攪拌熔鑄法制備云母片晶/Mg復合材料

華小虎 王永輝（西安科技大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710054）

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攪拌熔鑄法制備云母片晶/Mg復合材料

華小虎 王永輝
（西安科技大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710054）

摘 要：本文對采用原位反應法—熔融攪拌方法制備高性能云母片晶/Mg復合材料進行了實驗研究，該實驗基于Mg-Si、Mg-SiO2系統的反應熱力學理論，在鎂合金中加入云母粉，利用Mg-Si合金結晶的特點，使云母粉與鎂在凝固過程中反應原位生成Mg2Si增強相進而獲得的合成鎂基復合材料。同時，針對合成鎂基復合材料的相組成和組織結構等的分析，利用了X-射線衍射儀、光學顯微鏡、掃描電鏡、高溫摩擦磨損等高精度科學設備，對云母加入量對復合材料性能造成的影響進行了探討。

關鍵詞：攪拌熔鑄法；原位復合；Mg2Si/Mg復合材料；顯微組織

眾所周知，鎂基復合材料作為一種優秀的輕金屬基復合結構與功能材料，相對于純鎂或鎂合金具有密度小、比強度和比剛度高、耐磨性、耐沖擊性和耐高溫性良好的優點。此外，它還具有電磁屏蔽和儲氫性等特殊性能，在電子、汽車、航空等高新技術領域的應用前景十分廣闊。目前，鎂基復合材料的制備研究已經取得了許多優秀成果，在方法上包含了粉末冶金法（PM法）、鑄造法（Casting Route）、熔體浸滲法、噴射法、薄膜冶金工藝法等。其中，攪拌鑄造方法在制備鎂基復合材料方面取得了較大的優勢，分為全液態攪拌鑄造工藝、半固態攪拌鑄造工藝和攪熔鑄造工藝等，而半固態成型方式以最大限度降低鎂氧化燒損的優勢獲得了最大的應用空間。本實驗研究即在前人方法研究的基礎上，采用攪拌熔鑄法來制備硅酸鹽片晶云母/Mg復合材料，并初步分析測試了其組織結構與性能。

1 實驗方法

1.1 實驗原料及實驗設備

金屬鎂（99.8%）；云母粉（天然）；10%的檸檬酸；衍射儀（型號：XRD-7000）、掃描電子顯微鏡（型號：德國蔡司ZEISSEVO18）、導熱系數測定儀（型號：DL-III）和金相顯微鏡（型號OM-1）。實驗研究方案則如圖1所示。

1.2 實驗步驟

本實驗根據攪拌熔鑄法制備高性能硅酸鹽片晶/Mg復合材料，采用真空攪拌法在半固態基體合金熔體中形成渦流，以引入增強顆粒，混合均勻后升溫澆鑄，凝固得到所需隔熱、耐磨和其他性能優異的鎂基復合材料。具體實驗步驟如下：

（1）按照實驗配方配置坯料。

（2）用不同規格的砂紙對材料表面進行粗加工。

（3）用研缽對天然的片狀云母進行研磨至粉末。

（4）在真空爐中600℃素燒，保溫2h。

（5）待降溫后取出，用砂輪初磨修整。

（6）采用不同規格的砂紙精加工成型。

圖1 實驗研究方案

圖2 云母/Mg復合材料XRD衍射圖譜

（7）對試樣表面進行抗氧化處理。

（8）使用10%的檸檬酸對材料表面進行腐蝕。

（9）最后清洗試樣進行表面修飾處理。

1.3 測試試樣的制備

（1）X射線衍射試樣制備

將金屬塊狀試樣粗磨成一個平面，其平面面積為20×20mm。為了測量殘余奧氏體，測量金屬樣品的微觀應力，我們對樣品表面進行精加工打磨，并制成金相樣品，用10%檸檬酸清洗，進行拋光，以消除表面應變層。對于斷口的衍射分析，則要求相對平整并提供所含元素。

（2）導熱試樣的制備

實驗樣品制樣直徑一般小于30mm，高小于10mm。如果是很薄的試樣，采用多層疊加法，而本實驗材料取樣尺寸大小為20×20mm的金屬塊狀，將其表面粗磨、清洗、10%檸檬酸酸洗、烘干、并用保溫材料保溫。

（3）掃描電鏡試樣制備

掃描電鏡試樣制備須滿足以下要求：保持完好的組織和細胞形態；充分暴露需要觀察的位置，保持充分干燥的狀態；有良好的導電性和較高的二次電子產額。本試樣尺寸大小為10×10mm，其高度為5mm，對樣品表面進行精加工、打磨、清洗、10%檸檬酸酸洗、烘干，并用導電膠把試樣粘結在樣品座上，即可放在掃描電鏡中觀察。

