專利名稱：一種鎂合金復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種顆粒分布和基體組織細(xì)小、均勻、塑性優(yōu)良的鎂合金復(fù)合材料及其制備該鎂合金復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度和抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)。但作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)，其硬度、剛度和耐磨性不夠理想，使其廣泛應(yīng)用受到限制。通過在基體中添加增強(qiáng)相，如硬質(zhì)顆?；蚶w維制備出鎂基復(fù)合材料，可以顯著改善上述硬度、剛度和耐磨性等性能，提高其強(qiáng)度、耐磨性和彈性模量等性能。
用于制備鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)相顆粒主要有氧化物、碳化物、氮化物等硬質(zhì)陶瓷顆粒。目前，所用的顆粒的粒徑基本上是微米級的，雖然能改善復(fù)合材料的硬度、剛度和耐磨性等性能，提高其強(qiáng)度、耐磨性和彈性模量等，但是其性能仍然不能滿足生產(chǎn)加工的需要。
常用的鎂基復(fù)合材料的制備工藝主要有鑄造法、粉末冶金法和噴射沉積法等。其中鑄造法制備的鎂基復(fù)合材料組織粗大、基體與增強(qiáng)相之間易發(fā)生有害的界面反應(yīng)、增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)不高、鑄造過程中易引入氣體和雜質(zhì)、增強(qiáng)相易偏聚、且基體相的化學(xué)成分也由于鑄造固有的特點(diǎn)易出現(xiàn)成分偏析，這些缺點(diǎn)使其制品的力學(xué)性能較低。噴射沉積制備鎂基復(fù)合材料工藝、設(shè)備復(fù)雜，成本較高。
粉末冶金法可以制得基體合金組織微細(xì)、增強(qiáng)相顆粒的分?jǐn)?shù)可調(diào)、具有良好強(qiáng)韌性的鎂基復(fù)合材料。在已有的粉末冶金制備鎂基復(fù)合材料的工藝技術(shù)中，所用增強(qiáng)相顆粒多為微米級，影響了材料性能的進(jìn)一步提高。納米硬質(zhì)顆粒比表面積很大，具有獨(dú)特的性能而受到廣泛關(guān)注。采用納米硬質(zhì)顆粒作為增強(qiáng)體有望制備出強(qiáng)度和塑性優(yōu)異的鎂基復(fù)合材料。H.Ferkel等采用粉末冶金法制備了含納米顆粒的復(fù)合材料(Materials Science and Engineering A，2001，Vol 298；Materials Science and Engineering A，1997，Vol 234-236)，但其基體金屬為純鎂而不是鎂合金，導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度不高，使用范圍受到一定限制。Jie Lan等制備了納米顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，但采用的是鑄造技術(shù)而不是粉末冶金技術(shù)(Materials Science and Engineering A，2004，Vol 386)，易導(dǎo)致增強(qiáng)顆粒偏聚，復(fù)合材料組織粗大等缺陷。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合鎂合金材料，該材料顆粒分布和基體組織細(xì)小均勻織細(xì)小、基體與增強(qiáng)納米顆粒之間的結(jié)合緊密、納米顆粒分布均勻，增強(qiáng)相不偏聚、基體相的化學(xué)成分不偏析。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種復(fù)合鎂合金材料的制備方法，用本方法制備的鎂合金材料具有優(yōu)良強(qiáng)塑性，并且設(shè)備簡單，成本較低。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是組成復(fù)合材料基體為金屬粉末和碳化物、氧化物納米顆粒，其中金屬粉末配方復(fù)合材料的合金粉末為(以下為重量份計(jì))Al2～10份；Zn0.1～1份；Mn0.02～0.4份；Mg88.60～97.88份。碳化物、氧化物納米顆粒的加入量為復(fù)合材料合金粉末質(zhì)量的0.5～10.0％，顆粒尺寸小于100nm。納米顆粒的種類包括SiC、TiC、Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgO等。
