（材料加工工程专业论文）原位自生mg2siam60复合材料性能及流变成形的研究.pdf

摘要 l iil l l ii ii i i ii i i i i ii il 17 4 5 0 0 0 摘要 镁基复合材料能有效地改善基体材料的性能，当前研究主要集中在外加颗 粒增强制备复合材料，此法工艺相对复杂，热稳定性能较差。原位合成制备复 合材料的方法因其工艺简单，界面结合好，成为目前制备复合材料工艺的主要研 究对象。压铸是镁合金主要成形方法，液态压铸易卷气、铸件不能热处理等诸 多缺点降低了产品成品率。和液态压铸相比，流变压铸因其特有的优势而得到 了大力发展。本文研究内容主要包括： 在镁合金a m 6 0 基体里加入s i 粉，采用机械搅拌法原位制备m 9 2 s i a m 6 0 复合材料，研究不同质量分数s i 粉对m 9 2 s i a m 6 0 复合材料组织和性能的影响， 优选出结晶s i 粉加入质量分数，并对m 9 2 s i a m 6 0 复合强化机理进行了研究。 结果表明，m 9 2 s i 以中国汉字状分布于组织中。随s i 质量分数增加，复合材料 硬度得到提高，强度达到一个峰值后降低，塑性持续下降。 研究m 9 2 s i a m 6 0 复合材料不同参数( 载荷、s i 质量分数、滑动速度) 对 。摩擦磨损性能影响和各种工况条件下的磨损机理。发现随着s i 质量分数的增加， 复合材料摩擦磨损性能得到加强。外加载荷的增加，复合材料磨损量持续增加， m 9 2 s i a m 6 0 复合材料有效推迟a m 6 0 基体微量磨损向严重磨损转变拐点的到 来。对各个摩擦磨损过程中的磨损机理进行了深入的研究。 用机械搅拌法制备m 9 2 s i a m 6 0 复合材料半固态浆料，就不同参数( 剪切 速度、剪切时间、剪切温度) 对浆料组织的影响进行了研究，发现剪切速度越 高，球状固相颗粒越细小，当剪切速率达到y = 1 3 6 1 5 s 一后，剪切速率增加，球 状固相颗粒形状、尺寸不再变化；剪切时间过短，枝晶不能完全打碎，剪切时 间过长，固相颗粒会长大，部分球状颗粒受热变形；剪切温度过低，固相分数 变多，球化不明显，剪切温度过高，液相增多，固相开始熔化。 用优选好的工艺参数制备半固态浆料进行流变压铸成形，分析零件组织及 其外观。与液态压铸件( 浇注温度6 6 0 c ) 对比，发现流变压铸件组织致密，气 孔少，零件表面质量好。流变压铸在浇注温度为5 9 0 时发生欠铸现象，主要是 由浇注温度过低，m 9 2 s i a m 6 0 复合材料粘度大，流动性不足造成的。最后，对 压铸件产生飞边、网状流纹、粘模、气孔等缺陷形成原因和改善方法进行探讨。 关键词：原位合成；镁基复合材料；摩擦磨损；半固态；流变压铸； a b s t r a c t a b s t r a c t m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e ，i t b e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o ta th o m ea n da b r o a d a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c hf o c u s co n p a r t i c l e r e i n f o r c e dw h i c ht h ep r o c e s s i n go fm e t h o ds o m e w h a tc o m p l i c a t e da n dp o o r t h e r m a ls t a b i l i t y b e c a u s eo fs i m p l ep r o c e s s ，e x c e l l e n tg r a i nb o u n d a r yc o m b i n a t i o n a n do t h e ra d v a n t a g e s ，t h em e t h o do fi n - s i t ut op r e p a r ec o m p o s i t e sb e c a m et h em a i n o b j e c to fs t u d y i na d d i t i o n , d i e c a s t i n gi st h em a i no fm a g n e s i u ma l l o yf o r m i n g p r o c e s s ，t h ec o n v e n t i o n a lh i 曲- p r e s s u r ed i e - c a s t i n g ( h p d c ) d e f e c t