CN1438352A - 混杂增强镁基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以镁及其合金为基体材料与添加相复合而成的镁基自润滑复合材料及其制备方法。该材料是由镁基合金和添加的混杂增强相组成，镁基合金的成分范围的体积质量百分数：Al 5－10％，Zn 0.2－0.6％，Mn 0.1－0.25％，Si 0－6％，Re 0－1％，杂质≤0.01％，其余为镁，添加的混杂增强相体积百分数为：Al₂O₃短纤维的加入量为5－15％，石墨的加入量为5－20％。制备方法，首先进行预制体制备，然后采用挤压铸造方式制备最终复合材料。所制备的复合材料显示了优良的摩擦学特性，耐磨承载能力明显提高，摩擦系数明显降低，生产工艺简单，生产成本低。

Description

混杂增强镁基自润滑复合材料及其制备方法

技术领域  本发明涉及一种以镁及其合金为基体材料与添加相复合而成的镁基自润滑复合材料及其制备方法，特别是涉及以Al₂O₃短纤维和粒状石墨为添加相的镁基混杂增强自润滑复合材料及其制备方法。

技术背景  金属基复合材料是用两种或两种以上材料通过某种方法复合而成，目的是更有效地发挥不同材料各自的特性，并赋予单一使用该材料所不具备的优良的复合性能。近年来，低成本的，制备相对简单的非连续增强复合材料，特别是颗粒或短纤维增强金属基复合材料发展较快。随着汽车和航天航空技术的发展，以轻合金为基体复合材料愈来愈显示出广阔的应用前景，但目前的研究多集中在铝基复合材料方面，对铝基复合材料的制备过程、微观结构、力学性能等进行了广泛深入的研究，与铝相比金属镁的密度低(约为1.748/cm³)，约为铝的64％，钢的20％。因此，其比强度明显高于铝和钢，更远远高于工程塑料。镁的弹性模量低，有优良的抗震性，另外，镁具有优良的机械加工性和抗电磁干扰屏蔽性能和易于回收，而且，在中国储量极为丰富，被认为是当今最有前途的汽车轻量化材料和“3C”壳体材料。

以添加各种形式的增强体制成的非连续增强镁合金复合材料具有比镁合金更好的综合性能，已成为先进金属基复合材料中的一个重要的研究领域。但国内外对非连续增强镁基复合材料，尤其是混杂增强镁基复合材料的制备技术和性能研究相对较少。

发明内容  本发明的目的在于提供一种用于制备镁合金基体加Al₂O₃短纤维和粒状石墨的混杂增强镁基自润滑复合材料及其制备方法。

具体技术方案是：

混杂增强镁基自润滑复合材料，是由镁基合金和添加的混杂增强相组成，镁基合金的成分范围的质量百分数：Al 5-10％，Zn 0.2-0.6％，Mn 0.1-0.25％，Si 0-1％，R_E 0-1％，杂质≤0.01％，其余为镁，添加的混杂增强相为：Al₂O₃短纤维和粒状石墨，Al₂O₃短纤维的加入量为体积百分数5-15％，石墨的加入量体积百分数为5-20％。

R_E为轻混合稀土或单一稀土，可以是：La、Ce、Nd。

Al₂O₃短纤维的纯度为98.9％以上，直径为8-12μm，长度为300-700μm，石墨粒度为：＜45μm，76-88μm，88-105μm和300-450μm。

混杂增强镁基自润滑复合材料的制备方法，首先进行预制体制备，然后采用挤压铸造方式制备最终复合材料，预制体制备的工艺流程是；

a)先对Grp和Al₂O_3f加水混合搅拌，速度为150～450转/分，搅拌时间为5～30分钟，同时添加粘结剂；

b)过筛后进行压制成型，压制时压制力为0.05～5MPa，保压5～30分；

c)对成型的预制体低温烘干，低温烘干温度为100～250℃；

d)对成型的预制体在密封容器内高温烘干，加热温度为650～950℃；

采用挤压铸造方式制备最终复合材料，方法为：

a)对模具预热，模具采用金属模，预热温度为200～350℃。

b)对预制体预先预热，预热温度为250～550℃。

c)按体积百分比配制的镁合金在电炉中熔炼，浇铸温度为600～800℃。

d)挤压压力为30～100MPa，保压时间为0.5～5秒。

最终制备的合金为：镁合金+5-15％Al₂O₃短纤维+5-20％石墨，其中百分数为体积百分数。

本发明与已有技术相比具有以下效果：所制备的复合材料具有优良的摩擦学特性，耐磨承载能力明显提高，摩擦系数明显降低，生产工艺简单，生产成本低。采用本技术制备的混杂增强镁基自润滑复合材料比基体镁合金材料的承载能力提高了1.5倍以上，摩擦系数由原来的0.5下降为0.2左右，磨损率明显低于基体镁合金。

