搅拌熔铸法制备云母片晶/Mg复合材料

华小虎 王永辉（西安科技大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710054）



搅拌熔铸法制备云母片晶/Mg复合材料

华小虎 王永辉
（西安科技大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710054）

摘 要：本文对采用原位反应法—熔融搅拌方法制备高性能云母片晶/Mg复合材料进行了实验研究，该实验基于Mg-Si、Mg-SiO2系统的反应热力学理论，在镁合金中加入云母粉，利用Mg-Si合金结晶的特点，使云母粉与镁在凝固过程中反应原位生成Mg2Si增强相进而获得的合成镁基复合材料。同时，针对合成镁基复合材料的相组成和组织结构等的分析，利用了X-射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、高温摩擦磨损等高精度科学设备，对云母加入量对复合材料性能造成的影响进行了探讨。

关键词：搅拌熔铸法；原位复合；Mg2Si/Mg复合材料；显微组织

众所周知，镁基复合材料作为一种优秀的轻金属基复合结构与功能材料，相对于纯镁或镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、耐磨性、耐冲击性和耐高温性良好的优点。此外，它还具有电磁屏蔽和储氢性等特殊性能，在电子、汽车、航空等高新技术领域的应用前景十分广阔。目前，镁基复合材料的制备研究已经取得了许多优秀成果，在方法上包含了粉末冶金法（PM法）、铸造法（Casting Route）、熔体浸渗法、喷射法、薄膜冶金工艺法等。其中，搅拌铸造方法在制备镁基复合材料方面取得了较大的优势，分为全液态搅拌铸造工艺、半固态搅拌铸造工艺和搅熔铸造工艺等，而半固态成型方式以最大限度降低镁氧化烧损的优势获得了最大的应用空间。本实验研究即在前人方法研究的基础上，采用搅拌熔铸法来制备硅酸盐片晶云母/Mg复合材料，并初步分析测试了其组织结构与性能。

1 实验方法

1.1 实验原料及实验设备

金属镁（99.8%）；云母粉（天然）；10%的柠檬酸；衍射仪（型号：XRD-7000）、扫描电子显微镜（型号：德国蔡司ZEISSEVO18）、导热系数测定仪（型号：DL-III）和金相显微镜（型号OM-1）。实验研究方案则如图1所示。

1.2 实验步骤

本实验根据搅拌熔铸法制备高性能硅酸盐片晶/Mg复合材料，采用真空搅拌法在半固态基体合金熔体中形成涡流，以引入增强颗粒，混合均匀后升温浇铸，凝固得到所需隔热、耐磨和其他性能优异的镁基复合材料。具体实验步骤如下：

（1）按照实验配方配置坯料。

（2）用不同规格的砂纸对材料表面进行粗加工。

（3）用研钵对天然的片状云母进行研磨至粉末。

（4）在真空炉中600℃素烧，保温2h。

（5）待降温后取出，用砂轮初磨修整。

（6）采用不同规格的砂纸精加工成型。

图1 实验研究方案

图2 云母/Mg复合材料XRD衍射图谱

（7）对试样表面进行抗氧化处理。

（8）使用10%的柠檬酸对材料表面进行腐蚀。

（9）最后清洗试样进行表面修饰处理。

1.3 测试试样的制备

（1）X射线衍射试样制备

将金属块状试样粗磨成一个平面，其平面面积为20×20mm。为了测量残余奥氏体，测量金属样品的微观应力，我们对样品表面进行精加工打磨，并制成金相样品，用10%柠檬酸清洗，进行抛光，以消除表面应变层。对于断口的衍射分析，则要求相对平整并提供所含元素。

（2）导热试样的制备

实验样品制样直径一般小于30mm，高小于10mm。如果是很薄的试样，采用多层叠加法，而本实验材料取样尺寸大小为20×20mm的金属块状，将其表面粗磨、清洗、10%柠檬酸酸洗、烘干、并用保温材料保温。

（3）扫描电镜试样制备

扫描电镜试样制备须满足以下要求：保持完好的组织和细胞形态；充分暴露需要观察的位置，保持充分干燥的状态；有良好的导电性和较高的二次电子产额。本试样尺寸大小为10×10mm，其高度为5mm，对样品表面进行精加工、打磨、清洗、10%柠檬酸酸洗、烘干，并用导电胶把试样粘结在样品座上，即可放在扫描电镜中观察。