si nm u l t i - c a v i t y t y p e ，e a s yt ov o l u m eg a s ，n o n - h e a t t r e a t e d c o m p a r e d 谢t l lt h o s ep r o d u c e db yh p d c a n da n yo t h e rs s mp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，t h er h e o d i e c a s t i n g ( r d c ) p r o c e s sh a s b e e ng r e a td e v e l o p e df o rn e a r - n e ts h a p ec o m p o n e n t s t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e ： a d d e dt h es ip o w d e ri n t oa m 6 0 ，m 9 2 s i | a m 6 0c o m p o s i t e sw a sp r e p a r e db y m e c h a n i c a ls t i r r i n gi n s i t u d i f f e r e n tc o n t e n t so fs ip o w d e ra f f e c to nm a t e r i a l sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm g a s i | a m 6 0c o m p o s i t e sw e r es t u d i e d ，a n di d e n t i f i e dt h e o p t i m a ld o s a g eo fs i 1 1 1 em 9 2 s i a m 6 0c o m p o s i t e ss t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mh a s b e e ns t u d i e d 1 1 1 ec o n c l u d es h o wt h a tc h i n e s ec h a r a c t e r st y p em 9 2 s id i s t r i b u t e di n t h em i c r o s t r u c t u r e 埘t l lt h es ic o n t e n ti n c r e a s e ，t h eh a r d n e s so fc o m p o s i t e sw a s i m p r o v e d ，s t r e n g t hw i l lr e a c hap e a ka n dt h e nd e c r e a s eq u i c k l y , p l a s t i c i t yc o n t i n u e d t od e c l i n e b ys t u d y i n gt h em g ：s i a m 6 0c o m p o s i t e s 晰t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ( 1 0 a d ，s i m a s sf r a c t i o n ，s l i d i n gs p e e d ) o nt h ef r i c t i o na n dw e a rp e r f o r m a n c ef o u n dt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo fs ic o n t e n t ，m 9 2 s i | a m 6 0f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e sw a sr e i n f o r c e d w i t hi n c r e a s eo fs ic o n t e n t s ，t h ew e a r m a s so fm 9 2 s ila m 6 0c o m p o s i t e sc o n t i n u e d t od e c r e a s e m 9 2 s i | a m 6 0c o m p o s i t e sc a np o s t p o n et h ea r r i v a lo fi n f l e c t i o np o i n t u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r