原位合成TiC/AZ91D鎂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究緒論

郭慶賀

緒論

1.1鎂合金概況

作為輕金屬代表——鎂，不僅在地球上儲量高，在地殼中相對于其他金屬而言，也比較豐富占了2.35%（見表1.1），在海洋中也占較為豐富，可以說在自然界中廣泛存在。作為鎂資源大國，鎂的儲存量位于世界首位，占全球的40%以上，其中80%的原鎂主要用于出口。鎂合金中包含了許多元素，如表1.2，但鎂合金是我們在日常生活中隨處可見金屬結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量最輕的，密度比純鎂（1.738g/cm3）高一點(diǎn)點(diǎn)，大概是鋁合金密度的2/3，鋼鐵密度的1/4，其較高的剛度、比彈性模量高、屏蔽電磁能力強(qiáng)、所成型的零件的尺寸更加穩(wěn)定、散熱能力強(qiáng)可以穩(wěn)定在一定溫度內(nèi)、再生性以及切削加工性能好、利于二次回收利用、在與其他金屬接觸時合金表面基本上不會產(chǎn)生火花等特點(diǎn)，使鎂合金在眾多金屬合金中的名列前茅，是繼鋼和鋁之后的金屬工程材料，大家都親切地稱鎂合金是“21世紀(jì)的綠色金屬結(jié)構(gòu)環(huán)保材料”。在當(dāng)前能源短缺，污染嚴(yán)重的情況下，鎂合金未來發(fā)展的前景可見一斑。當(dāng)前，鎂合金的應(yīng)用已逐漸擴(kuò)展到航空航天，3c，汽車工業(yè)，軍事領(lǐng)域中。對鎂合金進(jìn)行深入研究也成為了我國可持續(xù)發(fā)展的重要措施。正所謂“人無完人，金無赤足”，鎂合金材料亦是如此，它仍然有一些缺點(diǎn)和不足等待著人們?nèi)パ芯亢透纳?。作為一種軟金屬，它最為突出的就是較低的硬度和機(jī)械性能，限制了其在工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。鎂合金的耐高溫性也很差，在室溫下容易氧化生成一層薄膜，薄膜不像鋁合金的表面氧化生成的薄膜一樣堅(jiān)實(shí)緊密，反而有較多疏松的孔且脆性較大，因此其抵抗腐蝕能力也不好，在高溫度下抗蠕變性能也比較差。

1.2鎂合金分類

變形鎂合金由軋制、擠壓等塑性變形所制備，主要有Mg-Mn系、Mg-Zn-Zr系和Mg-Al-Zn-Mn系合金。其中Mg-Mn系合金耐腐蝕，焊接性好，但工作溫度不超過150℃;Mg-Zn-Zr系合金焊接性能較為優(yōu)異;Mg-Al-Zn-Mn系合金具有優(yōu)異的機(jī)械性能和可焊性。跟鋁合金相比，鎂合金的種類并不算多，通常加入Al、Zn、Ga等表面活性元素來豐富合金種類。變形鎂合金晶粒尺寸較小，有良好的力學(xué)性能。鑄造鎂合金由砂模鑄造、金屬模鑄造、熔模鑄造制備，主要有Mg-Al系和Mg-RE系合金，鑄造鎂合金具有鑄造結(jié)構(gòu)優(yōu)異、加工周期短、裝配成本低、適用于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。

1.3鎂合金加工工藝

1.3.1粉末冶金法

粉末冶金法（Powder Metallurgy）是將原材料粉末按照一定比例混合均勻，在特定溫度壓強(qiáng)條件下燒結(jié)成形，得到具有優(yōu)異性能合金材料，此方法最早應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料的制備。粉末冶金法特點(diǎn)有：①產(chǎn)品精度高、尺寸穩(wěn)定、成本低、不需要二次加工;②可大批量生產(chǎn)，易形成自動化生產(chǎn)線;③可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料，可避免脫模困難等問題。鎂具有密排六方的晶體結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸直接影響其性能好壞，因此，制備細(xì)晶粒鎂合金可以大大提高鎂合金的性能。陳春樸通過粉末冶金法制備ZK60鎂合金，發(fā)現(xiàn)隨著Y含量的增加，ZK60鎂合金的高溫塑性也隨之提高。周亞軍等人通過粉末冶金法制備AZ91鎂合金，并探究燒結(jié)溫度對該合金微觀組織和綜合性能的影響，其最佳燒結(jié)溫度為550℃，真空熱壓燒結(jié)后AZ91鎂合金材料的致密度顯著提高，其組織主要真空熱壓燒結(jié)后AZ91鎂合金材料的致密度顯著提高，其組織主要由α-Mg相和β-Mg17Al12相組成，大大提高了鎂合金的性能。