納米顆粒的含量可根據(jù)不同的要求進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)復(fù)合材料要求有良好的塑性變形性能時(shí)，納米顆粒的加入量為0.5～6.0％；當(dāng)復(fù)合材料要求良好的剛度和耐磨性時(shí)，納米顆粒的加入量為6.0～10.0％。
本發(fā)明復(fù)合材料的制備方法是1.配料在氬氣保護(hù)下按合金重量百分比將純鎂粉(＞99.9％)、純鋁粉(＞99.9％)、純鋅粉(＞99.9％)、純錳粉(＞99.9％)再加入合金質(zhì)量的0.5～10.0％納米顆粒，充分混合。
2.球磨在氬氣保護(hù)下將上述混合粉末球磨10～40小時(shí)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為100～300r/min。球磨采用尼龍罐和剛玉球，目的是為了不污染粉末。
3.熱壓燒結(jié)在真空操作箱內(nèi)，將球磨后的混料裝入規(guī)格為40～80×100～200mm的低碳鋼模型內(nèi)，并用環(huán)氧樹脂將模型密封，防止模型在搬運(yùn)過程中混料的氧化和污染。
然后將裝有混料的模型放入熱壓燒結(jié)爐中，在真空或在氬氣保護(hù)下燒結(jié)10～60min，燒結(jié)溫度為300～420℃，燒結(jié)壓力為0.5～20MPa。
4.熱擠壓燒結(jié)后的坯體在500～2500噸的擠壓機(jī)上擠壓加工為棒材或管材或型材。
本發(fā)明的積極效果1.本發(fā)明由于在鎂合金基體重加入硬質(zhì)納米顆粒，可以顯著提高鎂合金材料的強(qiáng)度和塑性，加入SiC、TiC、Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgO，可以大幅度提高納米顆粒的含量，提高復(fù)合材料的剛度和耐磨性；2.制備本復(fù)合材料采用在氬氣保護(hù)下的球磨方式，使納米顆粒與基體合金的粉末均勻混合，避免了常規(guī)鑄造工藝導(dǎo)致的基體成分偏析和增強(qiáng)顆粒的偏聚，而且避免了粉末氧化；3.熱壓燒結(jié)后，鎂合金復(fù)合材料致密、基體與增強(qiáng)納米顆粒之間的結(jié)合緊密、納米顆粒分布均勻，因此本復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性優(yōu)良；4.由于燒結(jié)溫度較低，基體金屬鎂不與納米顆粒發(fā)生有害的界面反應(yīng)；5.擠壓過程中可以使基體金屬晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，基體材料的組織細(xì)化，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。擠壓后材料的室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)到260MPa以上，延伸率大于14％。復(fù)合材料具有優(yōu)良的變形性能。
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例中的基體金屬粉末加入量為每份10克。
實(shí)施例1取基體金屬粉末20g Al，5g Zn，1g Mn，974g Mg。將基體金屬配置好以后，加入納米顆粒，納米顆粒的加入量為基體金屬質(zhì)量的0.1％即1g，顆粒平均尺寸為10nm，納米顆粒的種類為TiC。
將按上述配方配制的5kg混料球磨20小時(shí)后，在氬氣保護(hù)下裝入80×100mm的低碳鋼模型，用環(huán)氧樹脂密封，在420℃和10MPa的壓力下真空燒結(jié)。燒結(jié)坯體在500噸擠壓機(jī)上擠壓為棒材。
將棒材機(jī)加工為國家標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果材料的抗拉強(qiáng)度為260MPa，延伸率為18％。
實(shí)施例2取基體金屬粉末40g Al，5g Zn，1g Mn，954g Mg。將基體金屬配置好以后，加入納米顆粒，納米顆粒的加入量為基體金屬質(zhì)量的0.5％即5g，顆粒平均尺寸為30nm，納米顆粒的種類為SiC。
將按上述配方配制的5kg混料球磨30小時(shí)后，在氬氣保護(hù)下裝入50×150mm的低碳鋼模型，用環(huán)氧樹脂密封，在350℃和15MPa的壓力下真空燒結(jié)。燒結(jié)坯體在500噸擠壓機(jī)上擠壓為棒材。
