專利名稱：鎂基復合材料及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有良好的機械特性和耐腐蝕性的鎂基復合材料及其制造方法。
背景技術：
一直以來，人們致力于研究開發(fā)分散有硅化鎂(Mg2Si)粒子的鎂基復合材料。例如，日本特許公開公報平6-81068號公開了鎂基復合材料的制造方法，該方法是在半熔融的狀態(tài)將含有高Si的鎂合金進行注射成形時，基體中的Mg和Si反應合成Mg2Si，該Mg2Si粒子分散在鎂基復合材料中的方法。
日本特許公開公報平8-41564號公開了鑄造法制得的分散有Mg2Si粒子和SiC粒子的鎂基復合材料。另外日本特許公開公報2000-17352號公開了分散有球狀的Mg2Si粒子的鎂基復合材料及其通過鑄造法而制得的制造方法。
但是，涉及上述鎂基復合材料的制造方法都是以鑄造法或浸漬法等的熔化法為基調。即，在熔化構成基體的鎂或鎂合金后，還要經過凝固、固化工序。為此，可觀察到基體的鎂的晶體粒子以及Mg2Si粒子生長粗大，并且還觀察到由此引起的強度和硬度等機械特性的降低。
以上述熔化法為基調的制造方法，在考慮到其自身、能量消耗的增加、特別是再循環(huán)時，能量消耗的增加不可避免，還伴隨著成本高的問題。
對此，本發(fā)明者提出利用粉末冶金技術將配合含有鎂(Mg)的基體粉末和硅(Si)粉末的混合粉末進行壓粉成形，在受控制的加熱氣氛中，在Mg的熔點之下的適當?shù)墓滔鄿囟确秶鷥冗M行加熱和保溫而使Mg和Si粉末進行反應，生成微細的Mg2Si而分散在基體中的方法。具體地說，在2001年9月25日提出的日本特許申請2001-292117號的“鎂基復合材料、鎂基復合材料前體及其制造方法”，以及2001年9月25日提出的日本特許申請2001-292118號的“鎂基復合材料、鎂基復合材料前體及其制造方法”。這些申請現(xiàn)在還沒有公開。
本發(fā)明者所發(fā)明的上述方法制得的鎂基復合材料，通過微細的Mg2Si均勻分散來提升強度或硬度等復合材料的機械特性，同時通過硬質Mg2Si粒子的均勻分散而將復合材料的耐磨耗性提高。
但是，將該復合材料用作摩擦滑動部件用材料時，雖然改善了自身的耐磨耗性，但是若相對運動的材料為較軟的材料時，出現(xiàn)相對運動的材料產生攻擊的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有更好特性的鎂基復合材料，本發(fā)明的目的特別提供一種具有強度和硬度以及耐磨耗性的、并能改善對相對運動的材料的攻擊性的鎂基復合材料。
本發(fā)明的目的，除了上述目的以外，還提供一種上述鎂基復合材料的制造方法。
本發(fā)明者通過深入研究，其結果發(fā)現(xiàn)通過如下所述的構造可解決上述問題。
即，本發(fā)明的鎂基復合材料含有硅化鎂(Mg2Si)、氧化鎂(MgO)以及鎂。
上述鎂基復合材料還可含有SiO2成分。
Mg2Si和MgO較好均勻分散在鎂基復合材料中。
在100重量份的鎂基復合材料中，Mg2Si較好在3重量份以上，MgO更好在3重量份以上。
在其中之一的較好的實施方式中，在鎂合金基體中均勻分散有和鎂進行固相反應所生成的化合物粒子的鎂基復合材料具有化合物粒子包含硅化鎂(Mg2Si)和氧化鎂(MgO)的特征，化合物粒子還可含有SiO2成分。
相對于100重量份的該鎂基復合材料，硅化鎂較好在3重量份以上、15重量份以下。硅化鎂更好為5重量份以上、8重量份以下。
相對于100重量份的該鎂基復合材料，氧化鎂較好在3重量份以上、15重量份以下，氧化鎂更好在5重量份以上、8重量份以下。
鎂基復合材料還可含有作為固體潤滑劑的石墨粉末，此時，石墨粉末的較好含量以重量為準，是該鎂基復合材料的0.5％-3％。
本發(fā)明的鎂基復合材料的制造方法是包括將含有鎂的第1材料和含有SiO2成分的第2材料混合制得混合物的工序；將該混合物填充在規(guī)定的容器或金屬模具中加壓制得壓粉成形體的工序；在惰性氣體氣氛或真空中加熱上述壓粉成形體的工序的方法，在上述加熱工序中，通過混合物中的Mg和SiO2進行反應生成硅化鎂(Mg2Si)和氧化鎂(MgO)，制造具有Mg2Si、MgO和Mg的鎂基復合材料的方法。
加熱工序的加熱溫度較好在250℃以上，Mg2Si和MgO較好均勻分散在鎂基復合材料中。
鎂基復合材料還可以含有SiO2。此時，該SiO2較好均勻分散在鎂基復合材料中。
