CN100402191C - 制备金属基体复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备含有至少一定份额的镁或镁合金的金属基体复合材料的方法，该方法包括至少一个其中进行触变铸模的生产步骤。根据本发明，向优选由镁或镁合金构成的金属基体中以至少2%的体积含量引入Mg2Si-相。根据本发明的方法应用触变铸模的方法用来即时制备金属复合材料和具有的优点为，在复合材料中给出宽范围的可调节的Mg2Si-相的体积含量，这样可以分别地改变复合材料的性能。根据本发明的金属基体复合材料特别适合于用来制备机动车承受温度负荷的构件，如活塞或类似的构件。
Description
本发明涉及一种用来制备含有至少一定份额的镁或镁合金的金属基体复合材料的方法，该方法包括至少一个其中进行触变铸模的制备步骤。
材料镁由于它的低的E-模量、高的热膨胀系数以及不足的耐磨性而对于一定的应用情形，如在机动车发动机中的活塞或其他的特别是发动机的机组部件不能没有困难地加以应用。然而上述的性能可以有利地影响，即通过采用第二个的、通常是明显更坚固和更硬的相增强该材料。对此通常应用陶瓷的或碳基的短-或长纤维或颗粒。这可以在熔融冶金制备时或者以多孔的成型体(所谓的预成型坯)的形式，其用液态的金属熔液渗入，或者在颗粒的情况下也通过拌入而加入金属基体中。另一种通过纤维或颗粒增强金属材料的可能性在于自身或“即时”地形成增强性部件。除了上述的熔融冶金方法外金属复合材料也可粉末冶金法制备。
在应用预成型坯作为可渗入的成型体时，压铸法已经作为优选的浇铸方法。在此在比经典的压铸法稍小的填模速度，但是稍高的压力下熔融液态金属被压入多孔的纤维体或颗粒体中。在此生成具有封闭的纤维-基体-复合体的几乎无孔的复合材料。
在拌入时通常是陶瓷颗粒作为松散的料体通过流入或吹入而进入活动着的金属熔液中。这种复合材料熔液可直接浇铸成铸件或铸块的形式。对于即时的方法，复合材料通过在整个体系的金属基体或相的两种或多种合金元素之间的反应并大多在形成新的、通常是金属间相的情况下而生成。
体系Mg-Mg2Si的制备和表征已多次被描述过。这例如参见公开发表物DE 41 25 014 A1。在增强意义上的金属间相的生成可归属于该即时方法。这大多通过含Si颗粒的纤维预成型坯的渗入或通过初级硅化镁从过共晶的Mg-Si-合金中析出(Ausscheiden)而发生。在初级的析出中在液相线向下移动后形成粗的、块状的Mg2Si析出物，而在预成型坯中纯-Si的反应转变时形成球状Mg2Si。共晶析出的Mg2Si又通常显示出特征性的“汉字”结构。
DE 101 35 198 A1描述了一种用来通过触变铸模制备镁合金的方法，该镁合金除了含有其他的元素外还可含有一定份额的硅。
对于触变铸模过程，金属材料作为颗粒输送到触变铸模机器中和在加热的汽缸内部通过输送螺杆向喷嘴的方向运动。在剪切力和位于金属的液相和固相温度之间的温度的作用下，其部分地液化，而留下来的固体部分形成球状。这种触变材料的性能是特性粘性的，也就是说粘度随着剪切作用增加而下降。触变铸模首先适合于制备具有高的尺寸稳定性的非常薄壁的构件，因为其由于有利的在液相和固相之间的温度水平而几乎没有收缩和延迟(verzug)的现象。
上述的用来制备金属复合材料的方法路径的缺点在于在预成型坯渗入的情况下昂贵的装置技术、受限制了的成型能力、预成型坯的纤维含量以及高的成本水平。复杂的几何形状目前是几乎不可实现的或只在提高了的技术和资金花费下可实现，以致于目前几乎不可能通过渗入来净-形状-制备纤维或颗粒增强的构件。这通常导致较高的加工费用，其在应用陶瓷硬化相时作为增强物是困难和高成本的，因为例如加工用SiC-或Al2O3-纤维增强的物体只有采用具有金刚石的工具才有可能。此外具有高纤维和颗粒含量的预成型坯的渗入能力在经典的压铸法中不能没有困难地给出，在此优选应用压铸的方法，在此特殊的浇铸装置又是必需的。在渗入时采用压铸法产生的困难有它的原因，主要是在于方法的高填充速度和较小的压力上，其对熔液由于小的浇口而可产生影响。然而这是必需的，以便克服在金属熔液和陶瓷成型体之间的通常是非常小的润湿倾向。此外预成型坯必须被加热到明显高于熔液的温度，以避免熔液在纤维体处提前凝固。
拌入的方法首先保留颗粒状的增强物，因为应用纤维可导致熔液粘度的强烈提高，其使得纤维的均匀分布非常困难或根本不可能的。在颗粒的情况下，搅拌结果取决于所应用的颗粒大小、搅拌机的转速和温度。不足的参数选择可能导致阻塞、颗粒冲到炉渣中或它在坩埚底部处沉降。假如颗粒和熔液涉及反应体系，那么可能由于在两个相之间长时间的接触而在界面处发生转化反应，其结果是颗粒损害。在此的例子是镁-铝氧化物体系，在此在两者之间的反应中破坏颗粒物质而形成氧化镁和铝。
