粉末冶金法制备碳化硅晶须增强镁基复合材料性能研究 毕业论文.doc

分类号 学校代号 10462 密 级 公开 学 号 0793082004 硕 士 学 位 论 文 粉末冶金法制备碳化硅晶须增强镁基粉末冶金法制备碳化硅晶须增强镁基 复合材料性能研究复合材料性能研究 学位申请人： 导师姓名及职称： 专业名称：机械制造及其自动化 学科门类：工学 论文提交日期：2012 年 5 月 II Dissertation Submitted to Zhengzhou University of Light Industry For the Academic Degree of Master Of Engineering Science Mechanics Properties of Sic Whisker Reinforced Magnesium Matrix Composites by Powder Metallurgy Candidate: Zhou Yajun Supervisor: Liu Jianxiu Major: Mechanical and Electronic Engineering School of Electromechanical Science and Engineering Zhengzhou University of Light Industry Zhengzhou 450002, P.R.China May 2012 郑州轻工业学院 学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 出了明确的声明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 年 月 日 郑州轻工业学院 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文 工作的知识产权单位属于郑州轻工业学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一 律注明作者单位为郑州轻工业学院。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 I 摘要摘要 本论文以研制风力发电用制动衬垫摩擦材料为目的，以粉末冶金法制备了以镁合 金 AZ91 为基体、碳化硅晶须为增强体的镁基复合材料，主要研究了碳化硅晶须的分 散处理方式及对复合材料性能的影响；研究了不同烧结温度和压力对材料性能的影响； 制定了粉末冶金法制备镁基复合材料的工艺方法；探讨了复合材料的摩擦磨损机制。 晶须的分散溶液选用 0.5g/L 的焦磷酸钠（SPP）水溶液、5%的吐温 80（Tween80）无水乙醇分散溶液和质量分数为 1%的硅烷偶联剂(KH550)无水乙 醇分散溶液，先后采用超声分散和磁力搅拌器搅拌两种方式进行分散。通过扫描电镜 （SEM）观察晶须的分散，结果表明质量分数为 1%的硅烷偶联剂(KH550)无水乙醇 分散溶液分散效果较好。 材料的制备采用先冷压后压制烧结的工艺方案，以基体 AZ91 为例进行实验。通 过测试不同压力下的试样密度，确定了 30KN 为合适的最高压制压力。烧结温度实验 选用 450、500、550、600四组进行，通过密度、硬度、摩擦磨损性能测试和 显微组织观察，认为 550为合适的最高烧结温度，由此制定本实验的最优工艺路线。 用最优工艺制备了基体 AZ91、未分散处理的 20%SiCw/AZ91 和采用硅烷偶联剂分 散处理的 20%SiCw/AZ91 三种材料的试样，并对其进行性能测试。 摩擦磨损及硬度测试实验表明：与基体 AZ91 相比，加入 20%的 SiCw 使基体的摩 擦系数提高了 29.6%，硬度提高了 12.6%。分散处理后的 20%SiCw/AZ91 复合材料比 未进行分散处理的复合材料综合性能好。 通过对磨痕微观形貌的观察，结合磨屑的能谱分析以及硬度与磨损量的测试结果进 行分析，认为 AZ91 基体的磨损机理主要是脆性材料的磨粒磨损，同时伴有粘着磨损 和氧化磨损；未进行分散处理的镁基复合材料的磨损形式主要是磨粒磨损，磨损量大， 经过分散处理的 20%SiCw/AZ91 复合材料的磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损，磨屑较 少，磨痕较浅，基体与 SiCw 结合紧密，硬度与耐磨性最好。 