附图说明

图1石墨粒度为76-88μm的镁合金+8％Al₂O₃+5％石墨自润滑复合材料金相组织；

图2石墨粒度为76-88μm的镁合金+8％Al₂O₃+10％石墨自润滑复合材料金相组织；

图3石墨粒度为76-88μm的镁合金+8％Al₂O₃+15％石墨自润滑复合材料金相组织；

图4石墨粒度为76-88μm的镁合金+8％Al₂O₃+20％石墨自润滑复合材料金相组织；

图5石墨粒度为＜45μm的镁合金/Al₂O₃+15％石墨自润滑复合材料金相组织；

图6石墨粒度为88-105μm的镁合金/Al₂O₃+15％石墨自润滑复合材料金相组织；

图7石墨粒度为300-450μm的镁合金/Al₂O₃+15％石墨自润滑复合材料金相组织；

图8为混杂增强镁基自润滑复合材料的拉伸断口(纤维的脱粘)的扫描电镜形貌，由该图中可以看出断裂时拔出的Al₂O₃纤维和断裂纤维；

图9为混杂增强镁基自润滑复合材料的拉伸断口(纤维的断裂与石墨的状态)的扫描电镜形貌，由该图中可以看出断口处的石墨颗粒与拉断的Al₂O₃的短纤维；

图10石墨含量对抗拉强度的影响(石墨粒度为76-88μm)；

图11石墨含量对延伸率的影响(石墨粒度为76-88μm)；

图12磨损质量损失随载荷的变化关系；

图13摩擦系数随载荷的变化关系；

图14石墨粒度对抗拉强度的影响(石墨含量为15％)；

图15石墨粒度对延伸率的影响(石墨含量为15％)；

图16石墨粒度对复合材料磨损量的影响(石墨含量为15％)；

图17石墨粒度对复合材料摩擦系数的影响(石墨含量为15％)；

图18预制体制备的工艺流程；

具体实施方式  结合附图所示实施例进一步说明本发明技术的细节。但这仅是其中的几例，而不是全部。

例1：用上述方法制备的不同石墨含量的镁基混杂增强自润滑复合材料参阅表1：

         表1第一系列合金的化学成分(石墨大小为76-88μm)

     复合材料           Al   Zn      Mn    Al₂O_3fGrp       Mg

AZ91/Al₂O₃+Gr/8f+5p   9    0.6    0.15      8     5       余量

AZ91/Al₂O₃+Gr/8f+10p  9    0.6    0.15      8     10      余量

AZ91/Al₂O₃+Gr/8f+15p  9    0.6    0.15      8     15      余量

AZ91/Al₂O₃+Gr/8f+20p  9    0.6    0.15      8     20      余量

石墨含量对抗拉强度和延伸率的影响参阅图10和图11。石墨含量对磨损性能的影响参阅图12，石墨含量对摩擦性能的影响参阅图13，从图10和11中可看出随石墨颗粒含量的增加，复合材料的抗拉强度和延伸率均呈下降趋势。从图12可看出，相比基合金，混杂增强自润滑复合材料的耐磨性明显提高，而且随石墨含量增加逐渐出现一稳定的平台区，显示耐磨承载能力明显提高，从基合金的大约40N提高到180N左右(含20％石墨的复合材料)，同时由于石墨的加入，自润滑复合材料的摩擦系数也明显降低，从基合金的0.5左右下降到0.2以下(含20％石墨的复合材料)，参阅图13。

例2：用上述方法制备的不同石墨粒度的镁基混杂增强自润滑复合材料参阅表2：

                    表2 第二系列合金的化学成分

 序号    Al   Zn     Mn    Al₂O_3fGrp    颗粒尺寸     Mg

  1#     9    0.6   0.15     8     15     ＜45μm     余量

  2#     9    0.6   0.15     8     15     76～88μm   余量

  3#     9    0.6   0.15     8     15     88～105μm  余量

  4#     9    0.6   0.15     8     15     300～450μ  余量

                                              m

石墨粒度对抗拉强度的影响参阅图14，石墨粒度对延伸率的影响参阅图15，石墨粒度对磨损性能的影响参阅图16，石墨粒度对摩擦性能的影响参阅图17。由图14和图15可以看出，复合材料的抗拉强度和延伸率随加入的石墨粒度的增加而增加，由图16可看出，复合材料的磨损率(质量损失)随石墨颗粒的增加而减少，由图17可看出，石墨粒度的变化对复合材料摩擦系数的影响不大，但趋向于随粒度增加而下降。

Claims (4)

1.混杂增强镁基自润滑复合材料，是由镁基合金和添加的混杂增强相组成，其特征在于镁基合金的成分范围的质量百分数：Al 5-10％，Zn 0.2-0.6％，Mn 0.1-0.25％，Si 0-1％，Re 0-1％，杂质≤0.01％，其余为镁，添加的混杂增强相为：Al₂O₃短纤维和粒状石墨，Al₂O₃短纤维的加入量体积百分数为5-15％，石墨的加入量体积百分数为5-20％。

2.根据权利要求1所属的混杂增强镁基自润滑复合材料，其特征在于R_E为轻混合稀土或单一稀土，可以是：La、Ce、Nd。

3.根据权利要求1所属的混杂增强镁基自润滑复合材料，其特征在于Al₂O₃短纤维的纯度为98.9％以上，直径为8-12μm，长度为300-700μm，石墨粒度为：＜45μm，76-88μm，88-105μm和300-450μm。

4.混杂增强镁基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于首先进行预制体制备，然后采用挤压铸造方式制备最终复合材料，预制体制备的工艺流程是：

a)先对Grp和Al₂O_3f加水混合搅拌，速度为200～500转/分，搅拌时间为5～30分钟，同时添加粘结剂；

b)过筛后进行压制成型，压制时压制力为0.05～5MPa，保压5～30分；

c)对成型的预制体低温烘干，低温烘干温度为100～250℃；

d)对成型的预制体在密封容器内高温烘干，加热温度为650～950℃；

采用挤压铸造方式制备最终复合材料，方法为：

a)对模具预热，模具采用金属模，预热温度为200～350℃。

b)对预制体预先预热，预热温度为250～550℃。

c)按体积百分比配制的镁合金在电炉中熔炼，浇铸温度为600～800℃。

d)挤压压力为30～100MPa，保压时间为0.5～5分钟。

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