镁基复合材料优良的耐磨性详解
镁基复合材料在干摩擦条件下的抗磨损性能研究进展
镁基复合材料在干摩擦条件下的抗磨损性能研究进展陈百明;张振宇;张宗莹;安亮;余华俐【期刊名称】《粉末冶金工业》【年(卷),期】2014(24)3【摘要】镁基复合材料具有高的比强度和比刚度,具备替代密度较大的钢或铝基结构材料的巨大潜力。
但镁基复合材料的抗磨损性能较差,对其抗磨损性能的研究相对较少。
通过加入强化相、稀土或原位合成强化相,热处理,表面处理等方法可在某些摩擦条件下不同程度地提高镁基材料的抗磨损性能。
本文总结了近几十年来对镁基复合材料抗磨损性能的研究进展,并提出了基体的合金化和形成有效金属间化合物是提高镁基复合材料整体抗磨损性能的有效方法。
【总页数】8页(P40-47)【关键词】镁基复合材料;抗磨损性能;金属间化合物;强化相;合金化【作者】陈百明;张振宇;张宗莹;安亮;余华俐【作者单位】兰州工业学院材料工程学院;兰州陇能电力科技有限公司【正文语种】中文【中图分类】TG316.11【相关文献】1.干滑动摩擦条件下Al−Si3N纳米复合材料及rAl−Gr−Si3N4混杂复合材料摩擦磨损性能的优化 [J], R. AMBIGAI;S. PRABHU2.干摩擦条件下碳纤维填充聚苯酯基复合材料摩擦学性能研究 [J], 冯丽;吴振宇;蒋义海;陈冲3.UHMWPE基复合材料在干摩擦和油田污水条件下的摩擦磨损性能 [J], 尹璞;温建萍;甄明晖4.干滑动摩擦条件下Al.Si3N纳米复合材料及Al.Gr.Si3N4混杂复合材料摩擦磨损性能的优化 [J], R. AMBIGAI, S;S. PRABHU;;5.铝基金属复合材料在干摩擦条件下的抗磨损性能的研究进展 [J], 陈百明;张振宇;安亮;余华俐;李晶因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
镁基复合材料
展望
镁基复合材料拥有优异的力学性能和物理性能，已 经显示出广阔的应用前景。 制备工艺、回收技术以及材料内部结构性能的各个 领域进行更多的原理研究及应用探索。 空间应用及交通领域 人类社会的老龄化问题日益突出，发展各种超轻结 构材料对于老年人独立工作及日常生活十分必要。
参考文献
[1] 杜文博，严振杰，吴玉锋等. 镁基复合材料的制备方法与新工艺.稀有 金属材料与工程. 2009, 38(3) [2] T W 克莱因. 金属基复合材料导论 . 余永宁,房志刚译. 北京:冶金工业 出版社. 1996. [3] 董 群, 陈 礼,清赵明久等. 镁基复合材料制备技术、性能及应用发展概 况. 材料导报. 2004, 18(4) [4] 张修庆, 滕新营.镁基复合材料的制备工艺. 热加工工艺 2004, (3) [5]方信贤, 王 莹.原位合成颗粒增强镁基复合材料研究进展.南京工程学 院学报( 自然科学版). 2008, 6(2) [6 ]南宏强 ,袁 森 ,王武孝等. 颗粒增强镁基复合材料的制备工艺研究进 展. 2006, 27(4) [7] 孙志强，张 荻，丁 剑等。原位增强镁基复合材料研究进展与原位反 应体系热力学. 材料科学与工程. 2002, 20(4) [8]胡连喜,李小强.挤压变形对SiCw/ZK51A镁基复合材料组织和性能的 影响.中国有色金属学报,2000,10 (5)
应用
应用
镁基复合材料的研究及其展望
研究方向
研究中的问题
展望
研究方向
组成及界面反应
增强相选择要求与铝基复合材料大致相同，都要求物 理、化学相容性好，润湿性良好，载荷承受能力强，尽量 避免增强相与基体合金之间的界面反应等。
制备及合成工艺
反应物的选择和反应工艺的控制。
复合材料的耐磨性与应用研究
复合材料的耐磨性与应用研究在当今的工程和技术领域，复合材料以其卓越的性能和广泛的应用范围，成为了备受关注的材料类型之一。
其中，耐磨性作为复合材料的一个重要性能指标，对于其在众多领域的成功应用起着关键作用。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。
通过巧妙的设计和制造工艺，这些材料能够相互协同，发挥出单一材料所无法达到的性能优势。
而耐磨性，则是指材料抵抗磨损和破坏的能力，它在很大程度上决定了复合材料在实际使用中的寿命和可靠性。
从微观角度来看，复合材料的耐磨性与其组成成分、微观结构以及界面特性密切相关。
例如，增强相的种类、尺寸、形状和分布会显著影响复合材料的耐磨性能。
