《PTP-167热爆反应制备原位颗粒增强镁基复合材料.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PTP-167热爆反应制备原位颗粒增强镁基复合材料.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第 3 O卷 第 5 期 2 0 0 6年 5月 械 工程材料 f o r Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 O No 5 M a y 2 0 0 6 热 爆 反 应 制 备 原 位 颗 粒 增 强镁 基 复合 材 料 纪秀林。王树奇(1 东南大学材料科学与工程系，江苏南京 2 1 0 0 9 6；2 江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江 2 1 2 0 1 3)摘 要：采用 Mg T i O z BeO s 体系热爆方法制备 了原位颗粒增强镁基复合材料，并对材料进行 了热力学、D TA、X R D和 S E M 分析。结果表 明：在
2、 Mg T i Oz BeOs 体 系中镁 的加入 量小于 7 0 (质量分数)的情况下，体 系的热爆反应 可以在镁液的冶炼温度 自发进行，同时可原位合成 Mg O和 Ti Be 颗粒。5 Mg Ti Oz B e Os 体系制备的镁基复合材料 的抗拉 强度和布 氏硬度 分别 比基体提 高 了约 2 6 和 3 2 。关键词：镁基复合材料；热爆反应；颗粒增强 中图分类号：TB 3 3 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 3 7 3 8(2 0 0 6)0 5 0 0 4 1 0 3 Pr e p a r a t i o n o f I n-s i t u Pa r t i c u l
3、 a t e Re i n f o r c e d M a g n e s i u m M a t r i x Co mp o s i t e s wi t h Th e r ma l Ex pl o s i o n Re a c t i o n J I Xi u-l i n g ，W ANG S h u-q i 2 (1 S o u t h e a s t Un i v e r s i t y，Na n j i n g 2 1 0 0 9 6，C h i n a；2 J i a n g s u Un i v e r s i t y，Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3，
4、C h i n a)Ab s t r a c t：Th e r ma l e x p l o s i o n o f Mg-Ti Oe B 2 Os s y s t e m wa s a p p l i e d t o p r e p a r e i n-s i t u p a r t i c u l a t e r e i n f o r c e d ma g n e s i u m ma t r i x c o mp o s i t e Th e t h e rm o d y n a mi c s，DTA，XRD a n d S E M a n a l y s e s we r e p e
5、 r f o r me d Th e t h e rm a l e x p l o s i o n c o u l d s pon t a n e o u s l y o c c u r a t t h e t e mp e r a t u r e o f me l t i n g ma g n e s i u m wh e n t h e a d d i t i o n o f ma g n e i u m i n t h e Mg-Ti O 一 1 3 2 O3 s y s t e m wa s l e s s t h a n 7 0 ma s s a n d a t t h e s am
6、 e t i me t h e i n-s i t u p a rti c u l a t e s o f Ti N a n d Mg O we r e s yn t h e s iz e d Th e t e n s i l e s t r e n g t h an d B r i n e l l h a r d n e s s o f ma g n e s i u m ma t r i x c o mpo s i t e s p r e p a r e d f r o m 5 ma s s Mg-Ti O2 一 B 2 Os s y s t e m we r e h i g h e r t