在100重量份的鎂基復合材料中，Mg2Si較好在3重量份以上，MgO較好在3重量份以上。
在其中之一的較好實施方式中，鎂基復合材料的制造方法包括將含有鎂的第1材料和含有SiO2成分的第2材料混合制得混合物的工序；加壓混合物制得壓粉成形體的工序；在惰性氣體氣氛或真空中加熱壓粉成形體，通過壓粉成形體中的Mg和SiO2進行反應在鎂合金基體中生成硅化鎂(Mg2Si)和氧化鎂(MgO)的工序。
在制得壓粉成形體之前，還可以具有粉碎混合物的工序。在粉碎混合物后，還可以具有壓附工序。在壓附混合物后還可具有破碎工序。
壓粉成形體的加熱溫度較好在250℃以上，鎂的熔點以下。
在制得壓粉成形體之前，還可具有通過粉碎及/或壓附及/或破碎混合物在上述第1材料中的鎂上形成新生面的工序。


圖1顯示復合材料X-1的(a)加熱前的混合粉末；以及(b)真空熱處理后的試樣粉末的X射線衍射結果的圖。
圖2顯示試樣X-2的X射線衍射結果的圖。
圖3是試樣X-2的掃描型電子顯微鏡圖像的示意圖。
圖4A顯示了試樣X-3的加熱處理前的X射線衍射的結果的圖；圖4B顯示了真空熱處理后的X射線衍射的結果的圖。
圖5顯示了磨耗試驗的試驗方法的示意圖。
具體實施例方式
以下詳細說明本發(fā)明。在本發(fā)明中，依次對鎂基復合材料和其制造方法進行說明。
(鎂基復合材料)本發(fā)明的鎂基復合材料具有硅化鎂(Mg2Si)、氧化鎂(MgO)和鎂。
本發(fā)明的復合材料所含的Mg2Si的熱膨脹率小于鎂，具有高剛性和高硬度，并且比重低且具有良好的耐熱性和耐腐蝕性。
在本發(fā)明的復合材料中，Mg2Si微?？删鶆蚍稚ⅰ?br> 通過含有Mg2Si的微粒，特別是均勻分散地含有Mg2Si微粒，可使本發(fā)明的復合材料的機械特性(例如強度及/或硬度)、耐磨耗性和耐腐蝕性提高。在本說明書中，Mg2Si的均勻分散是指Mg2Si粒子間的距離最大約為300μm。但Mg2Si粒子間不能凝集和偏析而形成網(wǎng)等。Mg2Si粒子間的距離變小的話，可提高拉伸強度等的機械特性。
本發(fā)明的材料中的Mg2Si的量在100重量份的該材料中，在3重量份以上，較好在5重量份以上。本發(fā)明的材料中的Mg2Si的量，若其值大，可使強度等機械特性提高，但從復合材料自身的可切削性的觀點及/或機械特性上升不顯著性(特性上升已達到極點)來看，在100重量份的材料中，Mg2Si的量宜在15重量份以下，較好在8重量份以下。
本發(fā)明的復合材料所含的MgO，和Mg2Si一樣，能使復合材料的機械特性(例如強度及/或硬度)提高。另外，MgO還能改善對相對運動的材料的攻擊性。
在本發(fā)明的復合材料中，MgO微?？删鶆蚍稚ⅰＭㄟ^均勻分散，可進一步提高復合材料的機械特性，進一步改善對相對運動的材料的攻擊性。含有MgO的氧化物粒子，和其他的非氧化物類陶瓷(例如，氮化物、碳化物或硼化物等)相比，其硬度小，所以在和相對運動的材料相互磨擦而使用時，具有對相對運動的材料產生攻擊不明顯的特性。
本發(fā)明的材料中的MgO的量，在該材料的100重量份中，在3重量份以上，較好在5重量份以上。若本發(fā)明的材料中的MgO的量的值大，可提高其強度等的機械特性，但從復合材料自身的可切削性的觀點及/或機械特性上升不顯著性(特性上升已達到極點)來看，在100重量份的材料中，MgO的量宜在15重量份以下，較好在8重量份以下。本說明書中，MgO的均勻分散是指MgO粒子間的距離最大約為300μm。
這樣，通過含有MgO，特別是均勻分散地含有MgO，可使本發(fā)明的復合材料的機械特性(例如強度及/或硬度)提高，還能按要求改善復合材料對相對運動的材料的攻擊性。即還能改善僅含有Mg和Mg2Si的復合材料的對相對運動的材料的攻擊性過高的缺點。為此，本發(fā)明的復合材料可用作摩擦滑動部件用材料。
本發(fā)明的復合材料用作摩擦沒動部件用材料時，是依存于本發(fā)明的材料中的MgO的量或本發(fā)明的材料的對相對運動的材料的攻擊性，作為相對運動的材料，可用較軟的材料，例如鎂合金、鋁合金和銅合金等。
本發(fā)明的鎂基復合材料，根據(jù)需要還可以具有SiO2成分。SiO2為氧化物，如上所述和MgO一樣，能夠通過分散于鎂基復合材料中來改善對相對運動的材料的攻擊性。
本發(fā)明的鎂基復合材料除了如上所述的成分以外，還可以含有其他的各種成分。如可含有Al、Zn、Mn、Zr、Ce、Li和Ag等的各種成分的金屬。對此無限制。即，本發(fā)明的復合材料所含的各種成分，無論是上述金屬種類的合金，還是氧化物等的化合物都可以。通過含有上述成分，可變化和調整復合材料的特性。
