0I:1013374W5isml000x2X0L02001 第23卷第2期 北”京科技大学学报 VoL23 No.2 2001年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2001 压铸TiC/A-9Si-1.4Cu0.5Mg 复合材料的拉伸性能 杨滨”陈国香》 张济山) 1)H北京科技大学新金属材料国家重点实脸室，北京1000832)南昌大学机电学院，南昌330029 摘要 利用熔铸一原位反应和压铸成形技术制备了TCA9S1-1.4C0.5Mg复合材料，测 试了复合材料的拉伸性能.结果表明：TGC/-9S-14Cu0.5Mg复合材料的室温极限拉伸强度 为354MPa,比基体合金提高26%；260℃时复合材料的极限拉伸强度为272MPa,比基体合金 提高46%.复合材料的延伸率与A-9Si-1,4Cu-0.5Mg合金相当.讨论了进一步提高熔铸一原位 反应TiC/AI-9S-l.4Cu0.5Mg复合材料拉伸强度的途径. 关键词原位反应：铝基复合材料：压铸：拉伸性能 分类号TG113.12 亚共晶ASi合金(Si含量≥6%)具有优良 m)按一定比例在混粉机上混合均匀，并压制 的铸造性能.经过变质处理以后，合金还具有良 成直径20mm,高25mm的预制块备用.将坩埚 好的力学性能、物理性能和切削加工性能.在亚 中的A-9Si-1.4Cu0.5Mg合金加热到900C,用 共晶ASi合金中同时加入合金元素Mg和Cu, 石墨钟罩将一定量的TC-A]预制块压人此合 组织中除会出现a固溶体、Si和MgSi外，还将 金液中，反应完成后（反应结束点可通过观察预 出现ALMg,CuSi和CuA2强化相D.当CuMg质 制块发出耀眼火焰后的瞬间确定)降温至750℃ 量比约为2.1时，组织中的MgSi会完全消失. 进行充分搅拌，再加人一定量的镁（残留量为 当Cu/Mg质量比大于2.1时，组织中除出现a固 0.5%)配成5%TiC/A1-9Si-l.4Cu0.5Mg复合材 溶体、Si和ALMg.CuSi相外，还将出现CuAl 料（镁在内生TC颗粒后加入是为了避免过量 相.由于CuA山相的热稳定性比MgSi好得多， 烧损).熔体温度达到720℃时用CC1精炼除 因此A-Si-Cu-Mg合金在需要耐热的场合下通 气，然后再用NaR,NaCl和KCl三元变质剂进行 常CuMg质量比都大于2.l. 变质处理，最后用压铸法制备电动车电动机转 在亚共晶A-Si合金中内生一定量的TiC 动端盖.见图1压铸机型号为J1125 颗粒增强相，可以进一步提高合金的弹性模量 和耐磨性.考虑到电动车电动机转动端盖壁较 薄（平均尺寸约3mm),热处理后易变形，因此采 用熔铸一原位反应和压铸成形技术制备了TC/ A-9Si-1.4Cu0.5Mg(质量分数，下同)复合材料 并测试了复合材料的铸态拉伸性能.本文主要 研究原位反应TiC/A-9Si-1.4Cu0.5Mg复合材 料的铸态拉伸性能 1试验方法 将Ti粉(50m石墨粉(C75m)、A1粉(<75 图1TiC/A-9i-1.4Cu-0.58Mg复合材料端蓝压铸件 收稿日期12000-11-22杨滨男，40岁，副敏授，博士 Fig.2 Motor caps of an electromotive prepared by diecas- ★园家自然科学基金资助项目(N0.59774032) *江西省自然科学基金资助项目QN0.75018) ting TiC/AL9Si-1.4Cu-0.5Mg composite
ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．２００１．０２．００４
·112◆ 北京科技大学学报 2001年第2期 利用H800透射电镜观察内生TC颗粒的 合金熔体中内生的TC颗粒有相当一部分尺寸 形貌.用KONTRONIPS500图像分析仪分析TiC 小于1m,它们会产生Orowan强化，提高合金 颗粒的尺寸分布. 的强度.从(1)式中还可以看出，提高增强颗粒 2实验结果 的体积分数，可提高合金的强度.但试验中发 现，当内生C颗粒量大于8%后，合金熔体粘 在端盖3mm平面处切取板状试样，在ns 度增加幅度较大，粘度增加势必会造成熔体流 ro如强度试验机上测试复合材料的室温和260℃ 动速度下降，不利于压铸TC/A-9Si-1.4Cu-0.5 时的拉伸性能，并与基体合金进行对比.