关键词：关键词：碳化硅晶须；粉末冶金；分散剂；镁基复合材料；摩擦磨损 II ABSTRACT This article aims to prepare the magnesium-based composite materials as the friction materials by powder metallurgy ,wihich is a new attempt using in wind power as brake pads. The magnesium-based composite materials bases on the magnesium alloy AZ91, and silicon carbide whiskers is a strengthening phases. The paper mainly discusses the prosess modes of silicon carbide whiskers, and the influence to magnesium-based composite materials among those prosess modes. The paper researchs the influence of different sintering temperature and pressure on the properties of materials；makes out the production technique about preparing magnesium base composite materials by powder metallurgy; discusses the influence of silicon carbide whisker on composite hardness ,friction , abrasion wear and so on. Whisker distribution solution uses the 0.5g / L sodium pyrophosphate ( SPP ) aqueous solution, 5% Tween 80( Tween80) absolute ethyl ethanol solution and the 1wt.% silane coupling agent ( KH550) - absolute ethyl ethanol solution, and dispersed these solution by ultrasonic and magnetic stirrer. Observing the disperssion degree of SiC whisker in the Scanning electron microscopy (SEM), it show that 1 wt.% silane coupling agent ( KH550) - absolute ethy ethanol dispersion solution is better. The power metallurgy process is according to the way of first cold pressing and then pressing and sintering process, and the discussions in this paper are based on the matrix as the example. Through testing different density under different pressure, it can be deduced that the pressure of 30KN is the suitable highest pressure; select 450, 500, 550, 600, four kinds of temperature as a contrast, through density, hardness and friction abrasion wear tests, and microstructure observation prove, the results