(dǎo)致固- 液界面能降低，促進(jìn)SiC顆粒均勻分布[11]。

2.4 Mg含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料性能的影響

Du等[12]研究了原位合成SiC顆粒對(duì)Al- Si合金性能的影響，結(jié)果表明SiC顆粒能提高合金的硬度和耐磨性。圖6為SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料的硬度隨鎂含量的變化。由圖6可知，復(fù)合材料的硬度隨著鎂加入量的增加而升高，不加入鎂的復(fù)合材料硬度僅為78.90 HB，加入1%Mg就使硬度顯著升高，加入2%Mg的復(fù)合材料硬度最高，為102.10 HB，提高了29%。而加入3%Mg的復(fù)合材料的硬度則又下降。硬度升高可歸因于：(1)鎂的加入使SiC顆粒分布更加均勻；(2)鎂會(huì)與硅形成強(qiáng)化相Mg2Si，隨著鎂含量的增加，Mg2Si的生成量也增加。但是加入3%Mg的復(fù)合材料硬度下降，主要是因?yàn)檫^多的鎂會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的孔洞增多，孔隙率提高，從而惡化復(fù)合材料的性能[13]。

圖5 鎂含量對(duì)SiC顆粒在鋁合金基體中分布均勻性的影響Fig.5 Effect of magnesium contents on distribution uniformity of SiC particles in the aluminum alloy matrix

圖6 鎂含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料硬度的影響Fig.6 Effect of magnesium contents on hardness of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

鎂含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料磨損率的影響如圖7所示。圖7表明，不含鎂的復(fù)合材料的磨損率最大，說明鎂能有效提高鋁合金的耐磨性。同時(shí)可以看出，鎂含量不同的復(fù)合材料磨損率也不同磨損時(shí)間不同，加入2%Mg的復(fù)合材料的磨損率均最小，耐磨性能最好。鎂含量低于2%的復(fù)合材料，隨著鎂含量的增加，其磨損率減小，耐磨性能提高。結(jié)合圖6可知，材料的耐磨性能主要與硬度有關(guān)，硬度越高，材料的磨損率越小。鎂含量小于2%的復(fù)合材料的硬度隨著鎂含量的增加而上升，但鎂含量大于2%的材料的硬度則下降，故含鎂量為2%的復(fù)合材料的耐磨性能最佳。此外，含3%和1%Mg的復(fù)合材料的硬度相近，含1%Mg的復(fù)合材料的磨損率比含3%Mg的大，主要原因是過多的鎂會(huì)導(dǎo)致SiC顆粒與鋁合金基體結(jié)合處發(fā)生有害反應(yīng)，導(dǎo)致孔隙率增大，降低材料的耐磨性。

圖7 鎂含量對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料磨損率的影響Fig.7 Effect of magnesium contents on wear rate of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

3 結(jié)論

(1)鎂的加入改善了SiC顆粒與鋁合金間的潤(rùn)濕性，使SiC顆粒在A356合金基體中的分布更為均勻。

(2)隨著鎂含量的增加，SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料中Mg2Si相的含量也增多，含2%Mg的SiC顆粒增強(qiáng)A356合金基復(fù)合材料中顆粒分布均勻，孔隙率低，硬度最高，耐磨性最優(yōu)。