為了降低摩擦系數(shù)，鎂基復合材料較好含有作為固體潤滑劑的石墨粉末。該石墨粉末的含量為相對于該鎂基復合材料，以重量為準，較好為0.5％-3％。
(鎂基復合材料的制造方法)本發(fā)明的鎂基復合材料是通過如下所述的工序進行制造。
即，本發(fā)明的方法包括將含有鎂(Mg)的第1材料和含有SiO2成分的第2材料進行混合制得混合物的工序；將該混合物填充到規(guī)定的容器或模具中加壓制得壓粉成形體的工序；以及在惰性氣體氣氛或真空中加熱該壓粉成形體的工序。
在加熱工序中，通過混合物中的Mg和SiO2進行反應生成硅化鎂(Mg2Si)和氧化鎂(MgO)，制得含有Mg2Si、MgO和Mg的鎂基復合材料。
(混合工序)對上述方法的混合工序中所用的材料進行說明。
在混合工序中，使用含有鎂(Mg)的第1材料和含有SiO2成分的第2材料。
含有鎂(Mg)的第1材料中，包括含Mg的合金或僅含鎂的物料。僅使用鎂時，從防止粉塵爆炸等的防爆的角度看，最好使用粒徑在10μm以上的粉末。若滿足此點的話，對于含有鎂的第1材料的形態(tài)無特別限制，可采用粉末、碎屑或塊狀小片等的形態(tài)。
在含有鎂的第1材料為合金時，除了含有鎂，還可含有Al、Zn、Mn、Zr、Ce、Li和Ag等的成分。對此無特別限制，例如，作為含鎂的合金，可用AZ31和AZ91等的工業(yè)用鎂合金。
作為含有SiO2成分的第2材料，可使用含有SiO2成分的材料，例如石英玻璃等的玻璃以及僅含有SiO2成分的二氧化硅等。
作為第2材料的“含有SiO2成分的材料”，采用例如石英玻璃時，該石英玻璃的主成分的SiO2成分的量較好是100重量份的該石英玻璃中含90重量份以上。
在采用石英玻璃等材料時，在該玻璃中較好不含有對復合材料的特性及/或本發(fā)明的制造方法產生嚴重影響的成分。產生嚴重影響的成分有Fe2O3等。若含有Fe2O3時，該Fe2O3被鎂還原，本發(fā)明的復合材料中存在不需要的Fe。該鐵會引起強度和耐腐蝕性等的性能的下降，對本發(fā)明來說是不理想的。
SiO2成分含量是第1材料和第2材料的總量為100重量份時，為2.5-12重量份。
對于含有SiO2成分的第2材料的形態(tài)，特別對于粒徑等無特別限制，該形態(tài)為可用包括數(shù)厘米單位的塊狀的粗大試樣，到進行機械粉碎處理達到數(shù)微米的微粒的范圍較廣的材料。在后敘的制得壓粉成形體的工序中，從提高和第1材料的機械結合的角度出發(fā)，第2材料的粒徑宜為10μm-500μm，較好為10-200μm。
作為第2材料，特別通過使用含有SiO2成分的玻璃來降低原材料的價格，能夠更加明顯降低最終產物，即鎂基復合材料的價格。
對于第1材料和第2材料的混合，可采用一直以來所用的混合粉碎機。例如，可用V型混合機或球磨機等，對此無特別限制。
混合可在各種環(huán)境下進行，例如大氣中進行。較為理想的是采用微粒時，可通過在混合容器中填充氮氣、氬氣等的惰性氣體以防止在混合工序中，粉末表面的氧化、特別是鎂粉末的表面的氧化。該混合，如上所述可進行均勻混合以使復合材料中的Mg2Si及/或MgO進行均勻分散。
混合工序后，后敘的“制得壓粉成形體的工序”之前，可具有粉碎及/或壓附及/或破碎混合物的工序?？芍貜驮摲鬯榧?或壓附及/或破碎的工序數(shù)次。
該粉碎·壓附·破碎工序可采用粉碎機進行。作為粉碎機，可使用具有機械性粉碎處理能力的粉碎機，該粉碎機利用球介質(ballmedia)的沖擊能量進行粉碎。例如可用轉動球磨機、振動球磨機、行星球磨機中的一種。通過這樣的機械性的粉碎·混合·壓附·破碎將第1材料和第2材料粉碎到微細，鎂和SiO2成分可均勻分散。
通過該粉碎·壓附·破碎工序可在含鎂的第1材料中的鎂上形成新生面。純鎂粉末或鎂合金粉末的表面被氧化表面膜(MgO)覆蓋。該MgO和其他的氧化物相比，生成自由能低，穩(wěn)定，所以粉末表面存在的MgO表面膜可抑制后敘的鎂和SiO2成分的反應。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)通過設置上述粉碎·壓附·破碎工序，可機械性將表面氧化膜，即MgO的表面膜截斷和破壞，形成活性的鎂的新生面。其結果，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)在后敘的加熱工序中，在低于鎂的熔點(650℃)的低溫區(qū)域內，即在固相狀態(tài)下可合成微細的Mg2Si和MgO。還知道了鎂的新生面出現(xiàn)的面積越多，Mg2Si/MgO的合成溫度越向低溫側移動。即，通過粉碎·壓附·破碎工序及/或后敘的“制得壓粉成形體的工序”可制造致密的壓粉成形體，在更加低的低溫下反應合成微細的Mg2Si/MgO，是有利的。