7、 h a n t h o s e o f ma g n e s i u m ma t r i x b y a b o u t 2 6 a n d 3 2 s e p a r a t e l y Ke y wo r d s：ma gn e s i u m ma t rix c o mpo s i t e s；t h e rm a l e x p l o s i o n r e a c t i o n；p a r t i c u l a t e r e i n f o r c e me n t 1 引 言 在 改善镁合金性能的研究中，制备颗粒增 强镁 基复合材料是主要研究方向之一。与外加颗粒相 比
8、，原位合成的增强颗粒不但颗粒细小，表面洁净，而且体系在热力学上 比较稳定，无界面反应，增强效 果更明显。因此，原位复合成为 当前颗粒增强镁基 复合材料 中 的研 究热点。目前，已经原位合 成 了 Ti c Mg 卜引、Mg z S i Mg L 和(Mg O+MS i)Mg E 等镁基复合材料。研究还表明，陶瓷颗粒改 善了镁合金的强度、耐磨性 和高温抗蠕变性 。T i B 2 具有高硬度、高红硬性、高耐磨性以及优 良的化学稳 定性等优点；Mg O既有高硬度 又耐高 温，而相对较高的热膨胀系数与镁合金相匹配，所以 收稿 日期：2 0 0 5 0 3 1 9；修订 日期：2 0 0 5-0 5 2
9、 5 作者简介：纪秀林(1 9 7 5 一)，男，江苏镇江人，博士研究生。导师：王树 奇教授 两者都是镁基复合材料适宜 的增强相。作者以廉价 的镁粉、二氧化钛粉和三氧化二硼粉末为原料，通过 直接在镁液中发生的热爆反应，原位合成 了 T i B 2 和 Mg O颗粒。经搅拌后 浇铸，制 备 了 T i B 2和 Mg O 颗粒增强镁基复合材料，并对其组织与性能进行了 研究。2 试样制备与试验方法 采用的原料：镁粉，纯度 9 9，粒度 1 0 0 2 0 0 目；Ti 02 粉，化学纯；BeOa 为分析纯；工业用纯镁镁 锭。B 2 O s呈冰块状，经 酒精溶解，然后干燥、研磨 后，过 2 0 0目
10、筛。将 Mg、T i 02、B 2 O3 三种粉末按照 化学计量 比为 5：1：1配制成混合粉末，经 2 4 h、1 5 0 r rai n的行星式球磨(玛瑙球，球料 比 4：1)后，压制成 2 c n l x1 c n l 的圆柱形预制块。最后将预 制块在 1 5 O下真空干燥 3 h后备用。采用 7 2 0下保温的方式，将制备的 Mg-Ti O 2 一 维普资讯 http:/ 纪秀林，等：热爆反应制备原位颗粒增强镁基复合材料 B 2 O。体系预制块置于氩气气氛的管式炉内，预制块 很快发生强烈的化学反应，迅速爆裂成颗粒状，同时 放出大量烟雾。将镁锭熔化后加热到 6 8 0后扒渣，再加热至 7
11、 2 0，用钟罩将约占镁液 5 (质量分数，下 同)的 预制块压人镁液 中；待反应结束后，机械搅拌 1 0 2 0 rai n；最后升温至 7 5 0后浇铸成型。混合粉料的热物性采用 NE T Z H-S T A4 4 9 C型 综合热分析仪进行差热分析。试验参数为：氩气气 氛，升温速度 1 0 C ra i n，升温范围常温至 1 0 0 0。材料的微观形貌及显微组织在 J S M-8 4 0 A WD 6 E D S 型扫描电镜上观察。材料 的物相分析用 R i g a k u D m a x-2 5 0 0 P C型 X射线衍射仪。在相同的浇铸及加工 条件下，制备纯镁基体与用 5 Mg-
12、T i O 2 一 B 2 0 3 增强 的镁基 复合材料 的拉伸试样，用 WE-6 0 0型 6 0 0 k N 液压万能试验机直接测得试样的拉伸应力 F h，再除 以试样 的截面积即可得抗 拉强度 O b。硬 度测试 在 HB-3 0 0 0型布氏硬度试验机上进行，载荷 1 0 k N，钢 球直径 1 0 I n l T l，载荷保持时间 3 0 S。3 试验结果与分析 3 1 Mg-T i O 2 一 B 2 0 3 体系的热力学分析 Mg Ti 0 2 一 B 2 O。体系的反应绝热温度高于镁和 三氧化二硼的熔点，因此可能发生的化学反应为：B 2 O3+Ti O2+5 Mg Ti B