（4）高溫摩擦磨損試樣制備

高溫摩擦磨損主要是為研究復合材料與原材料的耐磨性。材料表面的耐磨性與材料表面的粗糙度有關，而與接觸面積的大小無關。依據運動性質，分為動摩擦和靜摩擦。現制備出尺寸大小為20×20mm的塊狀Mg復合材料；另一組則為純凈Mg金屬，其尺寸為20×20mm，將其打磨、拋光、酸洗以及烘干。

2 實驗結果與分析

2.1 X射線衍射分析

如圖2所示，圖中凸起的部分都為典型的MFI結構衍射峰，并且有峰高強度和積分強度之分。峰高代表衍射強度，峰位則代表衍射角，峰寬代表結晶程度。半峰寬接近儀器的自然寬度，則結晶度較高；而衍射峰寬闊而彌散，則結晶度較小。同時，峰越高，衍射強度越大，晶粒越大，結晶越完美；反之峰越寬越矮，這可能是晶粒比較小、結晶較差導致的。圖中Mg衍射強度最大，結晶程度較好；而Mg2Si的衍射強度較小，結晶也較差；Si的衍射角較大，其衍射強度最小，結晶程度也最小。

2.2 金相組織分析

在Mg基復合材料中，我們可以觀測到孔洞的存在，這有可能是鑄造過程中帶入了一定數量的空氣，凝固過程中氣體不斷出和溶化的合金不能及時補充而造成的，并且基體上可能還保留有一定的氧化膜，這些氧化膜在凝固過程中形成，隨后被保留在基體組織中。

2.3 SEM掃描電鏡

在5000倍掃描電子顯微鏡下，我們可以清楚地觀察到白色的云母顆粒附著在Mg基上，標志著試樣中已經有云母的存在。二次電子是掃描電鏡最常用的物理信號，它對樣品表面特征反應靈敏，分辨率高。我們可以明顯觀察到Mg基的大小形態、分布程度、斷裂方式以及結構等微觀特征。

2.4 導熱系數測試

通常，物質的導熱系數可以通過理論和實驗兩種方式來獲得。熱導率一般與壓力關系不大，但受溫度的影響很大。純金屬和大多數液體的熱導率隨溫度的升高而降低，但水例外。另一方面，非金屬和氣體的熱導率隨溫度的升高而增大。晶體冷卻時，它的熱導率增加極快。此外，固態物料的熱導率還與它的含濕量、結構和孔隙度有關。一般含濕量大的物料熱導率大，且物質的密度大；金屬含雜質時熱導率降低，合金的熱導率比純金屬低。本實驗測定的Mg基復合材料因結構、孔隙度、雜質等影響，導熱系數顯著降低。另外，天然云母具有良好的絕緣性和隔熱性能，所以Mg基復合材料的導熱系數會降低。

2.5 高溫摩擦磨損的分析

在高強韌的Mg金屬基體試樣中加入較為均勻分布的增強相，磨損應力則主要由增強相承擔，基體主要起連接支撐增強相、協調變形和承受沖擊應力的作用。但復合材料成分分布、相分布復雜多變，難以獲得準確的接觸應力和摩擦溫度系數。原位Mg2Si/Mg復合材料含有硬質相Mg2Si顆粒，具有良好的耐磨性，可以顯著提高通信、汽車、電力等零件的使用壽命，其磨損機理是微觀切削和脆性剝落磨損共同疊加作用的結果。由于Mg基體較軟，磨損表面只是軟的Mg基體時，壓力使磨料垂直鍥入表面，切向力使磨料與表面做相對運動，磨損面被剪切，但在Mg基體上分布有硬質的Mg2Si增強相時，Mg2Si/Mg復合材料的耐磨性提高。由于Si在Mg中的溶解度很小，幾乎不固溶，所以加入的云母完全和Mg反應生成Mg2Si。Si的存在增加了Mg基體的承載能力，起到了硬質點的作用，軟的基體上分布著硬質點有利于提高材料耐磨性。一般來說，Mg2Si/Mg復合材料的耐磨性是由硬質相Mg2Si和基體兩者的磨損機制共同決定的。因此，Mg2Si/Mg復合材料的摩擦系數大于純凈Mg。

結論

與全液態攪拌鑄造工藝和攪熔鑄造工藝相比，半固態攪拌成型降低了鎂在高溫下的氧化燒損程度，且工藝設備簡單、成本低，適用于大規模的工業生產。通過本實驗制備的Mg2Si/Mg復合材料，使Mg2Si增強顆粒主要分布于晶界之間，絕緣性能絕熱性能和耐磨性能相對于純鎂都有了顯著提高。

參考文獻

［1］于化順.金屬基復合材料及其制備技術［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［2］張發云，閆洪，陳國香. SiCp/AZ61鎂基復合材料制備工藝和性能的研究［J］.鑄造，2007，56（6）.

資助項目：西安科技大學培育基金（201303）。

中圖分類號：O163

文獻標識碼：A