(制得壓粉成形體的工序)在混合工序后，具有將上述所得的混合物制成壓粉成形體的工序。制得壓粉成形體的工序是將上述所得的混合物填充在規(guī)定的容器或模具中進行加壓形成的。
從所得的混合物制得壓粉成形體的工序適用以往粉末冶金法所用的工藝。例如，將混合物填充在容器中進行冷軋等壓成形(CIP)的方法；以將混合物填充在模具內的狀態(tài)下進行上下沖壓壓縮制成壓粉體的方法；或者將混合物的溫度加熱到約100-200℃的狀態(tài)，進行熱成形等的固化方法等，但對此無特別限制。
(加熱工序)在制得壓粉成形體的工序后，還具有在惰性氣體氣氛或真空中加熱該壓粉成形體的工序。
在該加熱工序中，通過下式I所示的氧化還原反應生成Mg2Si和MgO制得本發(fā)明的鎂基復合材料。
(式1)對于加熱氣氛無特別限制，從抑制壓粉成形體中的鎂和含鎂合金的氧化，宜在氮氣或氬氣等的惰性氣體氣氛中，最好在真空中進行。
加熱溫度可以在250℃以上，為了使Mg2Si和MgO在較短時間內進行合成，加熱溫度可以在450℃以上。
在這樣的加熱溫度下，Mg使SiO2進行還原反應，結果如上式I一樣合成Mg2Si和MgO。該加熱溫度較Mg的熔點(650℃)低得很多，即在固相溫度區(qū)域內，可進行Mg2Si和MgO的反應合成。
根據(jù)需要，例如根據(jù)所需材料的大小，可達到最高加熱溫度，在某一溫度及/或最高加熱溫度保持該溫度。
經過上述方法，不出現(xiàn)粉末冶金法生成的Mg液相，在固相狀態(tài)下Mg2Si和MgO可進行合成。其結果是經濟性高地制得復合材料的基體，即Mg中具有微細晶體粒子并且Mg2Si和MgO也可微細地分散在基體中的機械特性和耐腐蝕性都好的鎂基復合材料。從不出現(xiàn)Mg的液相看，加熱壓粉成形體后制得的復合材料具有尺寸變化小的優(yōu)點。
作為一例，準備鎂粉末(平均粒徑為110μm)和二氧化硅粉末(平均粒徑為21μm)，配合兩粉末以使二氧化硅粉末達到38重量％，制得混合粉末。在壓力600MPa下將該混合粉末壓粉成形后，對該成形體進行真空熱處理，即在加熱溫度530℃下保持10分鐘而制得復合材料X-1。
復合材料X-1中是否合成了Mg2Si和MgO，可通過X射線衍射(XRD)進行評價和探討。其結果如圖1所示。圖1中的(a)為加熱前的混合粉末的XRD結果，(b)是真空熱處理后的試樣粉末(復合材料X-1)的XRD的結果。在(a)的混合粉末中，僅檢測出構成混合原料的Mg和SiO2的衍射峰。另一方面，如(b)所述在真空熱處理后的試樣粉末中，觀測到Mg2Si和MgO的衍射峰。由此可知通過在530℃加熱保持可進行上式(I)所示的氧化還原反應，可合成Mg2Si和MgO兩者。
對作為其他的例子，即采用粒徑約為183μm的二氧化硅(SiO2)作為第2材料時進行如下所述的說明。
預先準備僅由鎂構成的鎂粉末壓粉體。在該壓粉體中埋入二氧化硅粉末(粒徑約為183μm)，對該狀態(tài)的壓粉體進行真空熱處理，即在溫度530℃下加熱保持10分鐘，制得試樣X-2。
對所得的試樣X-2進行X射線衍射，其結果如圖2所示。從圖2可知從試樣X-2檢出除Mg、Mg2Si和MgO衍射峰以外的SiO2的衍射峰。為此可知試樣X-2中殘存有起始原料的未反應的SiO2。
對所得的試樣X-2，特別是對試樣X-2中殘存的未反應的SiO2粒子進行EDX面分析(能量色散X射線光譜Energy dispersive X-ray spectroscopy)(分別對成分Si、Mg以及O進行)。用掃描型電子顯微鏡拍攝照片，其結果。圖3是該掃描型電子顯微鏡照片的結果的示意圖。圖3中，1顯示了掃描型電子顯微鏡照片的示意圖。EDX面分析的結果是3僅為Mg，認為是SiO2粒子的地方5檢出了Si和O，沒有檢出Mg。7被檢出Si、O和Mg。從圖3的EDX面分析的結果和圖2的X射線衍射的結果可考查出5是未反應的SiO2，7是Mg2Si和MgO。
