Mg含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料组织与性能的影响

俞德新 程世伟 张恒华

(1.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200444; 2.上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室,上海 200444; 3.上海大学材料科学与工程学院,上海 200444)

由于具有高的比强度、较好的力学性能和耐磨性能，颗粒增强铝基复合材料已成为近年来新材料开发的重要方向[1- 2]。然而由于SiC颗粒与铝合金熔体之间较难润湿，会导致颗粒在铝合金中分布不均匀，因此如何减小SiC颗粒与铝合金结合处的固- 液界面能，使增强颗粒与铝合金熔体能良好地润湿是研究的热点[3- 4]。SiC颗粒在铝合金熔体中会发生复杂的化学反应，促进SiC颗粒与铝合金熔体的润湿和提高二者界面的结合强度，但同时SiC颗粒与熔体的界面处也往往会发生不利的化学反应。加入某些元素如Mg、Ca、Ti、Zr等，可改善SiC颗粒与铝合金熔体的润湿性，降低铝合金熔体的表面张力，减小固- 液界面能，从而促进润湿。有研究[5- 6]表明，Mg在促进SiC颗粒进入铝合金熔体、使颗粒在铝合金中均匀分布的作用比La、Zr、Ti、Bi、Co、Zn等元素更明显。添加了镁的铝合金具有密度小、强度高、耐蚀性好等特点[7]。镁可减小熔体的表面张力，促进颗粒表面的SiO2氧化膜与铝合金熔体之间发生化学反应SiO2+Al+Mg→MgAl2O4+Si。镁比铝活泼，会优先与氧反应使氧化铝膜破裂，有利于明显改善A356合金与SiC颗粒的润湿性，也有利于两者的复合并在颗粒表面形成新的强化相，从而降低固- 液界面能。此外，文献[8]指出，硅的质量分数低于12%、镁的质量分数高于0.2%的铝合金将有Mg2Si强化相形成。而A356铝合金中硅的质量分数为7%左右，镁的质量分数为0.35%左右，且两者电负性相差较大，所以有形成Mg2Si强化相的倾向，从而提高复合材料的强度[9]。

本文采用半固态搅拌铸造法，以550 r/min的搅拌速度在600 ℃搅拌30 min，制备了不同镁含量的SiC颗粒增强A356合金基复合材料，观察、测试和分析了复合材料的显微组织、力学性能和摩擦磨损性能。

1 试验材料与方法

试验用SiC颗粒的粒径为60 μm，加入量为15%(质量分数，下同)。基体材料为A356铝合金，其化学成分如表1所示。在加入搅拌前，对镁进行表面处理以去除氧化膜。

表1 试验用A356铝合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the tested A356 aluminum alloy (mass fraction) %

将铝合金原料放入电阻炉的坩埚内加热到720 ℃并保温一段时间，随后降温到600 ℃保温，加入经过氧化处理并预热的SiC颗粒和不同量的镁，以550 r/min的搅拌速度搅拌30 min，随后快速升温到720 ℃浇注。然后拍摄金相照片，采用Image- Pro Plus软件统计复合材料中SiC颗粒的含量。采用HITACHI SU- 1500SEM观察SiC颗粒的分布状态。在MMS- 2A型磨损试验机上测定复合材料的磨损率，试样尺寸为3 mm×7 mm×10 mm，摩擦副材料为内径16 mm、外径40 mm、厚10 mm的合金铸铁圆环，硬度为55 HRC，试验力为100 N，上试样保持静止，下试样转速为200 r/min。根据阿基米德原理测定基体合金和复合材料的密度，计算其孔隙率。

2 试验结果与分析

2.1 镁含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料显微组织的影响

图1为SiC颗粒增强A356合金基复合材料的元素面分布SEM图，结合图2复合材料的XRD图谱可知，镁与硅以具有一定宽度的网状结构相邻分布于基体中。由图2可知，当镁加入量低于2%时，复合材料的物相主要为基体Al、SiC和Si；当镁加入量增加到2%和3%时，复合材料的物相主要为基体Al、SiC、Si和Mg2Si，即随着镁含量的增加，SiC颗粒增强A356合金基复合材料中Mg2Si相的含量逐渐增多。

图1 SiC增强A356合金基复合材料的SEM形貌和铝、硅、镁的SEM分布图Fig.1 SEM morphology and distribution patterns of aluminum, silicon and magnesium for the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

图3为不同镁含量的SiC颗粒增强A356合金基复合材料的显微组织。结合图1可知，图3中白色部分为α(Al)，灰色部分为Al和Si的共晶体。同时可以看出，随着镁含量的增加，共晶硅的尺寸减小，且逐渐成网状分布。其原因是，铝合金在凝固过程中，由于加入的溶质原子在固液两相中的扩散速率相差较大，使固- 液界面前沿的液相中镁的浓度增大，导致成分过冷[10]。图3中的网状结构是铝合金在凝固过程中的最后部位，铝熔体在凝固处生成Mg2Si强化相使共晶硅的数量减少，从而减轻了共晶硅的偏析。同时，随着镁含量的增加，α(Al)的尺寸减小，由图3可知，当加入3%Mg时，α(Al)比加入2%Mg时的粗大。镁的加入会使元素在晶界处偏聚，使晶界处出现多种化合物。适量的镁会细化晶粒，加入3%Mg的复合材料晶粒开始长大，晶界处的化合物也开始增多。