（4）高温摩擦磨损试样制备

高温摩擦磨损主要是为研究复合材料与原材料的耐磨性。材料表面的耐磨性与材料表面的粗糙度有关，而与接触面积的大小无关。依据运动性质，分为动摩擦和静摩擦。现制备出尺寸大小为20×20mm的块状Mg复合材料；另一组则为纯净Mg金属，其尺寸为20×20mm，将其打磨、抛光、酸洗以及烘干。

2 实验结果与分析

2.1 X射线衍射分析

如图2所示，图中凸起的部分都为典型的MFI结构衍射峰，并且有峰高强度和积分强度之分。峰高代表衍射强度，峰位则代表衍射角，峰宽代表结晶程度。半峰宽接近仪器的自然宽度，则结晶度较高；而衍射峰宽阔而弥散，则结晶度较小。同时，峰越高，衍射强度越大，晶粒越大，结晶越完美；反之峰越宽越矮，这可能是晶粒比较小、结晶较差导致的。图中Mg衍射强度最大，结晶程度较好；而Mg2Si的衍射强度较小，结晶也较差；Si的衍射角较大，其衍射强度最小，结晶程度也最小。

2.2 金相组织分析

在Mg基复合材料中，我们可以观测到孔洞的存在，这有可能是铸造过程中带入了一定数量的空气，凝固过程中气体不断出和溶化的合金不能及时补充而造成的，并且基体上可能还保留有一定的氧化膜，这些氧化膜在凝固过程中形成，随后被保留在基体组织中。

2.3 SEM扫描电镜

在5000倍扫描电子显微镜下，我们可以清楚地观察到白色的云母颗粒附着在Mg基上，标志着试样中已经有云母的存在。二次电子是扫描电镜最常用的物理信号，它对样品表面特征反应灵敏，分辨率高。我们可以明显观察到Mg基的大小形态、分布程度、断裂方式以及结构等微观特征。

2.4 导热系数测试

通常，物质的导热系数可以通过理论和实验两种方式来获得。热导率一般与压力关系不大，但受温度的影响很大。纯金属和大多数液体的热导率随温度的升高而降低，但水例外。另一方面，非金属和气体的热导率随温度的升高而增大。晶体冷却时，它的热导率增加极快。此外，固态物料的热导率还与它的含湿量、结构和孔隙度有关。一般含湿量大的物料热导率大，且物质的密度大；金属含杂质时热导率降低，合金的热导率比纯金属低。本实验测定的Mg基复合材料因结构、孔隙度、杂质等影响，导热系数显著降低。另外，天然云母具有良好的绝缘性和隔热性能，所以Mg基复合材料的导热系数会降低。

2.5 高温摩擦磨损的分析

在高强韧的Mg金属基体试样中加入较为均匀分布的增强相，磨损应力则主要由增强相承担，基体主要起连接支撑增强相、协调变形和承受冲击应力的作用。但复合材料成分分布、相分布复杂多变，难以获得准确的接触应力和摩擦温度系数。原位Mg2Si/Mg复合材料含有硬质相Mg2Si颗粒，具有良好的耐磨性，可以显著提高通信、汽车、电力等零件的使用寿命，其磨损机理是微观切削和脆性剥落磨损共同叠加作用的结果。由于Mg基体较软，磨损表面只是软的Mg基体时，压力使磨料垂直锲入表面，切向力使磨料与表面做相对运动，磨损面被剪切，但在Mg基体上分布有硬质的Mg2Si增强相时，Mg2Si/Mg复合材料的耐磨性提高。由于Si在Mg中的溶解度很小，几乎不固溶，所以加入的云母完全和Mg反应生成Mg2Si。Si的存在增加了Mg基体的承载能力，起到了硬质点的作用，软的基体上分布着硬质点有利于提高材料耐磨性。一般来说，Mg2Si/Mg复合材料的耐磨性是由硬质相Mg2Si和基体两者的磨损机制共同决定的。因此，Mg2Si/Mg复合材料的摩擦系数大于纯净Mg。

结论

与全液态搅拌铸造工艺和搅熔铸造工艺相比，半固态搅拌成型降低了镁在高温下的氧化烧损程度，且工艺设备简单、成本低，适用于大规模的工业生产。通过本实验制备的Mg2Si/Mg复合材料，使Mg2Si增强颗粒主要分布于晶界之间，绝缘性能绝热性能和耐磨性能相对于纯镁都有了显著提高。

参考文献

［1］于化顺.金属基复合材料及其制备技术［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［2］张发云，闫洪，陈国香. SiCp/AZ61镁基复合材料制备工艺和性能的研究［J］.铸造，2007，56（6）.

资助项目：西安科技大学培育基金（201303）。

中图分类号：O163

文献标识码：A