本发明的任务在于，提出一种用来制备本文开头类型的那种金属基体复合材料的方法，它使得制备轻金属复合材料，特别是用于承受温度负荷的构件的轻金属复合材料成为可能，其是比迄今为止已知的方法更可变的和更低成本的，并避免了与此相关的上述的缺点。
根据本发明的用来制备开头所述类型的金属基体复合材料的方法解决了这一任务。根据本发明，轻金属复合材料的制备以触变铸模法进行，在此具有至少2％的体积含量的Mg2Si-相填入到金属基体中。
根据本发明的方法的特别的优点由触变铸模法与用来即时制备金属复合材料的方法的联合而给出。根据本发明，制备具有至少2％的体积含量的Mg2Si的Mg-Mg2Si-复合材料，优选地通过将硅或硅合金的颗粒和镁或镁合金的颗粒一起加入到触变铸模过程中和在此在剪切下形成至少部分液态的熔液，其以镁体的形式凝固。本方法的优点是可调节的Mg2Si体积含量有大的范围宽度，放弃纤维-或颗粒预成型坯的可能性和通过Si-颗粒的大小和量可确定所形成的Mg2Si-晶体的量和大小，这样又可分别改变各性能，如热膨胀系数、E-模量、拉伸极限和延伸极限以及磨擦性能。所以Si-含量是可调节的，这是熔融冶金法不可制备的。这样浇铸的材料可以输送到下面的变形操作中，如锻造过程中。
优选地在根据本发明的触变铸模过程中制备由金属基体复合材料构成的浇铸体，其随后进一步进行加工。特别地该浇铸体随后在至少一个方法步骤中进行变形。这样的变形过程可包括例如至少一种锻造方法。
此外本发明的对象还有根据本发明的方法制备的金属基体复合材料。
此外本发明的对象还有根据本发明的方法制备的金属基体复合材料用于制备机动车构件的用途。优选地这种机动车构件是由轻金属复合材料制成的，其可以承受温度负荷，如发动机部件，如活塞或类似的部件。
在下面给出的特征优选涉及根据本发明的任务解决方案的进一步构成形式。本发明的其他的优点由下面的详细描述中给出。
以下根据实施例来更清楚地描述本发明。
根据本发明的方法制备的金属基体复合材料例如可用来制备用柴油或汽油驱动的发动机的活塞或其他的发动机部件。此外金属基体复合材料例如适合用来制备用于轴、汽缸和其他的旋转对称的部件，特别是在发动机中的轴套。其还适合用来制备其他的对磨擦有要求的机动车部件，如刹车片。
在金属基体中的Mg2Si-相的体积含量优选为约5-约40体积％。根据本发明的金属基体复合材料例如可由标准合金，如AZ91、AM50、MRI230D、MRI253M或其他的Mg-压铸合金得到，该其他的Mg-压铸合金是添加S i得到的。在此反应2 Mg+Si→Mg2Si是重要的。在本发明的范畴内考虑添加至少约2重量％的Si和优选最大约15重量％的Si。由此产生的Mg2Si的体积百分比份额在下表1中列出，其例如又给出了在金属基体复合材料中的Mg2Si-相的份额。
表1以重量％添加的Si量和由此产生的体积百分比的量
| Si(重量％) | Mg<sub>2</sub>Si(体积％) |
| 2 | 5.08 |
| 3 | 7.63 |
| 4 | 10.19 |
| 5 | 12.77 |
| 6 | 15.35 |
| 7 | 17.95 |
| 8 | 20.55 |
| 9 | 23.17 |
| 10 | 25.80 |
| 11 | 28.44 |
| 12 | 31.09 |
| 13 | 33.75 |
| 14 | 36.42 |
| 15 | 39.10 |
Mg2Si是具有接近1100℃熔点的较高熔融的相。在此这种相作为增强物适合用来改善基体材料的高温性能。这不仅涉及蠕变特性而且涉及特性值，如热传导能力和热膨胀系数。除了其他的物理和机械性能外这些值还可以有目的地针对应用的目的而调节。在此精确的数值尤其不仅取决于基础合金、Mg2Si的体积份额、在基体合金中的进一步析出，而且还取决于使用温度或使用温度范围。这些数据对于各自的应用分别通过实验确定。
Mg2Si-析出物的形成是进一步的影响因素。通常其称为所谓的“汉字”-析出物，也就是针形析出物，其在它的构造上非常使人想起中文汉字。然而通过添加合金元素，如Ca，而生成初级的多边形析出物，其具有如颗粒增强物的性能。两种析出物类型都对机械的和物理的性能起作用。
在由根据本发明的金属基体复合材料制备半成品时，在进一步加工时所选择的参数对性能分布产生很大的影响。假如例如通过挤压进行变形，那么Mg-晶体的平面平行于挤压方向取向将导致各向异性。各向异性的数量级取决于不同的因素，特别取决于变形比例、工具的温度、预热、在压制后的热传导和从而取决于动态和静态的重结晶。在此合金组成包括杂质的影响在内也是影响因素。
用于制备的参数：