這意味著用作原料粉末的二氧化硅粗大時，因為加熱保持條件及/或原材料，特別是因為SiO2的粒徑，鎂引起的還原反應沒有深入到SiO2粒子內部，在該粒子的中央部殘存有SiO2。
由上述例子可看出通過控制第1材料及/或第2材料的粒徑，例如控制作為第2材料的SiO2的粒徑，調制設計了不僅反應合成生成的Mg2Si和MgO，未反應的SiO2也進行了分散的基復合材料。
另外，對作為其他例子，即采用石英玻璃作為第2材料的情況進行如下說明。
準備純鎂粉末(平均粒徑為112μm)和石英玻璃粉末(平均粒徑為62μm)，以兩者的混合物為100重量％，以石英玻璃為10重量％來配合兩粉末，制得混合粉末。對其進行真空熱處理，即溫度600℃下加熱保持10分鐘，制得試樣X-3。
然后對所得的試樣X-3進行X射線的衍射。其結果表示在圖4A和圖4B。圖4A是加熱處理前的混合粉末的X射線的衍射結果，圖4B是真空熱處理后試樣X-3的X射線衍射的結果。在圖4A的混合粉末中，石英玻璃沒有被檢出非結晶(非晶質)的衍射峰，只檢出其他原料的Mg的峰。另一方面，如圖4B所示，熱處理后的情況，不僅可檢出原料Mg的衍射峰，還可以檢出Mg2Si和MgO的衍射峰。從圖4A和圖4B可知即使是采用石英玻璃的情況下，也可制得Mg2Si和MgO分散了的鎂基復合材料。
使用本發(fā)明的鎂基復合材料和本發(fā)明的制造方法所制得的鎂基復合材料不僅具有輕量化，而且還具有高強度和高耐腐蝕性和優(yōu)異的耐磨耗性，還具有緩和的對相對運動的材料的攻擊性，這樣可將鎂基復合材料用作同時需要上述特性的汽車用部件和家電部件等的構造用部件材料。
(實施例)以下根據(jù)實施例對本發(fā)明進行更加詳細的說明，但本發(fā)明不受這些實施例的限定。
(實施例1)作為起始原料，準備純鎂粉末(平均粒徑為165μm)和二氧化硅粉末(平均粒徑為58μm)，在兩粉末的混合粉末100重量％中，以表1所示的二氧化硅粉末的比例(重量％)添加和配合該二氧化硅粉末，用球磨機均勻混合。分別將所得的混合粉末填充到34mm的圓柱形金屬模具，加表面積壓力為6t/cm2的負荷，制得壓粉成形體A-1-A-7。
根據(jù)壓粉成形體A-1-A-7，分別準備下述的管狀爐。即，準備流入氮氣(氣體流量為3dm3/分)的、以爐內溫度控制為480℃的狀態(tài)的管狀爐。將上述制得的壓粉成形體A-1-A-7插入上述管狀爐中加熱保持10分鐘后，從爐內將成形體取出，立即利用粉末鍛造法將其固化成相對密度在99％以上的固化體，即制得了鎂基復合材料B-1-B-7。粉末鍛造法的條件為模具溫度為250℃，以及表面壓力為8t/cm2，為了防止固化體和模具的凝附，在模具壁面要涂布水溶性潤滑劑。
利用X射線衍射確認所得的鎂基復合材料B-1-B-7有無Mg2Si和MgO生成，同時求出Mg2Si和MgO的生成量。和該結果一起也將拉伸強度和硬度HRE(洛氏硬度/E標)的測定結果表示在表1中。復合材料B-1-B-7除了含有Mg2Si和MgO成分以外，僅含有Mg。
拉伸強度的測定如下所述進行。
(拉伸強度的測定)作為試驗試樣，準備直徑為3.5mm，平行部分為14mm的試驗片。將該試驗片裝置在10噸反應釜中，以變位速度為0.5mm/分加拉伸負荷進行拉伸試驗。試驗片破斷時的負荷除以試樣的破斷面積而得出的值作為拉伸強度。
表1壓粉成形體A-1-A-7以及復合材料B-1-B-7的特性

從表1可知壓粉成形體A-1-4，即，復合材料B-1-4，在加熱工序中，鎂粉末和二氧化硅粉末的反應生成了Mg2Si和MgO。分散在復合材料中的Mg2Si和MgO的生成含量適中，所以鎂基復合材料具有良好的機械特性和可切削性。
另一方面，壓粉成形體A-5，即復合材料B-5，因Mg2Si和MgO的生成含量超出了適當?shù)姆秶?，所以工具的磨耗產生了可切削性的問題。壓粉成形體A-6及7，即復合材料B-6及7，因Mg2Si和MgO的生成含量低于適當范圍，不能得到充分提高機械特性的效果。特別是壓粉成形體A-7，即復合材料B-7，因是純Mg材料，所以在機械加工過程中凝附和粘附在工具上的材料明顯增多，引起可切削性減弱。
(實施例2)準備純鎂粉末(平均粒徑為112μm)和AZ91D鎂合金粉末(平均粒徑為61μm，額定組成為Mg-9Al-1Zn/重量％)，以及二氧化硅粉末(平均粒徑為24μm)作為起始原料。將純鎂粉末和二氧化硅粉末的混合粉末；以及鎂合金粉末和二氧化硅粉末的混合粉末進行配合，以使100重量％的該混合粉末中二氧化硅粉末的量為8重量％。配合后，用球磨機均勻混合，制得混合粉末。分別將所得的混合粉末填充到直到11mm的圓柱形金屬模具，加上表面壓力為8t/cm2的負荷，制得壓粉成形體A-8-A-17。