s ，g o tai n d e p t hs t u d yo nt h ep r o c e s so f w e a rm e c h a n i s m s e m i s o l i ds l u r r yo fm 9 2 s i | a m 6 0c o m p o s i t e sw a sp r e p a r e db ym e c h a n i c a l s t i r r i n ga n ds t u d i e dd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ( s h e a rr a t e ，s h e a rt i m e ，s h e a rt e m p e r a t u r e ) a f f e c to nt h em i c r o s t r u c t u r eo fs e m i - s o l i ds l u r r y i tw a sf o u n dt h a tt h eh i g h e rs h e a r s o m es p h e r i c a lp a r t i c l e sw o u l db ed e f o r m a t e d s h e a rt e m p e r a t u r eg e tl o w e r , s o l i d f r a c t i o ng e tm o r e a th i g hs h e a rt e m p e r a t u r e ，l i q u i dp h a s ei n c r e a s e d ，as m a l lp a r t so f s o l i d - p h a s es t a r t e dm e l t i n g c o m p a r e dw i t hh p d c ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n da p p e a r a n c eo fp a r t sw h i c h p r o d u c e db yr d c ，t h e m i c r o s t r u c t u r eo fr d cw a sd e n s e ，l o wp o r o s i t ya n dh a v ea g o o ds u r f a c e t h er e a s o n so fg e n e r a t e do ff l a s hd e f e c t s ，r e t i c u l a rp a t t e r nd e f e c t s ， m o d u l u sv i s c o u sd e f e c t sa n do t h e rd e f e c t sw e r es t u d i e d k e yw o r d ：i n - s i t u ；m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e s ；f r i c t i o na n dw e a r ；s e m i s o l i d ； r h e o - d i e c a s t i n g l l l 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 原位合成镁基复合材料的方法及发展前景2 1 2 1 增强相的选择2 1 2 2 原位合成镁基复合材料的方法2 1 2 3 原位自生镁基复合材料的发展前景4 1 3 金属基复合材料摩擦磨损一5 1 3 1 磨损主要形式5 1 3 2 金属基复合材料摩擦磨损研究进展6 1 4 半固态金属加工技术6 1 4 1 半固态金属浆料制备技术7 1 4 2 半固态金属成形工艺9 1 4 3 金属半固态加工技术应用现状及发展趋势1 1 1 5 金属基复合材料半固态成形的研究1 3 1 5 1 金属基复合材料流变成形的研究1 3 1 5 2 金属基复合材料触变成形的研究1 4 1 6 本文研究内容及意义1 4 1 6 1 研究内容14 1 6 2 研究意义15 第二章m 9 2 s i a m 6 0 复合材料的制备工艺1 6 2 1 引言一16 2 2 实验材料及过程16 2 - 2 1 复合材料的制备1 6 2 2 2 微观组织观察18 2 2 3 材料力学性能测试实验1 8 2 3s i 对原位自生m 9 2 s i a m 6 0 复合材料组织的影响1 9 i v 2 5 3o r o w a n 强化2 9 2 6 本章小结3 0 第三章复合材料摩擦磨损的研究。