常见的增强相包括纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）、颗粒（如碳化硅、氧化铝等）和晶须（如碳化硅晶须）等。
这些增强相能够有效地承担载荷，阻止磨损表面的裂纹扩展，从而提高材料的耐磨性。
以纤维增强复合材料为例，纤维的高强度和高模量能够有效地分担外界载荷，减少基体材料的变形和磨损。
而且，纤维在基体中的取向也会对耐磨性产生影响。
当纤维沿着主要磨损方向排列时，能够提供更好的耐磨性能。
复合材料的微观结构，如孔隙率、相分布的均匀性等，也会对其耐磨性产生重要影响。
较低的孔隙率有助于提高材料的致密性，减少磨损过程中的应力集中，从而增强耐磨性。
而均匀的相分布能够使载荷均匀传递，避免局部过度磨损。
界面特性在复合材料的耐磨性中同样起着至关重要的作用。
良好的界面结合能够有效地传递载荷，防止界面脱粘，从而提高耐磨性。
相反，界面结合不良会导致增强相无法充分发挥作用，降低材料的耐磨性能。
在实际应用中，复合材料的耐磨性优势得到了充分的体现。
汽车工业是复合材料的重要应用领域之一。
例如，汽车的制动系统中，采用了具有良好耐磨性的复合材料来制造刹车片和刹车盘。
这些复合材料不仅能够在高温、高摩擦的条件下保持稳定的性能，还能够有效地延长制动系统的使用寿命，提高汽车的安全性和可靠性。
增强镁合金耐磨性研究方法的总结
增强镁合金耐磨性研究方法的总结作者：尹鹏跃张嘉璐王云乐李煜来源：《科技创新导报》 2015年第3期尹鹏跃张嘉璐王云乐李煜（上海工程技术大学机械工程学院上海 201620）摘要：镁合金是目前实际生产应用中最轻的金属材料，具有密度小，比强度和比刚度高，阻尼性、切削加工性和铸造性能好等优点。
因此，镁合金产品越来越多的用于汽车、通讯和航天工业中。
关键词:镁合金摩擦磨损中图分类号:TG146文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)01(c)-0024-01但由于镁合金及镁基复合材料零部件在使用过程中因相对运动不可避免地与其他材料接触并产生摩擦磨损，而其耐磨性较差，在汽车发动机零部件上的应用受到一定限制[1]。
为了改善镁合金的性能，学者们通过对镁合金进行不同方法的处理，来寻找可以提高镁合金性能的方法。
该文总结了目前对提高镁合金摩擦磨损性能研究的一些成果，并提出了一些新型研究技术。
1 镁合金的摩擦磨损镁合金的摩擦磨损大致可分为4个阶段：较低载荷，产生磨粒磨损，氧化磨损，此时在犁沟中分布有大量坑状剥落；较高载荷，产生剥层磨损，此时出现唇边及裂纹现象；高载荷，产生粘着磨损，此时犁沟更加平滑，磨损表面较为光滑；更高载荷，产生熔融磨损，辅以粘着磨损进行，此时犁沟表面十分光滑，可看到严重塑性变形现象。
常见的镁合金有Mg-Al-Zn系、Mg-A1-Si系和稀土镁合金，它们都表现出了良好的力学性能和耐热性，在摩擦磨损过程中有一定的承载能力，磨损之后的热稳定性也较好。
Mg-Al-Zn系合金主要有Mg-3A1-1Zn(AZ31)和Mg-9Al-1Zn(AZ91)等。
AZ91镁合金相比AZ31镁合金的耐高温和耐磨性要好一点。
根据刘英[2]等的研究，AZ91镁合金在较高载荷（150～200?N）下，出现了塑性变形和剥落块。
而据赵旭[3]等的研究，AZ31镁合金在中等载荷(75～100?N)时，磨损表面就出现了大块状磨屑剥落。
镁基复合材料
优良的储氢性能 储氢材料可以在晶体的空隙中大量储存氢原子，并且可逆 。拥有无比的优越性。 镁基复合材料具有储氢量大、质量轻、价格低以及资源丰 富等优点。 镁基储氢合金在一个大气压下的放氢温度为250°C左右， 可以利用汽车排放的废气(280°C左右)来加热使之放氢，因 而比较适合用于燃氢汽车。 优良的阻尼性能 所有的金属结构材料中，镁的阻尼性能最好。因此，采用 高阻尼镁合金为基体，选择合适的增强体，通过合理的设 计，获得高阻尼、高强度和低密度的减振材料。
用作燃氢汽车的储氢材料
谢
谢
镁 基 复 合 材 料
陈 锦 13721556
目 录 研究背景
组织结构与性能
制备工艺 应用与展望
镁的性能
