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Mg_2Si/Al复合材料的组织、性能及其摩擦磨损行为的研究

刘晓波  
【摘要】:近年来,人们一直致力于研究能满足汽车和其他工业行业需要的新型轻量化材料。其中,铝基复合材料就是一种最有前途的汽车轻量化制造材料,因此成为了研究的热点。由于Mg2Si/Al复合材料比钢铁材料具有更低的密度和更好的性能,例如比强度、比刚度、热稳定性以及耐磨性等,同时,Mg2Si增强体和基体结合牢固,结合界面干净,热稳定性好,Mg2Si强化复合材料也有很大的应用潜力,因此Mg2Si/Al复合材料作为汽车发动机缸套的轻量化制造材料具有广泛的应用前景。但是,国内的汽车铝缸体镶铸的缸套大多采用含磷合金铸铁制造。由于铝合金与铸铁热膨胀系数相差较大,铸铁缸套仅是被周围铝合金包覆,工作时缸筒温度升高后二者之间贴合强度下降,缸套容易变形,导热性差,影响发动机性能。若采用与铝合金膨胀率相近的铝基复合材料缸套,不仅可改善其尺寸稳定性和导热性、减小缸筒的变形、降低噪音和摩擦损失,提高发动机功率,而且每个缸套可减重60%以上并提高其耐磨性。 然而,Mg2Si/Al复合材料具有室温脆性,限制了其推广和应用。通常,Mg2Si初生相为粗大的带有尖角的树枝晶,对基体有割裂作用,因此严重影响了复合材料的力学性能,对推广及实际应用十分不利。故而,控制组织状态,改变Mg2Si的形态,降低其尺寸,使其均匀分布,提高复合材料的强韧性,是目前亟待解决的关键问题。 本文基于改善Mg2Si/Al复合材料的强韧性和耐磨性的目的,通过控制Si含量、冷却速度及添加SiC颗粒,得到了较为理想的显微组织,同时制备了Mg2Si/Al梯度复合材料和半固态挤压Mg2Si/Al复合材料,并研究了以上条件对Mg2Si/Al复合材料显微组织的影响和作用机理,研究了Mg2Si/Al复合材料的力学性能,继而研究了其摩擦磨损行为及失效机制。具体的研究内容如下: (1)根据相图推导和熔铸法制备Mg2Si/Al复合材料的实验结果,提出了不同过剩Si含量的Mg2Si/Al复合材料的凝固路径,为控制初生Mg2Si的形态、尺寸及分布提供参考和依据。 (2)采用熔铸法制备了不同过剩Si含量的Mg2Si/Al复合材料,研究了初生Mg2Si和初生Si同时存在时,磷对初生Mg2Si和初生Si的变质效果;在不同冷却速度条件下制备了Mg2Si/Al复合材料,研究了冷却速度对初生Si和初生Mg2Si尺寸和形态的影响;利用原位反应生成Mg2Si和外加搅拌法加入SiC粉末制备了混杂增强铝基复合材料,研究了SiC的加入对初生Mg2Si的形貌和尺寸、Al枝晶的尺寸及共晶Mg2Si形貌的影响;采用离心铸造法制备了原位Mg2Si/Al梯度复合材料,研究了初生相Mg2Si的U型梯度分布,研究了离心转速和磷变质对Mg2Si/Al梯度复合材料组织的影响及作用机理;采用等温热处理半固态挤压法制备了Mg2Si/Al复合材料,研究了等温热处理不同保温时间和不同温度条件下Mg2Si增强相和基体双球化的半固态组织,探讨了α-Al的晶粒球化以及晶粒粗化机制。 (3)对重力铸造Mg2Si/Al复合材料和等温热处理不同保温时间、等温热处理不同温度和不同挤压比条件下制备的半固态挤压Mg2Si/Al复合材料进行了T6热处理和力学性能测试,发现半固态挤压Mg2Si/Al复合材料的力学性能明显高于重力铸造复合材料,研究了其强化机理和断裂机理。 (4)首先,对重力铸造Mg2Si/Al复合材料和半固态挤压Mg2Si/Al复合材料进行了干滑动实验,实验结果表明,半固态挤压Mg2Si/Al复合材料的耐磨性更好,研究了半固态挤压Mg2Si/Al复合材料的摩擦磨损行为和失效机制。其次,对不同Si含量的Mg2Si/Al复合材料进行了干滑动实验,研究了其摩擦磨损行为。再次,对离心铸造法制备的未变质和变质的Mg2Si/Al梯度复合材料及HT200进行了干滑动实验,对磨的摩擦副为45钢。实验揭示,变质后的Mg2Si/Al梯度复合材料的耐磨性高于未变质的复合材料,且与HT200相比,Mg2Si/Al梯度复合材料具有更优异的耐磨性能,分别研究了Mg2Si/Al梯度复合材料和HT200的摩擦磨损行为和失效机制。


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