31 3 1 引言31 3 2 试验方法及实验设备31 3 3 实验结果及分析3 2 3 3 1 实验参数对磨损量影响规律：3 2 3 3 2 磨损表面特征3 5 3 4 磨损机理3 8 3 4 1 磨料磨损= - 3 8 3 4 2 氧化磨损3 8 3 4 3 粘着磨损3 9 3 4 4 剥层磨损4 0 3 5 本章小节4 1 第四章复合材料半固态非晶枝组织的制备4 2 4 1 弓i 言4 2 4 2m 9 2 s i a m 6 0 复合材料半固态非晶枝组织的制备4 2 4 3m 9 2 s i a m 6 0 复合材料半固态非晶枝组织4 4 4 4 机械搅拌法金属半固态组织形成机理分析4 8 4 5 本章小结4 9 第五章复合材料流变压铸成形的研究5 0 v 目录 5 1 引言5 0 5 2 工艺参数对压铸件的影响5 0 5 2 1 压力的影响5 0 5 2 2 速度的影响5 2 5 2 3 时间的影响5 2 5 2 4 温度的影响5 3 5 3 流变压铸实验5 4 5 3 1 实验材料及设备5 4 5 3 2 实验方案5 6 5 4 实验过程5 7 5 4 1 半固态浆料的制备。5 7 5 4 2 压铸流程5 8 5 5 实验结果及分析5 8 5 5 1 简单压铸件表面质量及组织比较5 8 5 5 2 常规压铸中间轴螺塞缺陷分析6 0 5 5 3 流变压铸中间轴螺塞缺陷分析6 2 5 6 本章小结6 4 第六章结论与展望。6 5 6 1 结论6 5 6 2 展望6 6 致谢6 7 参考文献6 8 攻读学位期间的研究成果7 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 镁合金作为最轻质的金属工程结构材料，因其具有比重轻、比强度、比刚 度高；阻尼减振、降噪能力、抗辐射能力强，特别适合在交通工具、手动工具、 航空航天及国防军工等领域应用。但塑性差、强度低、弹性模量低、耐蚀性和 耐热性差等缺点限制了镁合金在工业上的应用【l 一钉。众所周知，复合材料既能保 留原有材料的主要特性，还能通过材料复合获得原组分不具备的性能。复合材 料按增强体类型可分为：叠层式复合材料、片材增强复合材料、颗粒增强复合 材料、纤维增强复合材料【5 】。因此，通过向镁合金中加入高强度，高弹性模量， 高热稳定性能的晶须、纤维、颗粒等制备复合材料已成为开发应用镁合金的重 要手段之一。 复合材料的制备方法很多，原位合成法是目前观注度较高的一种。原理是： 在一定条件下，往基体中加入适量合金元素或化合物，元素之间化学反应，在 金属基体内原位合成一种或几种高硬度、高弹性模量的增强相，最终达到强化 金属合金基体的目的。原位自生复合材料技术因具有工艺简单，成本低廉，在 金属基复合材料的制备中有着广阔的发展前景f 6 ，7 】。 压铸是镁合金的主要成形手段，传统液态压铸，加工温度高、压铸件不能 热处理、模具寿命短，且加工过程中易产生缩孔、缩松等缺陷。目前镁合金传 统压铸件成品率不高，生产成本高，铸件质量差，限制了镁合金在工业上的应 用。早在1 9 世纪7 0 年代，麻省理工学院f l e m i n g 教授提出金属半固态成形方法， 开辟了金属成形的新领域。半固态压铸成形能很好地解决常规压铸问题，得到 国内外专家、学者的重视【8 9 】。这种方法拥有改善传统液态金属成形缺点，又能 节约能源，经过几十年的研究发展，已成为国内外研究热点。 半固态压铸分为流变压铸和触变压铸，触变压铸工艺过程复杂，需二次加 热，生产成本高。流变压铸工艺简单，生产成本低，材料损失少，节约能源， 容易在工业生产中推广。目前，研究人员开始从触变成形转向对流变成形的研 究。 第一章绪论 1 2 原位合成镁基复合材料的方法及发展前景 1 2 1 增强相的选择 增强相是制备金属基复合材料首要考虑问题，它直接影响复合材料的性能。 选择增强相主要从内部性能和外部性能两方面考虑：增强相本身的物理和化 学性能。增强相和基体合金界面结合性。增强相本身应具有较高的弹性模量、 高强度和高熔点、热膨胀系数与基体尽可能接近、热稳定性好等特点；界面特 点应具有与基体合金润湿性能好。达到以上条件，能有效减少复合过程中界面 反应及对增强相的破坏，改善界面结合，提高复合材料的高温性能。考虑到生 产中的经济因素，应选择价格便宜、制备工艺相对简单的增强相。综上，在复 合材料制备中，选择的强相般为：s i c 、a 1 2 0 3 、a 1 3 t i 、t i b 2 、t i c 、b 4 c 、m g o 、 m 9 2 s i 等l iu j 。这类增强相都具有高模量、高强度、良好的高温性能，同时和 镁合金基体物理、化学相容性都很好。表1 1 列出几种原位生成增强相的性能： 表i 1 几种增强体的特性 t a b l e1 1 p r o p e r t i e so fp a r t i c l e sr e i n f o r c e d 表中看出，三种化合物都满足作为改善复合材料性能的增强相，其中m 9 2 s i 在镁中溶解度小，熔点相对镁液高，热稳定性能好，不容易溶解，最重要的是 不会和镁基体固相反应。