重量轻：镁合金是最轻的工程结构材料。镁的密度1.74，约 为钢的1/4，铝的2/3，为工程塑料的1.5倍。 比强度、比刚度高：镁合金的比强度明显高于铝合金和钢， 比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工程塑料，为一般塑 料的10倍。 减振性好：相同载荷下，是铝的100倍，钛合金的300～500倍 。电磁屏蔽性佳。 散热性好：金属的热传导性是塑料的数百倍，其热传导性略 低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，常用合金中比热最高 。 耐蚀性好：为碳钢的8倍，铝合金的4倍，为塑料材料的10倍 以上。 质感佳：外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感。 可回收性好：花费相当于新料价格的4%，可回收利用镁合金 制品及废料。
高强度
Mg-Zn-Cu合金（ZC17）
耐热
Mg-Re-Zr合金
储氢
Mg-Ni合金Leabharlann 常用颗粒增强体碳化物
SiC颗粒 硬度高，耐磨性能好、抗热冲击、抗氧化。镁没有稳定的碳化物，SiC在镁中热力学上 是稳定的，因此，SiC常用作镁基复合材料的增强相，并且来源广泛价格便宜，具有工 业化生产前景。 B4C颗粒 菱面体站构，高熔点、高硬度、硬度仅次于金刚石与立方氮化硼，是密度最低的陶瓷材 料，热膨胀系数相当低，价格也较便宜。 TiC颗粒 面心立方晶格，高熔点、高硬度及高温稳定性。TiC与镁的润湿性好于与铝的润湿性。 且不和镁发生界面反应。因此，TiC是作为镁的增强相的较佳选择。
颗粒增强镁基复合材料概述
颗粒增强镁基复合材料颗粒增强金属基复合材料由于制备工艺简单、成本较低微观组织均匀、材料性能各向同性且可以采用传统的金属加工工艺进行二次加工等优点，已经成为金属基复合材料领域最重要的研究方向。
颗粒增强金属基复合材料的主要基体有铝、镁钛、铜和铁等，其中铝基复合材料发展最快；而镁的密度更低，有更高的比强度、比刚度，而且具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽等性能，镁基复合材料正成为继铝基之后的又一具有竞争力的轻金属基复合材料。
镁基复合材料因其密度小，且比镁合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性能，受到航空航天、汽车、机械及电子等高技术领域的重视。
颗粒增强镁基复合材料与连续纤维增强、非连续(短纤维、晶须等)纤维增强镁基复合材料相比，具有力学性能呈各向同性、制备工艺简单、增强体价格低廉、易成型、易机械加工等特点，是目前最有可能实现低成本、规模化商业生产的镁基复合材料。
一、制备方法1、粉末冶金法粉末冶金法是把微细纯净的镁合金粉末和增颗粒均匀混合后在模具中冷压，然后在真空中将合体加热至合金两相区进行热压，最后加工成型得复合材料的方法。
粉末冶金的特点：可控制增颗粒的体积分数，增强体在基体中分布均匀；制备温度较低，一般不会发生过量的界面反应。
该法工艺设备较复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。
2、熔体浸渗法熔体浸渗法包括压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗。
压力浸渗是先将增强颗粒做成预制件，加入液态镁合金后加压使熔融的镁合金浸渗到预制件中，制成复合材料采用高压浸渗，可克服增强颗粒与基体的不润湿情况，气孔、疏松等铸造缺陷也可以得到很好的弥补。
无压浸渗是指熔的镁合金在惰性气体的保护下，不施加任何压力对增强颗粒预制件进行浸渗。
该工艺设备简单、成本低，但预制件的制备费用较高，因此不利于大规模生产。
增强颗粒与基体的润湿性是无压浸渗技术的关键。
负压浸渗是通过预制件造成真空的负压环境使熔融的镁合金渗入到预制件中。
由负压浸渗制备的SiC／Mg颗粒在基体中分布均匀。
高耐磨镁合金复合涂层综合探讨
高耐磨镁合金复合涂层综合探讨1.1镁合金概述镁元素在地壳中含量丰富，其中海水和矿物是目前所使用的镁资源主要来源。
镁属于轻质金属，纯的金属镁呈银白色。
以镁金属为主，加入其他元素或物质组成镁合金，镁合金密度范围在1.76g/cm3到1.84g/cm3之间，仅为铁的四分之一。
镁合金拉伸强度较高，通常为250MPa，根据不同的合金元素及加工方式，最高能达600MPa以上。
膨胀系数为25～26μm/m℃。
主要以铝、锌、锰、钍或少量的锆、镉等元素合金。
镁合金比其他常用的合金的密度小，除此之外还具有高比强度和高的比刚度等特点，作为结构部件时能明显降低震动带来的能量，继而具备降噪消音等性能。