13、2+5 Mg O 对于任一化学反应能够进行 的条件是|8 ：Gr一(Gr)_ P一 I(Gr)，R 0 (1)将文献E 8 3 中相关物质的热力学数据代人式 1，经计算所 得不 同温度下体系 的吉布斯 自由能 变化 G r，见 图 1。可见 G 均明显小于零，反应体系有 强烈 自发进行的倾向。_ E 司 母 4 1 1 I 温度 K 图 l Mg-B O 3-T i Oz 的吉布斯 自由能随温度的变化 F i g 1 Re la t i o n b e t we e n Gi b b sf r e e e n e r g y a n d t e mp e r a t u r e o fM g-
14、B O3 热爆反应可以自发进行的一个必要条件是体系 反应的绝热温度 丁 a d 1 8 0 0 K，而计算绝热温度的 42 主要依据是基尔霍夫定律，假设反应在绝热条件下 发生，则有 J：m i H 复一 H 气 (2)i J 式中 H争为反应物 R i 在反应开始温度 丁 0 时的 生成焓变；H 为生成物 P 在绝热温度 时 的 生成焓变；mj、，分别为化学计量系数。考虑到各种 物质在不 同温度条件下状态 的变 化，将文献 E 8 3 的热力学数据代人式 2。计算表 明，在镁 的加人量小 于 7 0 (质量 分数)时，Mg-Ti O z B 2 O。体系反应 的绝热温度都大于 1 8 0 0
15、K，并且绝 热温度随起始温度的提高而升高。3 2 D T A分析 由图 2可见，1 5 0左右 出现的吸热谷是 由于 B 2 O。脱水吸热引起 的。Mg-Ti O。间的二相反应是 在 6 4 4左右这一较 低温度下进行 的 固一 固反应。而 Mg B 2 O。间的二 相反应 是在镁粉熔化后 的 8 1 4 附近才开始发生的。Mg T i Oz B 2 O3 间的三相反 应是介于两者 之间的 6 7 4附近。因此 有理 由认 为，Mg-T i O 2 一 B 2 O 3 合成 Mg O和 T i B 2 的反应过程 是：首先 Ti O 2 与镁之间发生固一 液反应，放出的强大 热量诱发 了 B
16、2 O。和镁之间 的液一 液反应，而 由钛与 硼之间的反应放出的热量反过来又促使前两者的反 应，直 至 三相 反 应最 终 完 成E 。综 上 所 述，Mg-Ti O 2 一 B 2 O。体系的反应温度在 7 0 0以下。镁合金 的冶炼温度(约 7 5 0左右)完全可以使该体系发生 热爆反应。T e 1)E E U 0 图 2 Mg-B O 3-T i02 体 系的 D T A曲线 Fi g 2 DT A c ln v e o fM g-n O3-Ti 02 s y s t e m 3 3 X R D分析 由图 3可见，热爆产物中含有 Mg O、T i B z 和 Mg T i 2 O 4 等
17、物相，说 明 Mg-Ti O 2 一 0 3 体系经热爆反应 后生成了Mg O、T i B 2 等颗粒。中间相 Mg T iz 0 4 产生 的可能原因是，一方面由于镁的沸点较低(小于 1 1 0 0 )，导致镁在反应产生的高温下严重挥发，从而使局 部的还原剂不足；另 一方 面，由于反应呈热爆散开，如果镁粉颗粒较大或者混粉稍有不均，都将导致局部 维普资讯 http:/ 纪秀林，等：热爆反应制备原位颗粒增强镁基复合材料 的还原反应不能彻底进行。然而，Mg T i z 中间产物 可以通过与镁液的进一步反应得到 gg o和 r r i 颗粒 而消除掉，从而避免了在复合材料中产生软质相。l 6 0 0
18、 0 1 2 0 0 0 邑8 0 0 0 4 0 O 0 0 M g U 口 T i B2 Mg Ti 2 04 9 6 ji 3 Ai 2 里 l lS O 2 O 4 0 6 O 8 O l O O 2 0 (。)图 3 Mg-B z 0 3 一 T i O z体 系热爆产物的 X R D谱 F i g 3 XRD p a t t e r n o f t h e t h e r m a l e x pl o s i o n p r o du c t s o fMg-l hO j T i Oz s y s t e m 3 4 S E M 分析 由图 4可见大量的圆形 Mg O颗粒以及少量的