因此本文以m 9 2 s i 为增强相原位合成m 9 2 s i a m 6 0 镁 基复合材料。 1 2 2 原位合成镁基复合材料的方法 1 2 2 1 自蔓延高温合成( s h s ) 自蔓延高温合成法( s e l f - p r o p a g a t i n gh i n g t e m p e r a t u r es y n t h e s i s ) 由前苏联 科学院院士m e e r x h a n o v 及其同事在2 0 世纪6 0 年代提出。主要原理是通过外部 热源诱发化合物发生放热反应，由局部放热反应引发临近化合物反应，从而形 成一波一波的放热反应向未反应化合物推进，最终达到合成整个试样的目的i l 引。 2 第一章绪论 优点：工艺简单、合成时间短、合成产物污染小、纯度高、节约能源。缺点： 反应速度过快，合成过程难以控制，合成物孔隙率高、密度低，需二次加工才 能使用。只适用于增强相质量分数高的复合材料合成。 h yw a n g 等1 1 3 】制备了t i b 2 m g 复合材料。结果发现，t i b 2 为以尺寸为2 u m 的四边形或六边形均匀分布在基体里。同时存在难消除的大块易脆相t i a l 3 ，加 入适量的c 可将t i 砧3 相消除。 1 2 2 2 放热反应法( x d ) 放热反应法( e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n ，简称x d 法) 由美国m a r t i nm a r i e t t a 实 验室在1 9 8 3 年开发。其基本原理：把含反应剂元素的合金粉末或反应剂元素与 体金属粉末混合均匀后，加热到合金或基体金属熔点以上，利用放热反应在基 体材料中分散陶瓷颗粒或晶须的原位合成复合材料技术。优点：颗粒形状好、 分布均匀、颗粒含量变化范围大，界面结合好，和s h s 法一样，利用放热反应 散发的热量合成，节约能源。缺点：反应过程不易控制，工艺要求高，合成的 复合材料多孔，不能直接使用。 h z y e 等1 1 4 l 在a m 6 0 合金中加入m 9 3 n 2 ，升温至7 0 0 c 时制备出a 1 n 颗粒 增强镁基复合材料。a i n 颗粒分布不均匀，且尺寸大。 1 2 2 3 直接反应合成法( d r s ) 直接反应合成法( d r s ) 是x d 法的衍生方法。基本原理是将一种或几种反 应物以粉料或压坯形式加入到金属熔体中，通过熔体温度引发反应物和熔体内 合金元素反应合成增强相后，用机械搅拌等方法，分散增强相，得到的增强相 尺寸细小，分布均匀。此法不需先把基体合金制成粉末，而是直接将基体合金 熔化，工艺简单、成本低廉、界面结合良好。 于化顺等【峙】分析了s i 0 2 与m g - l i 熔体的反应动力学，得出s i 0 2 与m g l i 熔体反应的动力学模型及速度表达式，最终确定形成m 9 2 s i 的位置。王连登等1 1 6 】 研究了s i 对m 9 2 s i z m 5 复合材料组织的影响。 1 2 2 4 反应自发浸渗法( r s i ) 反应自发浸渗法( r e a c t i v es p o n t a n e o u si n f i l t r a t i o n ，简称r s i ) 指将反应物 的混合粉料和基体合金在一定气氛下( 如n 2 ) 一起加热，基体合金熔化后在毛 细力作用下自发浸渗到反应物的孔隙中与反应物发生反应，生成形状细小、热 3 第一章绪论 力学稳定的陶瓷增强相。优点：能制备增强相质量分数高的复合材料。缺点： 浸渗厚度受到限制，只能制备尺寸较小的复合材料。 w a n gj i - j i e 等【1 7 】制备了体积分数为4 2 1 t i c a z 9 1 d 的复合材料。结果表 明，a z 9 1 d 和复合材料的拉伸变形符合h o l l o m o n 定律，当温度在4 2 3 k - 7 2 3 k 范围时，a z 9 1 d 的n 值从o 1 1 至0 3 2 变化，表现为韧性断裂，复合材料硬化指 数n 从0 7 1 变化至0 8 2 并表现为脆性断裂。 1 2 2 5 机械合金化法( m a ) 机械合金化法( m e c h a n i c a la l l o y i n g ，简称m a ) 是b e n j a m i n 在二十世纪7 0 年代首次使用的。原理是固态合金粉末通过球磨法，在原子间相互扩散作用下， 合成得到复合材料。该合成技术主要机理是固态扩散反应合成。优点：工艺简 单，制备复合材料时不受相图规律束缚，增强相尺寸小( 最小可达纳米级) 、分 布均匀。