不仅如此，镁合金能够进行加工切削、电焊连接、抛光表面等，是代替铝合金、钢材结构部件的候选材料之一。
在一些元素合金或特点的加工锻造出来的镁合金，刚度和强度都能高于铝合金以及钢材。
随着厚度的增加，镁合金的刚度也随之增加，在相同形状下，镁合金产品的刚度几乎要高出十倍。
由于镁合金的单位重量下，其强度比一般的工程塑料要大很多，即使美合金的密度较大，也能做出比工程塑料更加轻薄的结构部件，从而达到增强结构、轻量化等目的[1]。
镁合金熔点相对于其他合金低，利于加工压制成型，成型的结构件壁厚可达到很小的厚度，从而拥有广泛的应用领域，镁合金还具备熔融压铸等属性，与铝合金一样[2]，均可回收再利用。
1.2镁合金应用及前景镁金属为密排六方晶体结构，其硬度和塑性很低。
由于纯镁易燃，不适合作为结构材料，而镁合金材料具有高的力学性能和低的密度，化学性质比镁金属稳定许多，能够作为理想的结构材料。
适合用于轻质量、高强度、隔音屏蔽的工程结构部件以及航空、航天、汽车零部件等。
镁合金具有优良的导热性能及导电性能，成型压铸简易，可回收重复使用，污染低等特点，使其无可厚非的成为更具有应用价值和应用前景的合金材料。
石油的不可再生属性以及燃烧后带来的污染，使人们不断的在汽车领域追求省油、减少汽车尾气的排放。
镁基复合材料的应用及发展
镁基复合材料的应用及发展镁基复合材料是一种由镁合金基体和其他增强材料组成的复合材料。
镁合金具有低密度、高比强度和良好的机械性能等优点，但其在高温和腐蚀环境下的性能较差。
通过将其他增强材料与镁合金基体结合，可以改善镁合金的性能，并拓展其应用领域。
以下将详细介绍镁基复合材料的应用及发展。
一、航空航天领域镁基复合材料在航空航天领域有着广泛的应用。
由于镁合金具有低密度和高比强度，可以减轻飞机和航天器的重量，提高其燃油效率和载荷能力。
同时，镁基复合材料还具有良好的耐腐蚀性能，可以在恶劣的环境下使用。
目前，镁基复合材料已经成功应用于飞机结构、发动机零部件、导弹和航天器等领域。
二、汽车工业镁基复合材料在汽车工业中也有着广泛的应用前景。
由于镁合金具有低密度和良好的机械性能，可以减轻汽车的重量，提高燃油效率和行驶性能。
此外，镁基复合材料还具有良好的吸能性能，可以提高汽车的碰撞安全性。
目前，一些汽车制造商已经开始使用镁基复合材料制造车身和零部件，以实现轻量化和节能减排的目标。
三、电子领域镁基复合材料在电子领域也有着广泛的应用。
由于镁合金具有良好的导电性能和热传导性能，可以用于制造电子器件和散热器等。
此外，镁基复合材料还具有良好的抗电磁干扰性能，可以提高电子设备的稳定性和可靠性。
目前，一些电子产品中已经开始使用镁基复合材料，如手机、平板电脑和电视等。
四、医疗领域镁基复合材料在医疗领域也有着潜在的应用价值。
由于镁合金具有良好的生物相容性和生物降解性，可以用于制造骨科植入物和修复器械等。
此外，镁基复合材料还具有良好的抗菌性能，可以预防感染和促进伤口愈合。
目前，一些医疗器械制造商已经开始研发和应用镁基复合材料，以提高医疗器械的性能和安全性。
随着科学技术的不断进步，镁基复合材料的应用领域还将不断拓展。
未来，随着材料制备技术的改进和材料性能的提高，镁基复合材料有望在更多领域发挥重要作用。
同时，还需要进一步研究镁基复合材料的制备工艺、性能测试和应用评价等方面的问题，以推动其在实际应用中的发展。
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镁基复合材料优良的耐磨性
实验表明
镁基复合材料在磨粒磨损和有润滑的情况下优于基体耐磨性
本质
增强体的加入影响了磨损机制以影响材料的磨损特性
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影响因素
增强体种类 增强体形状 增强体体积分数
因素
磨损特性
正载荷 滑动速度 滑动距离
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增强体种类
至 70 ℃
静置
升温到730℃
5min
搅拌器搅拌30min
浇注
200℃退火
( SiCp+ B4 Cp ) / ZM5 镁基复合材料
固溶及时效处理
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B4C和SiC颗粒增强镁基复合材料的磨损特性
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B4C和SiC颗粒增强镁基复合材料的磨损特性