1.3.2快速凝固

快速凝固法（Rapid Solidification，RS）是材料科學(xué)領(lǐng)域具有突出地位的一種先進(jìn)金屬材料制備新技術(shù)，通過該技術(shù)得到的材料具有超細(xì)晶粒度、低偏析度和良好穩(wěn)定性等，并且溶質(zhì)元素在基體中的固溶極限相對較大，成分相對均勻?？焖倌碳夹g(shù)制備原理是將合金熔化并細(xì)化為分散的液滴，使得液體合金更易于散熱，提高熔體的凝固速度，從而達(dá)到細(xì)化凝固組織，減少或消除成分偏析的目的。快速凝固技術(shù)可實(shí)現(xiàn)材料組織結(jié)構(gòu)精細(xì)化，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)分布均勻化。作為一種新型的合金制備技術(shù)，其冷卻速率范圍為104～109K/s，它不局限于在平衡條件下凝固，在不平衡甚至在極端不平衡的條件下也可以凝固。一些微觀組織（不能通過常規(guī)凝固方法獲得的）可以通過這種方法獲得。

1.3.3擠壓成形技術(shù)

低塑性鎂合金想要完成塑性成型最理想的處理方法就是利用擠壓成形技術(shù)。而影響鎂合金擠壓速度的則是擠壓坯料的晶粒度和組織均勻性，因而獲得小晶粒度組織均勻的鎂合金坯料是擠壓成形的關(guān)鍵。朱亞哲等人研究表明鎂合金在250℃以上成形時塑性效果更好，當(dāng)模具預(yù)熱溫度比坯料預(yù)熱溫度低時，可以利用潤滑劑來減少鎂合金與冷模之間接觸時所產(chǎn)生的裂紋，并且起到隔熱的效果，從而提高模具的壽命。擠壓成型方法易于操作并且十分靈活，最適合于低塑性材料的塑性成形鎂合金可以通過擠壓更好地細(xì)化晶粒并提高強(qiáng)度和可塑性。而且鎂合金擠壓制品一般都具有較好的表面質(zhì)量和精準(zhǔn)的尺寸。擠壓變形是當(dāng)今鎂合金加工中最應(yīng)用最為廣泛的一種工藝技術(shù)。

1.4研究內(nèi)容

論文基于鎂合金的研究進(jìn)展，查閱了大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，選擇作AZ91D鎂合金為實(shí)驗(yàn)研究對象，研究原位合成TiC/AZ91D鎂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究。主要研究內(nèi)容如下：

（1）將C粉、Ti粉、Al粉，按Ti和C的摩爾比1：1進(jìn)行混合，Al粉含量固定Ti粉和C粉總量的20%，隨后分成質(zhì)量相同的3份，向第一份預(yù)制塊/鎂合金為10%，第二份預(yù)制塊/鎂合金為20%，第三份預(yù)制塊/鎂合金為30%，然后將分別壓成預(yù)制塊，放入150℃的干燥箱中進(jìn)行干燥1.5h。

（2）分別將預(yù)制塊與AZ91D鎂合金按10%、20%、30%（預(yù)制塊/AZ91D鎂合金）進(jìn)行稱量，隨后分別將預(yù)制塊放入坩堝底部，另外再將AZ91D鎂合金放入坩堝上部，表面覆蓋一層RJ-2覆蓋劑，先將溫度升高到300℃保溫30min，隨后將溫度升高到780℃，然后把得到的熔體降溫到560℃進(jìn)行半固態(tài)狀態(tài)反復(fù)攪拌約5～10min，等到攪拌均勻后，保溫10min左右，最后澆注成型。

（3）對經(jīng)過打磨、表面拋光等一系列處理后的合金試樣依次進(jìn)行金相顯微鏡對其微觀結(jié)構(gòu)分析;XRD分析;摩擦系數(shù)、磨損量、摩擦形貌分析以及硬度分析，最終確定原位合成TiC/AZ91D鎂基復(fù)合材料中溫度以及Al粉含量對硬度、摩擦磨損性能的影響規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李芳，管仁國，鐵鏑，劉楚明，樂啟熾，宋江鳳，曾小勤，蔣斌.我國先進(jìn)鎂合金材料產(chǎn)業(yè)2035發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學(xué)，2020，22（05）

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