根據(jù)壓粉成形體A-8-A-17，分別準備下述的管狀爐。即，準備流入氮氣(氣體流量為3dm3/分)的、以將爐內溫度控制為表2所示的溫度的管狀爐。將上述制得的壓粉成形體A-8-A-17插入上述管狀爐中加熱保持30分鐘后，在流入氮氣的爐內將壓粉成形體冷卻至常溫，其后，從爐內將成形體取出，制得了鎂基復合材料B-8-B-17。利用X射線衍射確認所得復合材料有無Mg2Si和MgO生成和有無未反應的SiO2殘存。將其結果表示在表2中。復合材料B-8-B-12在含有表2所示的成分以外，僅含有Mg。復合材料B-13-15以及B-17在含有表2所示的成分以外，還含有來自鎂合金的成分，即還具有Mg、Al和Zn。
表2壓粉成形體A-8-17和復合材料B-8-17的特性

從表2可知壓粉成形體A-8-15，即復合材料B-8-15，采用了純鎂粉末和二氧化硅的組合或者鎂合金粉末和二氧化硅粉末的組合，利用適當?shù)募訜岜３謼l件在加熱工序中，純鎂粉末和二氧化硅粉末或鎂合金粉末和二氧化硅粉末分別進行反應生成了Mg2Si和MgO。
另一方面，壓粉成形體A-16以及17，即復合材料B-16和17，因低于適當?shù)募訜釡囟葪l件，在加熱工序中反應合成不進行，所以不生成Mg2Si和MgO，而殘存起始原料的未反應的SiO2。
(實施例3)準備純鎂粉末(平均粒徑為112μm)和石英玻璃粉末(平均粒徑為45μm)作為起始原料。在100重量％的兩粉末的混合粉末中，配合該石英玻璃粉末以使石英玻璃粉末的量達到5重量％，用球磨機均勻混合。
分別將所得的混合粉末填充到直徑11mm的圓柱形金屬模具，加表面壓力為8t/cm2的負荷，制得壓粉成形體A-18-A-24。
根據(jù)壓粉成形體A-18-A-24，分別準備下述的管狀爐。即，準備流入氮氣(氣體流量為3dm3/分)的、以將爐內溫度控制為表3所示的數(shù)值的管狀爐。將上述制得的壓粉成形體A-18-A-24插入上述管狀爐中加熱保持30分鐘后，在流入氮氣的爐內將壓粉成形體冷卻至常溫，其后，從爐內將成形體取出，制得了鎂基復合材料B-18-B-24。利用X射線衍射確認所得復合材料有無Mg2Si和MgO生成。將其結果表示在表3中。復合材料B-18-B-24除了含有表3所示的Mg2Si和MgO成分以外，僅含有Mg。
表3壓粉成形體A-18-24和復合材料B-18-24的特性

從表3可知壓粉成形體A-18-22，即復合材料B-18-22，提供適當?shù)募訜岜３謼l件在加熱工序中在純鎂粉末和石英玻璃粉末形成的壓粉成形體中，純鎂粉末和石英玻璃粉末進行反應生成Mg2Si和MgO。
另一方面，壓粉成形體A-23及24，即復合材料B-23和24，因低于適當?shù)募訜釡囟葪l件，所以在加熱工序中反應合成不進行，其結果是不能生成Mg2Si和MgO。
(實施例4)準備純鎂粉末(平均粒徑為165μm)和二氧化硅粉末(平均粒徑為58μm)，以及Si粉末(平均粒徑為165μm)作為起始原料。
采用這些原料，利用以下手法(a)-(c)制得壓粉成形體A-(a)-A-(c)和鎂基復合材料B-(a)-B-(c)。
手法(a)對純鎂粉末和二氧化硅粉末的混合粉末進行配合以使100重量％的該混合粉末中二氧化硅粉末為4.5重量％后，利用球磨機對該混合粉末進行均勻混合。
手法(b)對純鎂粉末和硅粉末的混合粉末進行配合以使100重量％的該混合粉末中硅粉末為2重量％后，利用球磨機對該混合粉末進行均勻混合。
手法(c)對純鎂粉末和硅粉末的混合粉末進行配合以使100重量％的該混合粉末中硅粉末為4重量％后，利用球磨機對該混合粉末進行均勻混合。
將所得的各種的混合粉末填充到直徑為34mm的圓筒形模具中，施加表面壓力為7t/cm2的負荷，制得壓粉成形體A-(a)-A-(c)。
根據(jù)壓粉成形體A-(a)-A-(c)，分別準備下述的管狀爐。即，準備流入氮氣(氣體流量為3dm3/分)的、以將爐內溫度控制為500℃的狀態(tài)的管狀爐。將上述制得的壓粉成形體A-(a)-A-(c)插入上述管狀爐中加熱保持10分鐘后，從爐內將成形體取出，立即利用粉末鍛造法將其固化成相對密度在99％以上的固化體，即制得了鎂基復合材料B-(a)-B-(c)。粉末鍛造法的條件為模具溫度為250℃，以及表面壓力為8t/cm2，為了防止固化體和模具的凝附，在模具壁面要涂布水溶性潤滑劑。