indicate that it is reasonable to sinter composites in the temperature 0f 550. Then make up the best experimental process acorring to the above. Acorring to the experimental process, it is prepared adopting the matrix of AZ91, no-diapersed 20% SiCw/AZ91 and the diapersed 20%SiCw/AZ91 three materials. The property test shows that: compared with AZ91, the matrix compositess friction coefficient has a 29.6% rise, and its hardness has a 12.6% rise. And the diapersed 20%SiCw/AZ91 is better than the no-diapersed 20% SiCw/AZ91. Through the observation of the micro topography, the EDS analysis, hardness test and the ware quantity test, it can be decused that the main wear mechanism of the matrix AZ91 is III abrasive wear and a little adhesive wear and oxidative wear; the main wear mechanism of the no-diapersed 20%SiCw/AZ91 is abrasive wear, and the ware quantity is the maximum. The main wear mechanism of the diapersed 20%SiCw/AZ91 is abrasive wear and the adhesive ware, and the the ware quantity is little, the matrix and the SiCw combines closely, and it has the best hardness and the friction and wear properties. Keywords: silicon carbide whiskers; powder metallurgy; dispersant; magnesium matrix composites; friction and wear I 目录目录 第一章 绪论.1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 风力发电制动系统概述.1 1.2.1 制动器概述 .1 1.2.2 制动衬垫 .2 1.3 国内外研究现状.3 1.3.1 摩擦材料研究概况 .3 1.3.2 镁基复合材料研究概况 .4 1.4 课题的提出及主要工作.5 1.4.1 课题的提出 .5 1.4.2 主要研究内容 .5 第二章 实验方法及分析手段7 2.1 复合材料的成分设计.7 2.1.1 基体材料的选择 .7 2.1.2 增强相的选择 9 2.2 制备方法的选择和技术路线的拟定 .11 2.2.1 制备方法 .11 2.2.2 技术路线的拟定 .11 2.3 实验设备及化学试剂.12 2.3.1 实验设备 .12 2.3.2 化学试剂 .12 2.4 复合材料的制备工艺过程 .12 2.4.1 晶须分散处理 .12 2.4.2 配粉 .13 2.4.3 混料 .13 2.4.4 球磨 .13 2.4.5 模具的选择 .14 II 2.4.6 试样的压制烧结 .15 2.5 微观分析.15 2.5.1 SEM (Scanning Electron Microscope) 分析.15 2.5.2 EDS (Energy Dispersive Spectrometer) 分析.16 2.6 试样实际密度测量.16 2.7 性能测试.17 2.7.1 显微硬度测试 .17 2.7.2 摩擦磨损性能测试 .17 第三章 SIC 晶须分散方法研究19 3.1 SIC 晶须原始形貌19 3.2 SIC 晶须分散原理.20 3.3 SIC 晶须分散试验.20 3.3.1 焦磷酸钠 (SPP) 分散处理21 3.3.2 吐温 80（Tween80）分散处理22 3.3.3 硅烷偶联剂分散处理 .23 3.4 小结.24 第四章 复合材料的制备及组织分析25 4.1 制样前期准备工作.25 4.1.1 理论密度的计算 .25 4.1.2 配料 .25 4.1.3 混料 .25 4.1.4 球磨 .25 4.1.5 球磨对复合混合粉末的影响 .26 4.2 复合材料的制备.27 4.2.1 冷压 .27 4.2.2 压制烧结 .28 4.3 压力对材料密度的影响.28 4.4 温度对材料密度的影响.29 4.5 烧结工艺的制定.30 4.6 温度对 AZ91 基体组织形貌的影响32 III 4.7 小结 .33 第五章 性能测试与结果分析35 5.1 硬度测试分析.35 5.2 摩擦磨损性能分析.36 5.2.1 磨损概述 .36 5.2.2 复合材料摩擦磨损性能分析 .40 5.3 复合材料磨损微观形貌和机理分析.44 5.3.1 基体的磨损微观形貌和机理分析 .44 5.3.2 2复合材料的磨损微观形貌和机理分析 46 5.3.3 3复合材料的磨损微观形貌和机理分析 49 5.4 小结.51 结论与展望.53 致谢.55 参考文献57 附录.61 附录 1 攻读硕士学位期间发表论文目录.61 第一章 绪论 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景及意义课题背景及意义 本课题来源河南省教育厅科技攻关项目，项目编号为092102210382。 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大， 全球风能资源总量约为 2.74×109 兆瓦，其中可利用的风能为 2×107 兆瓦。中国风能 储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大1。 随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。2010 年底，全球风电总装机容 量达 199,520 兆瓦，发电量超过 4099 亿千瓦时，占世界电力总发电量的 1.92%。传统 市场发展缓慢，新兴市场却蓬勃向上。中国拥有世界上增长最快的风电市场，其风电 装机容量自 2005 年以来每年要翻一番。到 2020 年，中国国内风电厂运行中的总装机 容量有望达到 15 万兆瓦。在全球海上风电场领域占据领先地位的西门子也加入到中国 浩浩荡荡的风电产业发展大潮中。中国风电 2010 年新增装机容量达到 18, 928 兆瓦， 占全球新增装机容量 48%，超过美国，成为世界第一大风电市场2。但是，由于我国 风电产业基础薄弱，风电产业近期快速发展的瓶颈也很明显，无论是技术水平还是市 场规模，我国都落后于国外。目前国内风机市场的大部分份额被国外厂商占据，我国 的风电产业还面临国家投入不足，研究开发的系统性、完整性及连续性不够，工业基 础薄弱，不足以支撑国家风力发电快速健康和稳定发展的市场需求等一系列问题。 1.2 风力发电制动系统概述风力发电制动系统概述 1.2.11.2.1 制动器概述制动器概述 制动系统是使风力发电机停止运转的装置，又称刹车系统，是风力发电机的组成 部分。大中型风机制动系统是由空气制动机构和机械制动机构组成。空气制动是通过 叶尖的扰流器来实现的，空气制动机构能够使风轮的转速减小，但却不能使风轮完全 停止转动。机械制动机构作为制动系统的重要组成部分，起着使风机停机的作用3。 对于不同的制动工况停机方案不同。风力发电机的制动工况主要有三种：正常停 机、安全停机和紧急停机。 （1）正常停机是指风电机组的外界环境改变或检修时的正常停机。制动过程分两 郑州轻工业学院工程硕士学位论文 2 步完成，首先空气制动机构启动，叶轮转速降低。当转速下降至一定值时(对于大中型 风电机组一般为 15r/min)，投入机械制动机构，这时空气制动机构仍保持制动状态，直 到风电机组完全停机。 （2）安全停机和紧急停机一般是指风速大于额定风速或是风电机组出现故障，为 保证发电质量和风电机组机组的安全，需要进行停机。