在根据本发明的方法制备金属基体复合材料时的温度控制直接与所选择的合金、注塑量和工具，特别是它的构件几何形状、铸件浇口等，在触变铸模时的螺杆和汽缸的几何形状、走刀速度和注塑速度有关系。这些参数必须对于每个构件各自凭经验确定和在此也与机器的构造类型和它的参数分布有关。同样地，这些性能也取决于固体相份额。这对基体合金和复合材料的机械性能有影响，也就是对基体和增强物的联合有影响。
对于液态相份额，反应2Mg+Si→Mg2Si意味着，虽然合金更快地构成高份额的液态相，然而同时通过形成Mg2Si而导致增加了的固体相份额。反应不仅在触变铸模机器的汽缸-螺杆区域进行，而且也可以在浇铸后在工件中进行。首先在材料聚集的范围中估计这一性能。此外后压制可以富有成效地进行，因为通过放热反应总是有一部分基体合金处于熔融液态相中。与此有关的结论可以通过金相学的显微检测获得。
对于基体合金，熔融间隔起重要作用。例如用其熔融间隔在440-600℃的范围的合金AZ91。由文献资料获知，对于这种合金在95％的范围内的高份额的液态相导致在构件中的机械性能改善。对于这种液态相份额，可以说成是过冷的熔液。在喷射入工具中后，在根据本发明的方法中在非常高的晶核数量的同时结果是高的晶核形成速率。这导致了非常精细的组织结构的形成，其由于是Hall-Petsch-关系而具有非常好的机械性能。由于熔液的过冷，总的收缩是非常小的。其越小，液态相的份额也就越小。这同时意味着，与压铸法比较产生较小的内张力和从而较小的延迟。
与添加Si有关的是在开始出现熔融时在Mg和Si之间是放热反应。这意味着，可以减小机器的热量输入功率。其数量级是取决于不同的参数，特别是取决于周围的温度、各自所应用的机器的热隔绝以及不同的加入组分(材料)的热传导能力。正好在热传导系数的范围中在封闭的体系中在提高的温度下，如其是触变铸模机器时，关系是非常复杂的。
颗粒的晶粒大小通常是没有确定的大小的。根据机器和所选择的构件可以选择各自的其他的螺杆几何形状。在此晶粒大小和晶粒形式必须与螺杆几何形状相一致。这完全与合金或复合材料无关。在进一步的结果中晶粒大小比例必须与Mg-Si相一致。然而这通常只对于预先确定的螺杆几何形状是有意义的。
颗粒的添加例如可同时或在颗粒给出稍后时(两种材料还是固态)通过简单的输送装置进行，其可以附加地加入到机器中。在此原则上可以使用传统构型的机器，如在市场上由Thixomat或Japan SteelWorks公司得到的机器。
Claims (9)
1.一种制备含有包括镁或镁合金的金属基体并且含有加入到金属基体中的一定含量的Mg2Si相的基于Mg-Mg2Si的复合材料的方法，其特征在于，从硅或硅合金的颗粒和镁或镁合金的颗粒开始并将它们在一个触变铸模过程中一起加工，并向金属基体中以至少2％的体积含量加入Mg2Si-相。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过硅或硅合金的颗粒的大小和/或量而确定形成的Mg2Si-晶体的量和/或大小和/或复合材料的硅含量。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，在触变铸模过程中制备由金属基体复合材料构成的浇铸体，其随后进一步加工。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，由金属基体复合材料构成的浇铸体随后在至少一个方法步骤中变形。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，由金属基体复合材料构成的浇铸体随后在至少一个锻造方法和/或挤压方法中变形。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，在制备复合材料时添加至少2重量％的Si和最多15重量％的Si。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，向金属基体中以至少5％至最多40％的体积含量加入Mg2Si-相。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，在制备金属基体复合材料时，是由镁标准合金AZ91、AM50、MRI230D、MRI253M或Mg-压铸合金起始的。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于，在添加Si以后在开始出现熔融时将触变铸模装置的热输入功率减小。
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