19、 方形 Ti B 2 颗粒。由图 5可见大小在 2 3 m左右 的圆形 Mg O颗粒镶嵌在镁基体中，显示出金属基 复合材料所需增强颗粒的理想形貌。对比图 4、图 5可见，保护气氛下热爆形成 的颗 粒比复合材料的颗粒要小。原因可能是，在保护气氛 下热爆，反应时的温度与反应前后 的温度相差很大，反应是在瞬间进行 的，所以反应生成 的颗粒不易长 大；而在镁液中热爆形成的微小颗粒，由于处在熔体 中，颗粒间相互碰撞，所以还可以进一步聚集长大。3 5 复合材料的抗拉强度和硬度 原位颗粒增强复合材料与基体材料相比，抗拉强 度和布氏硬度都有 明显提高。5 Mg-T i O z B 2 0 3体 系增强的镁基复
20、合材料，其抗拉强度 c b(1 6 5 2 MP a)比基体(1 3 1 1 MP a)提高了约 2 6 ；布氏硬度(1 3 1 6 HB)比基体(9 9 6 H B)提高了约 3 2 。复合材料的 硬度与复合材料内的增强颗粒有着密切的关系，因 此，采用热爆方法制备的镁基复合材料对提高基体的 力学性能有明显的效果。4 结论(1)在 Mg-T i O z 一 0。体系中镁的加入量小于 7 o 的情况下，该体系的热爆反应可以 自发进行。Mg-Ti Oz B 2 o 3 三相 间的反 应包含 了三个 放热 反 应，其反应 开始温度介 于 Mg-B 0 3和 Mg-Ti O 2两 者反应温度之间的 6
21、 7 4附近。(2)Mg-Ti 0 2-B 2 0 3 预制块直接在 7 2 0的镁 液内发生热爆反应，同时原位合成了细小的 Mg O 和 T 颗粒，经搅拌、浇铸后制得原位颗粒增强 的 图 4 Mg-i h O3 一 T i 0 2体 系热爆产物的 s E M 形貌 Fi g 4 S EMi n l a g e o ft h e r m a l e x p l o s i o n p r o d u c t s of M g-Ti Oz-Bz Oj s y s t e m 图 5 Mg-B z O3。T i O z 体 系制备的复合材料的 s E M 形貌 F i g S S EMi ma g
22、 e o ft h e c o mp o s i t ema d ef r o m M g-Ti Oz 一 03 s y s t e m 镁基复合材料。(3)5 Mg-T iO z B 2 O。体系制备的镁基复合材 料，其抗拉强度和布氏硬度分别比基体提高了约 2 6 和 3 2 。参考文献：1 J J i a n gQC，Wa n gHY，Wa n g J G，e t a 1 F a b r i c a t io n o f Ti C 口 Mg c o mp o s i t e s b y t h e t h e r ma l e x p l o s i o n s y nt h e s i
23、s r e ac t i o n i n m o l t e n m a g n e s i u m J Ma t e ri a l s L e t t e r s，2 0 0 3，5 7(1 6 1 7)：2 5 8 O一 2 5 8 3 2 3 D o n gQ，C h e nLQ，Z h a o M J，e t a J。S ynt h e s i s o f T i(二 D r e i n f o r c e d ma g ne s i u m ma t r i x c o mp o s i t e s b y i n s i t u r e a c t i v e i n fil t
24、r a t i o n p r o c e s s J Ma t e r i a l s L e t t e r s，2 0 0 4，5 8(6)：9 2 o 一9 2 6 3 3 王连登，傅高升，钱匡武T iC p A 1 预制块在Mg中熔化过程研 究 J 特种铸造及有色合金，2 0 0 4，(5)：4 6 4 陈 晓，傅高升，钱匡武，等 s r 对原位自生 Mg 2 S i Z Ms 复合材 料组织与性能的影响 J _中国有色金属学报，2 0 0 2，1 2(A 1 专 刊)：2 4 1 2 4 5 5 于化顺，闵光辉，王大庆，等液态反应合成 Mg-L i-M g O Mg z S i 复
25、合材料的组织与性能 J 稀有金属，2 0 0 0，2 4(1)：2 1 2 4 6 3 陈 晓，傅高升，钱匡武，等原位反应自生 Mg O Mg 2 S i 增强镁 基复合材料的热力学和动力学研究 J 铸造技术，2 0 0 3，2 4 (4)：3 2 1-3 2 4 7 3 于化顺，高瑞兰，闵光辉，等，Mg I j 合金及复合材料的抗蠕变性 能 J _ 特种铸造及有色合金，2 0 0 2，(1)：8-9 (下转 第 7 7页)维普资讯 http:/ 周 海，等：4 0 C r 钢表面低温气体碳、氮、氧多元共渗层的摩擦学性能 用的增强和减弱，摩擦因数有升有降，在 1 1 rai n左 右趋于稳定(