实验结 Mg复合材料制备过程的进行. 果列于表1中. 因此，为了进一步提高复合材料的强度，应 表1压铸AL9Si-1.4CI-0.5Mg合金和5%TCIA-9Si 努力探索出元素粉末颗粒直径、预制块密实度、 1,4Cu0.5Mg复合材料的拉伸性能 熔体反应温度等各项工艺参数对原位反应颗粒 Tablel Tensile properties of the diecasting Al-9Si-1.4Cu- 大小的影响规律，最终达到细化内生TC颗粒 0.5Mg alloy and 5%TiC/A]-9Si-1.4Cu-0.5Mg composite 尺寸，提高复合材料强度的目的. a,/MPa 6,/% 实验材料 复合材料的延伸率与基体保持相近的原因 25℃260℃25℃260℃ 是由于原位生成的TC颗粒与基体的界面结合 Al-9Si-1.4Cu-0.5Mg 2801863.66.4 5%TC/A-9Si-1.4Cu0.5Mg3542723.262 良好.颗粒近似呈球形（图3），颗粒内部应力分 从表1的实验结果可以看出，压铸5%TC/ 14.0 A-9Si-1.4Cu0.5Mg复合材料的极限拉伸强度 12.0 为354MPa,比基体合金提高26%；260℃时复合 10.0 材料的极限拉伸强度为272MPa,比基体合金 8.0 提高46%.复合材料的延伸率与基体合金相当. 6.0 3分析和讨论 3.0 内生TiC颗粒增强A-9Si-1.4C0.5Mg复 2.0 合材料的强度增量和晶粒尺寸之间的关系可用 0.0 Holl-Pecth关系加以说明.Holl-Pecth关系描述 0.51.0152.02.53.03.5. 合金强度增量和晶粒尺寸之间的关系式为四： 颗粒尺寸/m △ow≈kDe≈d(-gys (1) 图2A9S-1,4Cu0.5Mg中内生TC颗粒的尺寸分布 Fig.3 Dispersion of diameter of TiC partieles prepared by 式中，△w为合金强度增量，k是和一系列因素 melt in situ reaction in melt Al-9Si-1.4Cu-0.5Mg alloy 有关的因子，D是晶粒尺寸，d是增强颗粒尺寸， 0,为增强颗粒的体积分数.由于在A】-9Si-1.4 Cu0.5Mg合金熔体中内生一定量的TiC颗粒可 明显细化基体晶粒（即减小D值），因而合金强 度得以提高.260℃时复合材料的极限拉伸强度 远高于基体合金的原因在于，原位反应TC/ A-9Si-1.4Cu0.5Mg复合材料受热时细小的晶 粒不易长大，同时TC颗粒的存在降低了合金 中元素扩散的速度，阻碍了Si、ALMg;Cu Si和 CA山，相的长大，从而提高了合金组织的热稳定 性.从(1)式可知，诚小增强颗粒的尺寸有利于 提高复合材料的强度.图2示出的是自动图像 500nm 分析仪对A9S1-1.4Cu0.5Mg合金熔体中内生 图3利用培铸-原位反应技术获得的TC颗粒TM像 600个TC粒子进行统计分析后得出的颗粒尺 Fig.3 TEM micrograph of TiC particle prepared by melt 寸分布图.从图中可见，在A-Si-1.4Cu-0.5Mg in situ reaction tecbnique
Vol.23 No.2 杨滨等：压铸TiC/A-9Si-1.4Cu0.5Mg复合材料的拉伸性能 ◆113 布比较均匀，这对保持材料良好的塑性十分有 足电动车电动机转动端盖等结构件的使用要 利.而外加的尖锐颗粒增强金属基复合材料，由 求. 于尖锐颗粒中残余应力分布十分不匀，当受到 (2)为了进一步提高复合材料的强度，有必 外加载荷时，载荷通过复合材料界面传递至颗 要对原位反应工艺过程进行更深入的研究，探 粒上，易使残余应力集中的颗粒尖角处断裂形 索出元素粉末颗粒直径、预制块密实度、熔体反 成空洞而显著降低复合材料的塑性. 应温度等各工艺参数对原位反应颗粒大小的影 4结论 响规律，最终达到细化内生TC颗粒尺寸，提高 复合材料强度的目的. (1)压铸TiC/A1-9Si-1.4Cu0.5Mg复合材料 参考文献 的室温极限拉伸强度为354MPa,比基体合金 1铸造有色合金及其熔炼编写组，铸造有色合金及其 提高26%；260℃时复合材料的极限拉伸强度为 熔炼.北京：国防工业出版社，1980 272MPa,比基体合金提高46%.