图2 SiC颗粒增强A356合金基复合材料的XRD图谱 Fig.2 XRD patterns of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

图3 未加Mg和加1%、2%和3%Mg的SiC颗粒增强A356合金基复合材料的显微组织Fig.3 Microstructures of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite without Mg and with 1%, 2% and 3% Mg

2.2 镁含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料孔隙率的影响

图4为镁含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料孔隙率的影响，可以看出，不加入镁的复合材料的孔隙率较高，为4.5%左右， 随着镁加入量的增加，复合材料的孔隙率降低，含2%Mg的复合材料的孔隙率最小。但含镁量更高的复合材料的孔隙率反而增大。主要原因是，加入较少的镁可以促进SiC颗粒与铝合金的润湿，从而降低复合材料的孔隙率。另一方面，加入的镁与A356铝合金中硅反应生成Mg2Si强化相从而提高复合材料的性能，但该反应会明显消耗A356铝合金中的硅，降低合金的铸造性能，导致复合材料的致密度减小。增加A356铝合金的镁含量反而会降低其铸造性能，导致其孔洞增多，即孔隙率增大。

图4 镁含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料孔隙率的影响Fig.4 Effect of magnesium contents on porosity of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

2.3 镁含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料颗粒分布均匀性的影响

图5为SiC颗粒增强A356合金基复合材料中SiC颗粒的分布均匀性系数随镁含量的变化。由图5可知，随着镁含量的增加，D值逐渐减小，表明镁能改善SiC颗粒分布的均匀性。这是因为一方面镁的表面张力为0.599 N·m-1，铝的表面张力高于镁，为0.760 N·m-1，镁的加入使铝合金熔体的表面张力降低，促进SiC颗粒在铝合金中较为均匀地分布。同时，镁能促进SiC颗粒与铝合金在两者结合处发生化学反应，提高SiC颗粒与铝合金之间的润湿性，导致固- 液界面能降低，促进SiC颗粒均匀分布[11]。

2.4 Mg含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料性能的影响

Du等[12]研究了原位合成SiC颗粒对Al- Si合金性能的影响，结果表明SiC颗粒能提高合金的硬度和耐磨性。图6为SiC颗粒增强A356合金基复合材料的硬度随镁含量的变化。由图6可知，复合材料的硬度随着镁加入量的增加而升高，不加入镁的复合材料硬度仅为78.90 HB，加入1%Mg就使硬度显著升高，加入2%Mg的复合材料硬度最高，为102.10 HB，提高了29%。而加入3%Mg的复合材料的硬度则又下降。硬度升高可归因于：(1)镁的加入使SiC颗粒分布更加均匀；(2)镁会与硅形成强化相Mg2Si，随着镁含量的增加，Mg2Si的生成量也增加。但是加入3%Mg的复合材料硬度下降，主要是因为过多的镁会导致复合材料的孔洞增多，孔隙率提高，从而恶化复合材料的性能[13]。

图5 镁含量对SiC颗粒在铝合金基体中分布均匀性的影响Fig.5 Effect of magnesium contents on distribution uniformity of SiC particles in the aluminum alloy matrix

图6 镁含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料硬度的影响Fig.6 Effect of magnesium contents on hardness of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

镁含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料磨损率的影响如图7所示。图7表明，不含镁的复合材料的磨损率最大，说明镁能有效提高铝合金的耐磨性。同时可以看出，镁含量不同的复合材料磨损率也不同磨损时间不同，加入2%Mg的复合材料的磨损率均最小，耐磨性能最好。镁含量低于2%的复合材料，随着镁含量的增加，其磨损率减小，耐磨性能提高。结合图6可知，材料的耐磨性能主要与硬度有关，硬度越高，材料的磨损率越小。镁含量小于2%的复合材料的硬度随着镁含量的增加而上升，但镁含量大于2%的材料的硬度则下降，故含镁量为2%的复合材料的耐磨性能最佳。此外，含3%和1%Mg的复合材料的硬度相近，含1%Mg的复合材料的磨损率比含3%Mg的大，主要原因是过多的镁会导致SiC颗粒与铝合金基体结合处发生有害反应，导致孔隙率增大，降低材料的耐磨性。

图7 镁含量对SiC颗粒增强A356合金基复合材料磨损率的影响Fig.7 Effect of magnesium contents on wear rate of the SiC particle reinforced A356 alloy- based composite

3 结论

(1)镁的加入改善了SiC颗粒与铝合金间的润湿性，使SiC颗粒在A356合金基体中的分布更为均匀。

(2)随着镁含量的增加，SiC颗粒增强A356合金基复合材料中Mg2Si相的含量也增多，含2%Mg的SiC颗粒增强A356合金基复合材料中颗粒分布均匀，孔隙率低，硬度最高，耐磨性最优。