制动过程中空气制动机构和机 械制动机构同时投入，以最短的时间使风电机组停机。 在风速过大或风机出现故障需要紧急停机的情况下，机械制动机构较空气制动机 构更为重要。通常使用的机械制动器分类如下。 根据制动器的结构分为：外抱块式制动器、内涨蹄式制动器、带式制动器、盘式 制动器、载荷自制盘式制动器、磁涡流制动器、磁粉制动器等。 根据作用方式还可以将机械制动分为气动、液压、电液、电磁和手动等形式。 根据制动器的工作状态，分为常闭式和常开式。常开式制动器只有在施加外力时 才能改变其松闸状态，使其紧闸。与此相反，常闭式制动器靠弹簧力的作用经常处于 紧闸状态，运行时，需要再施加外力使制动器松闸。为保证安全制动，风机机组一般 选常闭式制动器。 大中型风电机组的制动机构可选用 YDWZ 型液压电动式或 YWZ 型液压式制动器 进行地面遥控。对于液压变距调节的机组，可以配备嵌盘式液压制动器，制动器可以 和变距调节机构共用一个液压马达，使系统更加紧凑。 风力发电机组最常用的机械制动为液压、盘式、常闭式制动器，由液压供油系统、 制动卡钳和制动盘等组成。盘式制动器优点是制动性能稳定，沿制动盘轴向施力，制 动轴不受弯矩，且径向尺寸小。 1.2.21.2.2 制动衬垫制动衬垫 制动器衬垫是制动器的一个重要零部件，制动性能的好、坏对其有直接的关系。 风力发电机上使用的制动衬垫与普通的工业制动衬垫有很大区别：风力发电制动衬垫 主要要求如下性能4： 要求产品能在风沙、雨雪、盐雾等恶劣的气候条件下保持稳定的性能； 要求产品保证良好的耐磨性，同时对被动盘的损伤小； 要求有适中的摩擦系数，摩擦系数过高使摩擦力过大，但摩擦力太小，制动系 统将无法制动，其动、静摩擦系数一般在 0.25-0.40 之间。 耐高温且高温时摩擦性能稳定。在风机出现需紧急制动的情况时，制动过程中， 在很短的时间内将会产生很高的温度，同时对整个系统也有一个很大的冲击。 第一章 绪论 3 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 1.3.11.3.1 摩擦材料研究概况摩擦材料研究概况 目前国内外所用的摩擦材料有:铸铁摩擦材料、碳/碳复合材料、有机合成材料、陶 瓷材料、粉末冶金摩擦材料等5。 铸铁摩擦材料：铸铁材料在各种制动器中使用的广泛，且价格低廉，摩擦系数一 般在 0.25 一 0.35，不受气候影响，导热性较好，但普通铸铁的摩擦系数小，且随转速 的提高而迅速下降，为此各国都做了许多改进，如在铸铁中加磷或少量合金，但又带 来脆性大，使用中容易出现裂纹，要用钢瓦背来补强，且磨损较快，更换频繁，因此， 不适宜用在风力发电中。 碳/碳复合材料6：由于碳纤维比重小(约为铁的 1/5)，强度高、模量大、热膨胀系 数小、耐高温，是很好的增强材料。但用作摩擦材料，磨耗量大、在湿润环境下摩擦 系数小，需要科研人员进行研究以改革其系统结构。并且碳纤维价格昂贵，制造周期 长(约需 3 个月)，制备工艺复杂。因此，目前在风力发电制动器中使用碳/碳复合材料 是不现实的。 有机合成摩擦材料7：它是将金属粉末，酚醛树脂和摩擦调节剂等经充分混练后加 热压制而成，它将材料预制工艺合二为一，改变其配比工艺，可获得不同的摩擦系数， 高速时摩擦系数在 0.15 一 0.35 之间，且不随风力发电高速轴轴转速的改变而变化，寿 命是铸铁的四倍，制动过程无火花、质量小(为铸铁的 1/3)。但复合材料导热性差，制 动时热量难以散发，从而使制动盘产生温升，甚至热裂；其次在湿润状态下摩擦系数 大为降低，所以有机合成摩擦材料的使用温度一般不超过 250，当超过 250时，其 磨损率急剧增加，因此，也不是风力发电高速轴制动的合适材料。 陶瓷摩擦材料：该材料尚处在研究阶段。 粉末冶金摩擦材料8：主要是铜基、铁基和铁铜基复合材料等。同非粉末冶金制作 的摩擦材料 (例如铸铁和铸钢、树脂粘合石棉等) 相比，粉末冶金摩擦材料具有下列优 点： 能很快吸收动能，制动、传动速度快，磨损小，强度高，耐高温高压，导热性好， 摩擦系数稳定，抗咬合性好，耐腐蚀，噪声小，寿命长。 作为风电设备重要零部件之一的风电机组摩擦材料，由于研究较晚，涉及此类材 料的研究报导较少。大型风电机组一般包括偏航、高速轴两套制动装置，偏航制动力 矩较小，目前主要是树酯基摩擦材料；高速轴制动，由于制动力矩大或制动速度高， 制动材料一般采用铜基粉末冶金摩擦材料。