確認所得的鎂基復合材料B-(a)-B-(c)中的Mg2Si和MgO的生成量。
其結果是在復合材料B-(a)的100重量％中，Mg2Si的生成量為5.5重量％，MgO的生成量為5.8重量％。余部僅為Mg。
在100重量％的復合材料B-(b)中，Mg2Si的生成量為5.3重量％，不能檢出MgO的生成量，余部僅為Mg。
在100重量％的復合材料B-(c)中，Mg2Si的生成量為11.2重量％，不能檢出MgO的生成量，其結果表示在表4中。余部僅為Mg。
由此可確認材料B-(a)和B-(b)中的Mg2Si的生成量幾乎相同。材料B-(c)的Mg2Si的生成量為11.2重量％，B-(a)的Mg2Si的生成量(5.5重量％)+MgO生成量(5.8重量％)，即為11.3重量％，所以可以確認幾乎相同。
(磨耗試驗)對復合材料B-(a)-B-(c)進行磨耗試驗。圖5顯示了試驗方法的概要。
從復合材料B-(a)-B-(c)中采取直徑為7mm的釘狀的磨耗試驗片13，作為相對運動的材料，采用AZ91D鎂合金制的圓盤狀的試驗片17。
試驗條件為施加的壓力為50kg，滑動速度為1m/秒，試驗時間為30分，以將試驗片13和15浸漬在潤滑油(機油)15中的狀態(tài)下，在濕式環(huán)境下，進行磨耗試驗。
根據(jù)JIS B 06511996用表面光潔度計(觸針式表面光潔度測定器)對試驗后的各試樣的沒動面的最大的高度Rmax進行測定。其結果表示在表4中。Rmax指的是“在基準長度L的距離內取樣的截面曲線部分的最大高度”，以微米(μm)表示。但是，僅從不存在被認為磨耗傷痕的異常高山和低谷的部分取基準長度并對其進行測定。試驗開始前的釘狀是和圓盤狀的磨耗試驗片的滑動面的表面粗糙度，即Rmax為1.5-2。
表4壓粉成形體A-(a)-(c)以及復合材料B-(a)-(c)的特性

復合材料B-(a)，和含有幾乎同量的Mg2Si的復合材料B-(b)相比，自身的表面粗糙度，即釘狀磨耗試驗片的表面粗糙度的值小。且相對運動的材料的表面粗糙度，即圓盤狀磨耗試驗片的表面粗糙度也小到一半以下。這是因為復合材料B-(a)不僅含有Mg2Si，而且還含有MgO，由此顯示出對運動的材料攻擊性的明顯改善。
將復合材料B-(a)和復合材料B-(c)進行比較后可知復合材料中的Mg2Si量大時，復合材料自身的耐磨耗性得到一些改善。即，Mg2Si量大的復合材料B-(c)的釘狀磨耗試驗片的表面粗糙度的值變小。但是，復合材料B-(c)中的對運動的材料的滑動面的表面粗糙度(圓盤狀磨耗試驗片的表面粗糙度)是復合材料B-(a)的3倍以上。由此，復合材料B-(a)保持了和復合材料B-(c)幾乎一樣的耐磨耗性，并且還改善了對對運動的材料的攻擊性。
(實施例5)準備AZ31粗粒粉末和二氧化硅(SiO2)微粒粉末。再采用作為固體潤滑成分的平均粒徑為3μm的石墨粉末作為起始原料，各粉末的配合比例表示在表5中。
表5

由各混合粉末制得直徑40mm的圓柱狀的壓粉固化體，在流入氮氣的管狀爐內在550℃將各固化體加熱保持5分鐘后，立即以擠出比為25進行熱壓擠出加工，制得直徑8mm的擠出棒材。對于擠出加工后的各鎂合金進行X射線衍射的結果可確認為各個棒材中都通過固相反應生成了Mg2Si粒子。
為了利用摩擦試驗來測定摩擦系數(shù)，從擠出材料采取釘狀的磨耗試驗片(直徑為7.8mm)。采用S35C鋼材作為相對運動的盤材，冷壓負荷為500N，滑動速度為1m/s，試驗時間為連續(xù)30分鐘。從釘狀試驗片的上部滴下發(fā)動機潤滑油(10W30)，在釘狀試驗片和圓盤狀試驗片的滑動界面上常存在潤滑油的濕式潤滑條件下進行試驗。由測得的摩擦力距算出的摩擦系數(shù)的結果表示在表5中。
在編號為1-5的試樣中，隨著潤滑成分石墨粉末的含量的增加，鎂合金的拉伸強度稍微下降，但是摩擦系數(shù)降低很多。
另一方面，在試樣6中，因石墨添加量超出了適當范圍，所以擠出材料的拉伸強度明顯下降，其結果是在摩擦試驗的過程中，釘狀試驗片的磨耗損傷引起了與相對運動的材料的凝附現(xiàn)象，所以摩擦系數(shù)反而增大。
權利要求
1.鎂基復合材料，其特征在于，含有硅化鎂(Mg2Si)、氧化鎂(MgO)和鎂。
2.根據(jù)權利要求1所述的鎂基復合材料，其特征在于，還含有SiO2成分。
3.根據(jù)權利要求1所述的鎂基復合材料，其特征在于，上述Mg2Si和MgO均勻分散在上述鎂基復合材料中。