將棒材機(jī)加工為國家標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果材料的抗拉強(qiáng)度為270MPa，延伸率為17％。
實(shí)施例3取基體金屬粉末60g Al，5g Zn，1g Mn，934g Mg。將基體金屬配置好以后，加入納米顆粒，納米顆粒的加入量為基體金屬質(zhì)量的0.7％即7g，顆粒平均尺寸為50nm，納米顆粒的種類為Al2O3。
將按上述配方配制的5kg混料球磨25小時(shí)后，在氬氣保護(hù)下裝入80×100mm的低碳鋼模型，用環(huán)氧樹脂密封，在300℃和20MPa的壓力下真空燒結(jié)。燒結(jié)坯體在800噸擠壓機(jī)上擠壓為棒材。
將棒材機(jī)加工為國家標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果材料的抗拉強(qiáng)度為290MPa，延伸率為16％。
實(shí)施例4取基體金屬粉末90g Al，8g Zn，1g Mn，901g Mg。將基體金屬配置好以后，加入納米顆粒，納米顆粒的加入量為基體金屬質(zhì)量的4.0％即40g，顆粒平均尺寸為60nm，納米顆粒的種類為ZrO2。
將按上述配方配制的5kg混料球磨40小時(shí)后，在氬氣保護(hù)下裝入80×100mm的低碳鋼模型，用環(huán)氧樹脂密封，在300℃和20MPa的壓力下真空燒結(jié)。燒結(jié)坯體在2500噸擠壓機(jī)上擠壓為棒材。
將棒材機(jī)加工為國家標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果材料的抗拉強(qiáng)度為320MPa，延伸率為16％。
權(quán)利要求
1.一種鎂合金復(fù)合材料，其特征在于所述鎂合金復(fù)合材料由合金粉末和碳化物或氧化物納米顆粒組成，其中(1)復(fù)合材料的合金粉末為(以下為重量份計(jì))Al2～10份；Zn0.1～1份；Mn0.02～0.4份；Mg88.60～97.88份；(2)碳化物或氧化物納米顆粒的加入量為復(fù)合材料合金粉末質(zhì)量的0.5～10.0％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金復(fù)合材料，其特征在于納米顆粒的尺寸小于100nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金復(fù)合材料，其特征在于鋁、鎂、鋅、錳均為粉末狀，純度均＞99.9％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金復(fù)合材料，其特征在于碳化物納米顆粒為SiC或TiC，氧化物納米顆粒為Al2O3或SiO2或TiO2或ZrO2或MgO。
5.制備如權(quán)利要求1所述的鎂合金復(fù)合材料的方法，其特征在于包括以下步驟配料在氬氣保護(hù)條件下，按照權(quán)利要求1所述的配比取合金及納米顆粒，充分混合；在氬氣保護(hù)下將上述混合粉末球磨10～40小時(shí)；在真空操作箱內(nèi)，將球磨后的混料裝入模型內(nèi)，并用環(huán)氧樹脂將模型密封；將裝有混料的模型放入熱壓燒結(jié)爐中，在真空或在氬氣保護(hù)下燒結(jié)10～60min，燒結(jié)溫度為300～420℃，燒結(jié)壓力為0.5～20Mpa，即得所述的鎂合金復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鎂合金復(fù)合材料，其特征在于所述鎂合金復(fù)合材料由合金粉末和碳化物或氧化物納米顆粒組成，其中(1)復(fù)合材料的合金粉末為(以下為質(zhì)量份計(jì))Al為2～10份；Zn為0.1～1份；Mn為0.02～0.4份；Mg為88.60～97.88份；(2)碳化物或氧化物納米顆粒的加入量為復(fù)合材料合金粉末質(zhì)量的0.5～10.0％。本發(fā)明材料顆粒分布和基體組織細(xì)小均勻織細(xì)小、基體與增強(qiáng)納米顆粒之間的結(jié)合緊密、納米顆粒分布均勻，增強(qiáng)相不偏聚、基體相的化學(xué)成分不偏析。其制備方法所得的鎂合金材料具有優(yōu)良強(qiáng)塑性，并且設(shè)備簡單，成本較低。
文檔編號B22F9/02GK1837392SQ200610054190
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月3日
發(fā)明者蔣斌, 王健, 歐忠文 申請人:重慶大學(xué)