铜基摩擦材料9导热性好、摩擦系数稳定、 郑州轻工业学院工程硕士学位论文 4 耐磨、且对对偶的磨损较小，是目前风电机组使用最为广泛的材料。铜基粉末冶金材 料有许多突出的优点，但是质量较重，加重了风机机架的承载能力；并且且铜价格较 贵,烧结温度较高，因此，产品的生产成本较高。 1.3.21.3.2 镁基复合材料研究概况镁基复合材料研究概况 由于镁是最轻的金属元素之一，是轻量化的合适材料，因此，关于镁基复合材料 的研究国内外很多。 Z. Trojanova 等10,11用粉末冶金技术制备了纳米 Al2O3 颗粒增强的镁基复合材料， 力学性能得到了较大地提高; 材料经 330热挤压后宏观组织清晰, 材料的蠕变性能也 得到提高。 Schroder 等12用粉末冶金法制备了一种镁基复合材料，基体为机械球磨的 CP- Mg、AZ91 粉末和雾化沉积的 QE22 粉末，增强体为 Sic 颗粒。发现当基体粉末与增强 体的尺寸比率为 5:1 时，颗粒分布最好， Sic 颗粒增强体尺寸为 8m 时效果较好。另 外，Schroder 用此法还制备了 TiB2、Ti(C，N)、AlN、Al2O3颗粒增强镁基复合材料19。 Kainer 等13制备了以 Al2O3短纤维为增强相的镁基复合材料，Al2O3纤维通过酸洗 进行分散处理，干燥后，与基体粉末混合进行热挤压，通过组织观察发现 450挤压时 有孔洞产生，而 510时的试样致密性较好。Kainer 采用此法还制备了碳化硅晶须及钛 酸钾晶须增强镁基复合材料。 S. F. Hassan14通过球磨工艺制备了纯镁基体与纳米 Al2O3复合材料，在 Al2O3加入 量达到 1.11%时，UTS 达到了 250MPa，并且保持了约 7%的伸长量，性能甚至优于一 些高强镁合金作为基体的复合材料。 济南大学岳云龙15进行了不同体积分数 SiC 颗粒增强镁合金的研究，采用粉末冶 金法用体积分数分别为 15，20，25，30的 SiC 颗粒增强 AZ81 镁合金，并对 做成的不同试样进行拉伸强度、断裂韧性和硬度进行分析，研究结果表明：与基体镁 合金相比，复合材料的拉伸强度先增后降，20SiC/AZ81 复合材料拉伸强度最大，可 达 222.67MPa，提高 15.66；断裂韧性先增后降，15SiC/AZ81 复合材料韧性最好， 比基体镁合金提高了 16.74，但是体积分数为 25，30的 AZ8l/SiC 试样，其断裂 韧性与不添加 SiC 的基体镁合金相比却降低了。这就说明虽然 SiC 颗粒的添加起到了 强化基体的作用，但是过多的 SiC 颗粒存在增加了材料裂纹扩展的机会，导致强度和 韧性降低，且对塑性不利。 第一章 绪论 5 西安交通大学郗雨林16进行了粉末冶金法制备 SiC 颗粒及晶须增强 MBl5 镁基复 合材料的对比实验，认为，SiCp 及 SiCw 均能显著提高 MB15 镁基复合材料的室温抗 拉强度、屈服强度及弹性模量，SiC 晶须的作用比 SiC 颗粒更明显。但是没有对晶须的 分散、复合材料的摩擦磨损特性及机理进行研究。 在开发高性能粉末冶金摩擦材料方面，我国中南大学粉末冶金研究所、西安交通 大学粉末冶金研究所等单位做了一些工作，研究了铁基、铁一铜基粉末冶金摩擦材料， 但是尚没有对镁基复合材料的摩擦性能进行研究。 1.4 课题的提出及课题的提出及主要工作主要工作 1.4.11.4.1 课题的提出课题的提出 本课题对国内外现有摩擦材料进行分析，认为铜基粉末冶金摩擦材料质量相对较 重，烧结温度高，工艺成本高，而镁合金是最轻的商用结构金属材料，是轻量化的合 适材料，价格只有铜的 1/3，具有显著的成本优势。而国内外没有针对镁基复合材料的 耐磨性进行相关的研究，因此，本课题以研究轻量化摩擦材料为目的，以镁合金的复 合强化为方向，对镁基复合材料的制备技术、工艺方案和摩擦性能等进行研究，以期 制备出质轻、无毒的制动衬垫摩擦材料。 1.4.21.4.2 主要研究内容主要研究内容 该论文的主要研究工作有： （1）研究用粉末冶金法制备镁基复合材料工艺方法； （2）研究 SiC 晶须（SiCW）的处理方案，并利用 SEM、XRD 等测试手段，研究 SiCW在基体中的分散情况，SiCW与基体界面的结合情况等。 （3）以 SiCW作为增强相，以 AZ91 镁合金作为基体，用粉末冶金法制 SiCW/AZ91 复合材料，并分析 Mg、A1、Zn 和 SiCW在热压烧结中的反应机理，确定烧 结温度、烧结压力、烧结时间等工艺参数； （4）对制备的复合材料进行密度测试、硬度测试、常温力学性能测试和摩擦磨损 性能测试；结合材料的微观组织分析，分析复合材料的增强机理，阐述该材料的磨损 规律等。 郑州轻工业学院工程硕士学位论文 6 第二章 实验方法及分析手段 7 第二章第二章 实验方法及分析手段实验方法及分析手段 2.1 复合材料的成分设计复合材料的成分设计 2.1.12.1.1 基体材料的选择基体材料的选择 基体的选择一般依据使用性能和制造方法而定。另外，在选择基体合金的时候还 要考虑与增强体系的匹配性。不同的基体合金对复合材料的抗拉强度、屈服强度和结 合强度有较大的影响，但并不是基体强度越高，复合材料的强度就越高，而是存在一 个最佳匹配。另外，基体的某些合金元素对复合材料的性能有重要影响。 Mg-A1 合金是镁合金中应用最广泛的合金之一，合金中 Al 较多，而且各种合金牌 号性能指标齐全，便于进行对比。因此，本课题以市场上广泛应用的镁合金 AZ9l 为基 体，以便于同 AZ91 镁合金的各项性能进行对比。 本研究在 AZ91 合金成分的基础上配置了两种合金成分，成分配比见表 2-1 所示， 规格如表 2-2 所示。 表 2-1 材料成分表 (wt.%) Table1 Materials Composition (wt. %) 试样编号AlZnMg+SiCw 191Bal.0 291Bal.20 表 2-2 基体粉末规格 Table2 sizes of matrix powder 粉末名称粒度 /目纯度 /%厂家 Mg 粉20099.9南阳福森镁粉有限公司 Al 粉20099.5郑州市久悦金属粉末有限公司 Zn 粉30099.9郑州市久悦金属粉末有限公司 各成分在镁合金中的作用如下： 1Al 在镁合金中的作用 Al 是镁合金中最主要的合金元素。Al 在 Mg 中的作用有以下几个方面： （1）第二相强化（弥散强化或析出强化） 郑州轻工业学院工程硕士学位论文 8 图 2-1 为 Mg-Al 二元合金相图17,18，由图可知，镁铝平衡结晶时，在 473时发生 共晶反应：L -Mg+ -Mg17Al12。随着温度的升高，Al 在 Mg 中的溶解度随之升高， 所以在温度下降的过程中，过饱和的 -Mg 固溶体中会析出 -Mg17Al12强化相，产生较 好的第二相强化的效果，但是随着 Al 含量的增多，脆性相 Mg17Al12过多，会导致材料 的抗拉强度和伸长率的降低，因此 Al 的含量不宜过多，一般添加量小于 10%，Al 含 量在 6wt%左右可产生较好的强韧性。 图 2-1 Mg-Al 二元相图 Fig.2-1 Mg-Al alloy phase diagram （2）固溶强化 由于 Al 的原子半径比 Mg 的原子半径大(相差约为 13%)，而且 Al 在 Mg 中的固溶 度又较大，作为溶质的 Al 溶入 Mg 的晶格中，使晶格产生畸变，产生固溶强化的效果。 2Zn 在镁合金中的作用 Zn 是镁合金中常用的另一个重要的合金元素，在 Mg 中的作用主要是固溶强化。 Zn 在 Mg 中有较大的溶解度，随着温度的降低，Zn 的溶解度有较快的降低。由图 2- 2Mg-Zn 二元相图19可知：340时发生平衡结晶，共晶反应为：L-Mg+Mg2Zn3，随 后冷却过程中分解为 -Mg+MgZn2，这些生成的化合物可作为沉淀强化相。 第二章 实验方法及分析手段 9 图 2-2 Mg-Zn 二元相图 Fig.2-2 Mg-Zn alloy phase diagram 另外，少量的 Zn 还可以增加 Al 在 Mg 中的溶解度，提高 Al 的固溶强化作用20。 2.1.22.1.2 增强相的选择增强相的选择 立方碳化硅又名 -SiC，属立方晶系。-SiC 的 Mobs 硬度是 9.25-9.6，与金刚石 的 10 接近，光洁度比金刚石好；而其密度为 3.216 g/cm3，比大多数合金小一半，与铝 大致相同。-SiC 具有优良的耐腐蚀性、化学稳定性和热稳定性，优异的室温和高温强 度、高硬度、高温传导性、比重比大多数金属合金小一半，众多良好的性能使得 -SiC 有着广泛用途。 SiC 晶须是具有一定长径比的短纤维状单晶体，比颗粒状晶体有更多的优点，由表 2-3 可以看出：SiC 晶须比其它晶须具有更高的硬度、模量、抗拉强度和耐高温强度， 以 -SiC 晶须作为增强材料可以大幅度提高聚合物材料、各种涂层材料、军工材料、 航空航天材料的力学性能、热学性能和耐磨蚀、耐腐蚀性能，因此获得了越来越多的 应用21。 