26、约为 0 7 0 3)，约为经过多元共 渗处理 试样摩擦因数的 2 倍。由图 5 b清楚可见，原始试样 磨损机理表现为较严重的撕裂和块状鳞 片脱落，同 时出现严重的犁沟和粘着，并出现点蚀剥落，可 以归 结为严重的粘着磨损和疲劳磨损。与经过处理试样 相比，犁沟多而深，不规则 的碎片和鳞片很多，说 明 经过多元共参处理后试样的耐磨性能显著提高。(a)多元共渗试样(6 2 0X4 h)(b)原始试样 图 5 试样划痕表面显徽形貌5 0 X 吕 5 M o h o l o g y o fwe ar S c a r s o f pe n e t r a t e d l a y e r a n d b a
27、 s e 5 0X 4 结 论(1)利用低温气体多元共渗技术在 4 0 C r 钢表 面可形成均匀的由疏松层、白亮层和过渡层组成 的 渗层。共渗工艺为 6 2 04 h，共渗时间短，温度 低，渗层厚度约为 3 4 0 m。加热温度一定 时，渗层 厚度随保温时间的延长而增大。(2)低温气体多元共 渗后 4 0 C r 钢表面硬度明 显提高，达到 8 5 0 HV。(3)低温气体多元共 渗后 4 0 C r 钢表面的耐磨 性能得到显著改善，摩擦因数降为 0 3 6 8，而原始材 料的摩擦因数为 0 7 0 3，渗层的耐磨性能比原始基 材提高。参考文献：陈全明金属材料及强化技术 M 上海：同济大学出
28、版杜，1 9 9 2 11】一 1 2 O 雷廷权，傅家骐金属热处理工艺方法 5 0 0 种 M 北京：机 械工业出版社，1 9 9 8 侯增寿，卢光熙金属学原理 M 上海：上海科技出版社，1 9 9 5 吴大兴，杨 川，高国庆 多元共渗渗剂气体发生装置 P 中国 专利：9 5 2 4 1 7 9 3 6，1 9 9 6 0 7-1 7 袁叔贵，邹敢峰高速钢离子轰击热处理渗层的耐磨性和抗咬 合性口 金属热处理，1 9 8 3，(1 o)：l 8 2 2 沈永秋，刘志强，查树兰，等 六种典型表面强化层的摩擦学特 性研究口 摩擦学学报，1 9 9 2，1 2(1)：4 5 5 4 张 清金属磨损和
29、金属耐磨材料手册r M 北京：冶金工业 出版社，1 9 9 1 _(上接第 4 3页)8 叶大伦，胡建华 实用无机物热力学数据手册r M 北京：冶 金工业出版杜，2 0 0 2 9 金云学，张二林自蔓延合成技术及原位 自生复合材料 M 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2 0 0 2 1 O 张廷安，杨 欢，牛丽萍，等镁热还原自蔓延高温合成硼化钛 微粉的动力学 J 中国有色金属学报，2 0 0 1，1 1(4)：5 6 7 5 7 0 (上接第 5 o页)(2)所研 制的 GD MA3 0 8焊丝熔渣结构致 密，气孔数量少、尺寸小，焊后脱渣性好，克服 了实芯焊 丝产生的粘渣现象。(3)在相 同的焊
30、接条件下，GD MA3 0 8金属芯 焊丝的成形系数较实芯焊丝的小，因而可使用较小 的焊接规范，对于不锈钢焊接接头性能尤为有利。参考文献 1 L i Z h u o x i n S t u d y o n s l a g d e t a c h a b i l i t y a n d s t i c k s l ag me c h a n i s m o f S S F C E J T r a n s a c t io n s o f T i a n j i n U n iv e r s i t y，1 9 9 7，(1)：7 98 4 2 Ma h a m K u m a g a i F u
31、 n d a m e n t a l s t u d ie s o n s l ag a d h e r e n c e t o s u b m e e d a r c w e l d m e n t J T r a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n we l d in g S o c ie t y，1 9 8 6，5 1 7(2)：5 6 6 1 3 孙 咸 不锈钢焊条脱渣性影响因素的研究 J 焊接，1 9 9 4，(5)：2 6 4 彭道衡，周 宣A l O 2 不锈钢焊条脱渣性影响因素的研究口 焊接，2 0 0 0，(7)：1 1 1 5 7 7 L!l 维普资讯 http:/