缺点：球磨过程中温度高，小尺寸粉末合金易氧化。此法合成复合材 料需烧结、热压等处理后才能用于成形，增加了生产工艺，提高了成本。 m o l a i 等1 1 8 】制备了尺寸约为2 4 n m 的增强颗粒。结果表明，没有经过机械 球磨的混合粉末温度升至5 0 0 也不会发生反应。球磨后混合粉末温度升至 3 9 0 c 时，就有放热反应发生。l w a n g 等【1 9 】制备m 9 2 s i 增强颗粒镁基复合材料。 研究发现，机械球磨后的粉末，m 9 2 s i 相可在1 8 0 就开始形成，未进行球磨处 理的粉末m 9 2 s i 相在4 6 0 c 才会形成。而机械球磨时间从2 0 h 增至7 0 h 时，m 9 2 s i 的平均颗粒尺寸由7 4 n m 降至4 4 n m 。l l u 等【2 0 2 1 】也得出了相同结论。s h w a n g 等【2 2 】合成了分布均匀，大小约3 - 7 r i m 的颗粒增强相t i c 。 1 2 2 6 熔盐辅助合成法( f a s ) 熔盐辅助合成( f l u x a s s i s t e ds y n t h e s i s ，简称f a s ) ，由l o n d o ns c a n d i n a v i a n m e t a l l u r g i c a l 公司开发。此工艺将k 2 t i f 6 和k b f 4 等盐类加入到熔体中反应生成 所需的增强相。m a m a t i n 掣2 3 j 将k 2 t i f 6 和k b f 4 加入到镁熔体中，制备了大 小从纳米级至1 3 1 x m 的t i b t i b 2 颗粒。目前这种方法复合铝基材料较多，而针 对镁基复合材料使用的较少。 1 2 3 原位自生镁基复合材料的发展前景 原位自生颗粒增强复合材料是近几年出现的复合材料制备新工艺，原位合 成的增强相是基体反应自生成的热力学稳定相，不存在外加颗粒增强法增强相 4 第一章绪论 表面被污染、与基体界面相容性差等缺点，同时它具有工艺简单，成本低廉等 优势，是复合材料制备法中很有发展前景的一种方法。 虽然目前原位合成制备镁基复合材料工艺还不完善，但原位合成制备复合 材料的优势明显，国内外不少研究所展开了大量研究，随着原位自生制备镁基 复合材料理论、工艺、设备等配套越来越完善，不久的将来，原位制备镁基复 合材料必将推广到生产领域，为国家工业做出贡献。 1 3 金属基复合材料摩擦磨损 磨损是机械零件失效主要原因之一，据统计，工业发达国家能源消耗在磨 损上约占总能源消耗的3 0 ，美国每年因摩擦磨损造成直接经济损失达1 0 0 0 亿 美元，据我国相关部门统计，每年因磨损造成损失约为4 0 0 亿元人民币，因此， 随着科学发发展和进步，世界各工业发达国家都非常重视磨损问题，并积极开 展了摩擦磨损的研究与应用【2 4 , 2 5 】。 1 3 1 磨损主要形式 材料摩擦与磨损是自然界不可逆过程，两者有密不可分的联系也有着本质 的区别。摩擦是能量转换的过程，磨损是材料摩擦后的损耗。没有摩擦就没有 磨损。磨损是由摩擦过程中多个因素相互影响的结果，它和摩擦副材料性质， 表面质量，摩擦时的载荷、温度、速度、工况环境等有关。不同的摩擦因素会 导致多种形式的磨损结果。主要的磨损形式包括：粘着磨损、磨料磨损、氧化 磨损、剥层磨损，另处还有发生在特殊工况条件较的微动磨损、冲蚀磨损等【2 5 1 。 1 3 1 1 粘着磨损 粘着磨损是指材料受法向载荷，两物体相接触并发生滑动摩擦而产生材料 损耗的现象。在这种磨损形式下，材料通常遵循粘着断裂再粘着的循 环过程。磨损产物可以在任意摩擦周期中形成，且不一定会附着在初始材料接 触面上。粘着磨损一般分为跑合磨损、稳定磨损、急剧磨损三个阶段。 1 3 1 2 磨料磨损 磨料磨损是指材料表面有微凸体或外加硬颗粒，在摩擦表面接触并相互滑 动后，表面材料损耗的现象。磨料磨损的发生经常是多种磨损机理综合作用的 结果。在滑动磨损时，材料接触面受法向应力和水平分力，法向应力使硬颗粒 5 第一章绪论 压入摩擦材料，水平分力使硬颗粒和摩擦材料发生水平位移。二力共同作用， 在摩擦材料表面留下犁削沟。磨料磨损主要分为低应力擦伤式磨损和高应力碎 式磨损。 1 3 1 3 氧化磨损 氧化磨损在干摩擦中很常见，实质是在摩擦过程中，随着摩擦材料接触面 温度的增加，材料表层可能和空气中氧气发生化学反应，生成氧化物在材料摩 擦面形成氧化膜。氧化膜的存在有时会增强材料的耐磨性，一旦发生氧化膜脱 落，脱落部分成为摩擦面磨料，就转化为磨料磨损。按摩擦过程中生成的氧化 膜是脆性还是韧性，氧化磨损分为脆性氧磨损和韧性氧化磨损两大类。 1 3 1 4 剥层磨损 剥层磨损是严重磨损中的一种，是指法向载何由触点传递后，相对较软材 料的微凸体塑性变形后，材料亚表面可能发生裂纹，随着循环载荷的积累，直 至局部表层脱落。