表 2-3 常见晶须性能比较 Table 2-3 Common whisker properties compared 晶须名称 晶须直径 D（um） 晶须长度 L（um） 密度 g/cm3 耐受 温度 °C 模量 GPa 抗拉强度 GPa 硬度 Mobs -Sic0.05-0.210-403.2296048020.89.5 a-SiC0.1-1.050-2003.2180039212.9-13.79.2-9.5 郑州轻工业学院工程硕士学位论文 10 -Si3N40.5-1.510-1003.2- a-Si3N40.1-0.650-3003.2190037713.79.0 Al2O3-BO0.5-1.010-302.914504008.07.0 K2TiO20.4-1.410-1003.313502805.74.0 SiC 晶须与纯镁有较好的物理润湿性，两者不发生化学反应，化学相容性好。因此 本实验采用 SiC 晶须作为增强相。 本实验所使用的增强相为山东永武晶须有限公司生产的 SiC 晶须。晶须 SEM 照片 如图 2-3 所示，晶须直径在 0.05-2.5m 左右，长径比20，纯度 99+。图 2-4 是 SiC 晶 须的能谱分析，没有发现其他相的存在。 图 2-3 SiC 晶须 SEM 照片 Fig.2-3 SEM image of silicon carbide whisker 图 2-4 碳化硅晶须的能谱分析结果 Fig.2-4 EDS analysis of silicon carbide whisker 第二章 实验方法及分析手段 11 2.2 制备方法的选择和技术路线的拟定制备方法的选择和技术路线的拟定 2.2.12.2.1 制备方法制备方法 镁基复合材料的制备方法选取粉末冶金法，粉末冶金法是把增强体和基体镁合金 粉末进行机械混合，并通过压制烧结制备成型的一种生产工艺10，广泛应用于制备颗 粒、晶须、纤维等增强金属基复合材料，与铸造法相比具有一下几个优点： 增强体 的选择余地大，并且可以在较大范围内任意调整增强体添加比例；烧结温度相对较 低，不易形成激烈的、有害的界面反应；不易因各元素密度不同而引起的沉降、偏 聚等现象，在基体内分布较为均匀，因此，更能充分发挥其增强效果；几近成型， 后续加工量少。 2.2.22.2.2 技术路线的拟定技术路线的拟定 根据粉末冶金理论，烧结过程分为两大类：不施加外压力的烧结和施加外压力的 烧结，简称不加压烧结（pressure less sintering）和加压烧结（applied pressure or pressure-assisted sintering） 。不加压烧结的制品一般存在小于 5的气孔，这是因为一方 面随着气孔的收缩，气孔中的气压逐渐增大，抵消了其作为烧结推动力的界面能的作 用；另一方面，这些封闭的气孔只能由晶格内扩散物质填充22，因此通常不能将气孔 完全填满。为了克服这两个弱点而制备出高致密度的材料，可以采用加压烧结，加压 烧结对于提高材料的致密度和降低烧结温度有着显著的效果，可以在较短时间内得到 体积致密、性能优良的制品，有助于提高生产效率，降低生产成本。 因此，本论文主要采用加压烧结的方式制备复合材料，制备工艺路线如图 2-5 所 示。 图 2-5 试验流程 郑州轻工业学院工程硕士学位论文 12 Fig 2-5 the experiment process 2.3 实验设备及化学试剂实验设备及化学试剂 2.3.12.3.1 实验设备实验设备 (1)RYJ-2000 型真空烧结压机，郑州机械设备研究所； (2)SYH-5 型三维混料机，最高转速 50rpm，启东汇龙混合设备有限公司； (3)XQM-L 卧式真空球磨机，长沙米琪仪器设备有限公司； (4)箱式电阻炉，上海康路仪器设备有限公司； (5)DZF-6020A 型真空干燥箱，北京中兴伟业仪器有限公司； (6)P-2 型金相镶嵌机：上海顺运贸易有限公司； (7)MMW-1 屏显式万能摩擦磨损试验机，济南思达测试技术有限公司； (8)模具：本实验采用自行设计的成型模具，其材料为石墨； (9)FA2104N 型高精度电子计数天平，d=0.1mg； (10)HVS-1000 型数显显微硬度计，上海联尔试验设备有限公司