复合材料的延 2 Clyne T W,Withers P J.An Introduction to Metal Matrix 伸率与A-9Si-1.4Cu0.5Mg合金相当.表明压 Composites.UK:Cambridge University Press,1993.85 铸TiC/A1-9Si-1.4Cu-0.5Mg复合材料完全能满 Tensile Properties of Diecasting TiC/Al-9Si-1.4Cu-0.5Mg Composite Prepared by Melt in Situ Reaction Technique YANG Bin,CHEN Guoxiang,ZHANG Jishang" 1)State Key Lab for Adv Met Mater,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Department of Mechanical and Electronic Engineering,Nanchang University,Nanchang 330029,China ABSTRACT The diecasting TiC/Al-9Si-1.4Cu-0.5Mg composite formed by melt in situ reaction technique has been successfully fabricated.The tensile properties of the composites were tested.The results have shown that the ultimate tensile strength of the diecasting 5%TiC/Al-9Si-1.4Cu-0.5Mg composite was 354 MPa and 272 MPa at room temperature and at 260C respectively,26%and 46%increases over the values of unreinfor- ced alloy(280 MPa and 186 MPa)respectively.The tensile elongations of the 5%TiC/Al-9Si-1.4Cu-0.5Mg composite at room temperature and at 260C respectively are near upon those of unreinforced alloy.Finally, the way of further improving the strength of TiC/Al-9Si-1.4Cu-0.5Mg composites is also discussed. KEY WORDS in situ reaction;aluminum matrix composites;diecasting;tensile property
】 一 杨滨等 压 铸 五卜 刁复合材料的拉伸性能 布 比较均匀 ， 这对保持材料 良好 的塑性 十分有 利 而外加 的尖锐颗粒增强金属基复合材料 ， 由 于 尖锐颗粒 中残余应力分布十分不 匀 ， 当受到 外加载荷时 ， 载荷通过复合材料界面传递至颗 粒上 ， 易使残余应力集 中的颗粒尖角处断裂形 成空 洞 而显 著降低复合材料 的塑性 结 论 压铸 一 ， 复合材料 的室温极 限拉伸强 度为 ， 比基体合金 提高 ℃ 时复合材料 的极 限拉伸强度为 ， 比基体合金提高 复合材料 的延 伸率与 刁 合金相 当 表 明压 铸 ， 复合材料完全能满 足 电动 车 电动 机 转动 端 盖 等结构 件 的使用 要 求 为 了进 一步提高复合材料 的强 度 ， 有必 要对原位反应工艺过程进行更深人 的研究 ， 探 索 出元素粉末颗粒直径 、 预制块密实度 、 熔体反 应温度等各工艺参数对原位反应颗粒大小 的影 响规律 ， 最终达到细 化 内生 颗粒尺 寸 ， 提高 复合材料强 度 的 目的 参 考 文 献 铸造有色合金及其熔炼编写组 铸造有色合金及其 熔炼 北京 国防工业 出版社 ， ， 公 · ， 卜 ， 心， 月只 七蛇 ， ， ， 比 即 ， 汕， ， 一 刁 几 】 刁 ℃ ， 曲 山比 ℃ ， 伪 卜 、 ， 切