剥层磨损也不是单一的磨损形式，往往包括多种磨损机理。 1 3 2 金属基复合材料摩擦磨损研究进展 陈体军掣2 6 1 分别研究了s i d 体积分数、实验温度对z a 2 7 耐磨性的影响。结 果表明，随着s i 廿体积分数的增加，耐磨性并不是单纯增大，而是增大一减小一 再增大的过程。温度升高耐磨性有所减小，并分别讨论了两参数条件下的磨损 机制。张磊掣2 7 1 研究了原位合成t i b 2 a 1 7 s i 复合材料的微观组织及摩擦磨损行 为。结果表明，复合材料耐磨性比基体明显提高，原因是表面生成致密机械混 合层。t i b 2 在摩擦过程中起抑制金属流动和支撑的双重作用。c y h l i m 等【冽 研究了s i c p 颗粒增强a z 9 1 干摩擦性能，发现低载荷条件下，复合材料提高了 耐磨性，磨损机理分别是擦伤、氧化、剥层、粘着、软化和熔化。复合材料在 载荷为1 0 n 以下，耐磨性比基体提高了1 5 , - - 3 0 ，磨损机理主要是氧化磨损。 当载荷达到3 0 n 时，复合材料耐磨性开始下降，磨损机理从剥层、擦伤磨损转 变到粘着磨损。经研究表明，复合材料只在载荷3 0 n 和速度5 m s 以下才能起到 改善磨损性能的作用。 1 4 半固态金属i j n - r 技术 传统金属成形分为液念成形和固态成形：金属液态成形包括铸造、液态模 6 第一章绪论 锻、液态轧制、连铸等；金属的固态成形包括轧制、锻造等。2 0 世纪7 0 年代初， 在美国麻省理工学院f l e m i n g s 教授的领导下，d b s p e n c e r 等人在用自制高温粘度 计测量s n 1 5 w t p b 合金高温粘度的实验中首次发现半固态形态金属的特殊力学 行为，并对半固态金属力学行为和成形特点做了深入细致的研究，创立了半固 态金属成形的基本概念和理论体系1 2 9 , 3 0 。 半固态金属加工技术是：金属在凝固过程中，外界施加剧烈的搅拌或扰动， 改变初生固相形核、长大的过程，最终得到含有悬浮一定数量的球状固相的金 属液。它是一种固液混合熔体，用这种固液混合金属熔体加工成形的方法称为 半固态金属加工技术。与传统金属成形方法相比，半固态金属成形技术具有诸 多优势：充型过程平稳、不易喷溅和卷气，成形温度低，铸件缩孔、缩松、热 裂等缺陷少，可成形复杂、薄壁类零件。半固态金属浆料粘度较高，方便加入 增强材料( 颗粒或纤维) 制备复合材料，同时能改善制备复合材料中低密度增 强相的飘浮、偏析以及与基体不润湿等技术难题，为复合材料低成本生产开辟 薹 了新途径 9 , 3 1 - 3 3 】。 1 4 1 半固态金属浆料制备技术 半固态金属浆料制备技术经过三十多年的研究，目前主要的制备方法有： 机械搅拌、电磁搅拌、应变诱发熔化激活法( s i m a ) 、等温热处理法、喷射成 形和粉末冶金等。 警 1 4 1 1 机械搅拌法( m e c h a n i c a ls t i r r i n g ) 机械搅拌法是金属液冷却过程中施加机械搅拌，使初生枝晶在剪切力作用 下变形或断裂，变形或断裂后的枝晶在相互摩擦和剪切力的作用下，逐渐形成 球状固相。机械搅拌法设备成本低、操作简单，但工艺参数不易控制，产品一 致性难以得到保证，目前无法满足商业生产的需要。在实验室应用于研究较为 广泛。 d n “等【3 4 】用双螺旋器料筒设备研究了预热温度及剪切速率对镁合金熔体 的影响。结果表明，非枝晶固相分数随着预热温度的降低而增加。初生n 晶粒尺 寸变化很小。并用a z 9 1 d 熔体得到3 0 5 0 u r n 球状固相颗粒，制备出壁厚l m m 的零件。 1 4 1 2 电磁搅拌法( m a g n e t o h y d r o d y n a m i cs t i r r i n g ) 7 第一章绪论 电磁搅拌法基本原理是通过电磁场在金属液中产生洛伦兹力，由洛伦兹力 改变凝固过程中熔体的流动、传热和传质，实现搅拌的目的。它是一种非接触 式搅拌法。国内外对这种技术研究很广泛。此法突出优点是非接触式搅拌，搅 拌过程容易控制，搅拌中金属液不会受到污染，不卷气，生产率高，可实现连 铸，在工业中得到应用。但电磁搅拌设备投资大，成本高，且因电磁搅拌有“集 肤”效应，只适用于小直径半固态金属浆料的制备。 ( a ) 水平式( b ) 垂直式 ( a ) h o r i z o n t a l( b ) v e r t i c a l 图1 1 电磁搅拌示意图 f i 9 1 1 ：s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g 1 4 1 3 应变诱发熔化激活法( s t r m n i n d u c e dm e l ta c t i v a t i o np r o c e s s ) 应变诱发熔化激活法基本原理是先将金属坯料在再结晶温度范围内进行大 变形量变形，通过变形达到破碎铸态组织的目的，再对变形后的坯料施加冷变 形，使坯料组织中储存少部分变形能量，最后迅速将其加热至固液两相区并保 温一定时间，可获得用于触变成形的半固态金属坯料。 