4.根據(jù)權利要求1所述的鎂基復合材料，其特征在于，在上述100重量份的鎂基復合材料中，上述Mg2Si在3重量份以上。
5.根據(jù)權利要求1所述的鎂基復合材料，其特征在于，在上述100重量份的鎂基復合材料中，上述MgO在3重量份以上。
6.鎂基復合材料，它是鎂合金基體中均勻分散有和鎂固相反應而成的化合物粒子的鎂基復合材料，其特征在于，上述化合物粒子包含硅化鎂(Mg2Si)和氧化鎂(MgO)。
7.根據(jù)權利要求6所述的鎂基復合材料，其特征在于，上述化合物粒子還包含SiO2成分。
8.根據(jù)權利要求6所述的鎂基復合材料，其特征在于，相對于100重量份的鎂基復合材料，上述硅化鎂在3重量份以上、15重量份以下。
9.根據(jù)權利要求8所述的鎂基復合材料，其特征在于，上述硅化鎂在5重量份以上、8重量份以下。
10.根據(jù)權利要求6所述的鎂基復合材料，其特征在于，相對于100重量份的鎂基復合材料，上述氧化鎂在3重量份以上、15重量份以下。
11.根據(jù)權利要求8所述的鎂基復合材料，其特征在于，上述氧化鎂在5重量份以上、8重量份以下。
12.根據(jù)權利要求6所述的鎂基復合材料，其特征在于，上述鎂基復合材料含有作為固體潤滑劑的石墨粉末，該石墨粉末的含量是相對于該鎂基復合材料，以重量為標準，為0.5％-3％。
13.鎂基復合材料的制造方法，它是具有將含有鎂(Mg)的第1材料和含有SiO2成分的第2材料混合制得混合物的工序；將該混合物填充到規(guī)定的容器或金屬模具中進行加壓制得壓粉成形體的工序；以及在惰性氣體氣氛中或真空中對該壓粉成形體加熱的工序的鎂基復合材料的制造方法，其特征在于，在上述加熱工序中，通過上述混合物中的Mg和SiO2反應生成硅化鎂(Mg2Si)、氧化鎂(MgO)，制造具有Mg2Si、MgO和Mg的鎂基復合材料。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，上述加熱工序的加熱溫度在250℃以上。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，上述Mg2Si和MgO均勻分散在上述鎂基復合材料中。
16.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，上述鎂基復合材料還含有SiO2，該SiO2均勻分散在上述鎂基復合材料中。
17.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，在100重量份的上述鎂基復合材料中，上述Mg2Si在3重量份以上。
18.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，在100重量份的上述鎂基復合材料中，上述MgO在3重量份以上。
19.鎂基復合材料的制造方法，其特征在于，包括將含有鎂的第1材料和含有SiO2成分的第2材料混合制得混合物的工序；加壓上述混合物制得壓粉成形體的工序；在惰性氣體氣氛中或真空中加熱上述壓粉成形體，通過上述壓粉成形體中的Mg和SiO2反應在鎂合金基體中生成硅化鎂(Mg2Si)和氧化鎂(MgO)的工序。
20.根據(jù)權利要求19所述的鎂基復合材料的制造方法，其特征在于，在制得上述壓粉成形體之前，還具有粉碎上述混合物的工序。
21.根據(jù)權利要求20所述的鎂基復合材料的制造方法，其特征在于，在粉碎上述混合物后，具有壓附的工序。
22.根據(jù)權利要求21所述的鎂基復合材料的制造方法，其特征在于，在壓附上述混合物后具有破碎的工序。
23.根據(jù)權利要求19所述的鎂基復合材料的制造方法，其特征在于，上述壓粉成形體的加熱溫度在250℃以上并且在鎂的熔點以下。
24.根據(jù)權利要求19所述的鎂基復合材料的制造方法，其特征在于，在制得上述壓粉成形體之前，還具有通過將上述混合物粉碎及/或壓附及/或破碎在上述第1材料中的鎂上形成新生面的工序。
全文摘要
鎂基復合材料的鎂合金基材中均勻分散有和鎂進行固相反應生成的化合物粒子。為了使該鎂基復合材料具有較強的強度、硬度和耐磨耗性，并且具有緩和了的對作相對運動的材料的攻擊性，分散于基材中的化合物粒子含有硅化鎂(Mg
文檔編號C22C1/04GK1633512SQ0380382
公開日2005年6月29日 申請日期2003年2月14日 優(yōu)先權日2002年2月15日
發(fā)明者近藤勝義 申請人:株式會社東京大學Tlo