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丝模等
❖ C纳米管
碳纳米管出 现团聚现象
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多种增强体共用
1.Al2O3对基体加入 Al2O3短纤 维和石墨进 行混杂增强
效果并不好
将硬质颗粒与石墨混杂增强？？？
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增强体纳米化 选择其他增强体 多种增强体共用
……
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增强体纳米化
加入纳米SiC后，晶粒细化
加入纳米ＳｉＣｐ后，材料从轻 微磨损到严重磨损的转变温度提 高了５０℃，复合材料表现出较 好的耐高温磨损性能
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选用其他增强体
❖ ZrO2颗粒
部分稳定氧化锆（VK-R50Y3）具有高的硬度和耐磨性，所以氧化锆在磨介 和磨具领域中有着广泛的应用：如球磨球和球磨机内部衬里和耐磨部件，拉
内因
增强体种类 提高硬度or提高润滑 性
增强体体积分数 选择最优的体积含 量
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正载荷
结论
复合材料的磨损存在一个由轻 微向剧烈磨损阶段转变的载荷, 当载荷低于转变载荷时,磨损 率较低,复合材料的增强耐磨 性作用往往也在此阶段。当载 荷超过转变载荷时,增强相开 始大量断裂并脱落,其承载的 作用便失去,复合材料的磨损 率会变得较高,有的甚至超过 了基体合金
形状越圆润，耐磨性越好！
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▪ 体积分数较低 ▪ Click to add Text
▪ 体积分数较高
增强体体积分数
黏着磨损被 抑制
耐磨A性dd随y体ou积r分te数xt增in大h而er提e 高
剥层磨损变 严重
体积分数增大，耐磨性降低
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增强体形状 增强体越圆润 ，耐磨性越好
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滑动距离
实验
Al2O3 纤维增强与Al2O3 纤维- 石墨(Gr) 混杂增强AZ91基复合材料的磨损体积损 失均随滑动距离的增加呈近似线性增大
结论
磨损是一个累计破坏的过程,随着滑动距 离的增加,在稳定磨损阶段磨损量会线性 增加
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滑动速度
结论 在较高载荷且低速时(小于 1m / s)复合材料的磨损率 高于基体,随着速度的增加, 复合材料逐渐由剥层和磨 粒磨损转化为粘着磨损,由 于增强相对承载能力的贡 献导致复合材料表现出高 于基体合金的耐磨性
种类
石墨
在磨面上形成
一层稳定的石墨润 滑膜
Al2O3短纤维
增强体的引
入形成弥散强化 相，提高了基体 的硬度
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增强体形状
圆
块
尖
形
状
锐
状
尖锐的颗粒在复合材料制备中容易形成颗粒聚集区域。在磨 损过程中相对于块状、圆形的增强体,裂纹也容易在尖锐的增强颗 粒与基体的界面上和颗粒聚集区域优先形核。裂纹在正向和切向 载荷的作用下向磨面扩展,到达磨面就形成了剥层磨损。并且尖锐 的颗粒磨损过程中也较容易从磨面上拔出和脱落
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滑动速度 剥层，磨粒磨损 →粘着磨损
正载荷 轻微磨损→剧烈磨损
外因
滑动距离 与磨损量呈线性
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B4C和SiC颗粒增强镁基复合材料的磨损特性
制备工艺：搅拌铸造法
坩埚升温到680℃
加入保护溶剂并进行表面改性
升
温
手工搅拌10min
加入ZM5镁合金
加入配比好的B4C和SiC颗粒