应变诱发熔化激活法制备半固态金属浆料和搅拌法相比，少了搅拌工艺， 多了预变形工艺过程，生产率高，工艺相对简单，半固态金属浆料纯净，也在 工业中得到了应用。但因要进行预变形工艺处理，目前只适用于小直径半固态 金属浆料的制备。 1 4 1 4 等温热处理法 等温热处理法原理是向熔体里加入变质剂，细化铸态晶粒，再进行常规铸 造得到坯料，最后，将坯料加热到固液两相区进行等温处理而得到非枝晶组织。 8 第一章绪论 此法不需要预变形工艺，并省去了搅拌制浆工艺，可在半固态触变成形前二次 加热实现非枝晶化。此法设备简单，节约能源，但工艺参数难以控制。 1 4 1 5 喷射成形法 喷射成形法基本工艺过程是先将金属液雾化为熔滴颗粒，在喷射气体作用 下，凝固部分颗粒沉积在收集板上，经加热到局部熔化，得到具有球形颗粒相 的半固态金属浆料。当前，这种方法成本高，只适用于制备有特殊要求的大尺 寸坯料。 1 4 1 6 粉末冶金法( p o w d e rm e t a l l u r g y ) 粉末冶金法用粉末冶金的方法制备出具有等轴颗粒组织的坯料，将坯料加 热到半固态温度区间后保温一定时间，可得到球状合金组织。此法得到的半固 态金属浆料颗粒细小，适合于触变成形。可以制备复合材料，便于复合材料触 变成形。但粉末冶金法制备半固态金属浆料成本高昂，目前工艺难以大规模应 用于工业生产。 1 4 2 半固态金属成形工艺 半固态成形工艺过程分为两类：流变成形和触变成形。( 如图1 2 ) 图1 2 半同态成形工艺路线 f i 9 1 2 s e m i - s o l i df o r m i n gp r o c e s sr o u t e s 1 4 2 1 半固态流变成形技术 流变成形( r h e o f o r m i n g ) 是利用剧烈搅拌等方法制备出一定固相分数的半 固态浆料，保温一定时间，将该浆料直接送入成形设备进行成形的工艺方法。 图1 3 所示剪切制浆，直接压铸成形。流变成形浆料在充型前是半固态状态，虽 9 第一章绪论 粘度较高，但因固相颗粒呈球状，仍具有良好的流动性，以层流形式充型，因 此可以制造尺寸精度高、形状复杂、缺陷少的铸件。但直接得到的半固态浆料 保存和输送不方便，限制了流变成形技术的发展。 图1 3 流变成形示意图 f i 9 1 3 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h er d c p r o c e s s k k w a n g 等人i ”】采用流变注射成形( r h e o m o u l d i n g ) 加工半固态金属浆料。 z f a n 等人【3 6 】采用双螺杆机械搅拌制备了a 3 5 7 铝合金半固态浆料，并对流变成 形件组织和力学性能进行了研究。结果表明，与常规铸造相比流变成形件气孔 少，组织结构严密、均匀。流变成形大大改善了零件的强度，塑性稍有下降。 z k o r e n 等【3 7 】研究了a z 9 1 和a m 5 0 热室和冷室流变压铸过程和零件组织，a z 9 1 浇注温度为5 9 5 5 7 5 ，a m s 0 浇注温度为6 2 0 - - - 6 4 0 结果表明，在温度为5 8 5 时，镁合金a z 9 1 制作出的零件组织致密，有着极高的机械性能，a m 5 0 相对机 械性能稍差。罗吉荣等人1 3 8 】采用双螺杆机械搅拌制备半固态浆料，工作原理是 在金属熔体内加以双螺杆旋转，由它产生的剪切力在熔体内产生剧烈的紊流， 使晶粒细化，成分均匀、并得到球状固相。目前已进入试生产阶段，零件最小 壁厚可达o 8 l m m 。 1 4 2 2 半固态触变成形技术 触变成形( t h i x o f o r m i n g ) 与流变成形不同的是：触变成形需要将半固态坯 料先分切成零件坯料大小，二次加热到固液两相区，利用搬运工具将此半固态 坯料运送至成形设备处进行铸造或锻造成形。此法是净终成形法的一种，与流 变成形相比，坯料运送相对方便，易于操作实现自动化操作( 如图1 4 ) 。目前， 1 0 第一章绪论 触变成形是工业生产中应用广泛的半固态金属成形方法。 图1 4 半吲态金属触变压铸示意图( a ) 原料及其显微组织( b ) 连续电磁搅拌制各非品组 织( c ) 坯料及显微组织( d ) 坯料二次加热( e ) 触变铸造( f ) 成形零件及显微组织 f i g1 4 t h ep r o c e s sm a p o ft h i x o c a