本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，具體是一種新型鎂合金復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
鎂合金具有比模量和比強(qiáng)度高、減震且易于成型加工等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空航天等領(lǐng)域，是一種極具潛力的工程材料。然而鎂合金耐蝕和耐磨性能差、硬度低，限制了鎂合金的使用范圍，因此，研制耐蝕和耐磨性能強(qiáng)、硬度高的新型鎂合金復(fù)合材料已成為鎂合金的重要發(fā)展方向。
鎂合金復(fù)合材料在鑄造成型加工過程中離不開攪拌，傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌不僅難以使增強(qiáng)相分布均勻，而且還會(huì)造成表面質(zhì)量差、皮下氣孔嚴(yán)重、成分偏析大等不足。利用電磁模擬微重力環(huán)境，可以使鎂合金復(fù)合材料熔體處于準(zhǔn)失重狀態(tài)，從而使增強(qiáng)體顆粒在熔體中分布均勻。此外，澆鑄后對鑄錠施加電場，可起到細(xì)化晶粒的作用。
納米SiC顆粒目前廣泛應(yīng)用于鋁合金等金屬基復(fù)合材料中最為增強(qiáng)體，提高了金屬基體材料的性能。將納米SiC顆粒添加到鎂合金中，能提高鎂合金的力學(xué)性能和耐磨性能，但是納米SiC顆粒在鎂合金中的應(yīng)用較少，主要原因是鎂較為活潑，納米SiC顆粒與鎂會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)，導(dǎo)致顆粒增強(qiáng)效果減弱。
此外，傳統(tǒng)加工鎂合金存在強(qiáng)度偏低、延展性小、耐磨性能差，疲勞壽命短等缺陷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服上述缺陷，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型鎂合金復(fù)合材料的制備方法，發(fā)明主要解決傳統(tǒng)鎂合金耐磨性能差，硬度低，強(qiáng)韌性差的問題。
一種新型鎂合金復(fù)合材料，其中化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：鋁：12-15 wt.%、鋅：2-4 wt.%、錳：1-3 wt.%、釹：0.5-1.0 wt.%、鈰：0.5-1.0 wt.%、鎳包覆納米SiC顆粒：4.0-5.0 wt. %，余量為鎂；所述鎳包覆納米SiC顆粒直徑為50-70 nm。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提出了一種新型鎂合金復(fù)合材料的制備方法，步驟如下：將鋁、鋅、錳、釹、鈰、鎂按比例混合，經(jīng)熔融后得鎂合金熔體，在鎂合金熔體中加入鎳包覆納米SiC顆粒，同時(shí)施加電磁場，電磁模擬微重力使鎳包覆納米SiC顆粒在熔體中均勻分散，澆鑄后對鑄錠施加電場細(xì)化晶粒，最后對新型鎂合金復(fù)合材料進(jìn)行等徑角擠壓變形。
所述鋁、鋅、錳、釹、鈰、鎂、鎳包覆納米SiC顆粒的用量比例為：鋁：12-15 wt.%、鋅：2-4 wt.%、錳：1-3 wt.%、釹：0.5-1.0 wt.%、鈰：0.5-1.0 wt.%、鎳包覆納米SiC顆粒：4.0-5.0 wt. %，余量為鎂。
所述電磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6-0.8 T，勵(lì)磁電流為40-60 A。
所述澆注溫度為840-920℃。
所述電場的電流密度為1500-3000 A/cm2，頻率為1200-2500 Hz，脈沖寬度為40-80μs。
所述等徑角擠壓模具內(nèi)角Φ=120°-140°，擠壓前鎂合金復(fù)合材料鑄錠加熱至150-250℃。
電磁模擬微重力場的作用機(jī)制:
普通條件下，納米SiC顆粒在鎂合金熔體中會(huì)發(fā)生偏聚現(xiàn)象，降低顆粒增強(qiáng)效果。鎂合金熔體在電磁場中會(huì)產(chǎn)生電磁容積力，作用于熔體的單元體上，對重力有抵消的效果。納米 SiC 顆粒作為彌散粒子分布在基體中，經(jīng)金屬包覆后，可受電磁場作用，并改善界面結(jié)合質(zhì)量。通過調(diào)整磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度，使SiC 顆粒和基體的電磁容積力相等，從而使熔體整體處于微重力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)納米 SiC 顆粒的均勻分布。
本發(fā)明的有益效果：
采用本發(fā)明制備的鎂合金復(fù)合材料，在鎂合金中添加鎳包覆納米SiC顆粒，使用電磁場+電場+等徑角擠壓變形加工方法制備新型鎂合金復(fù)合材料。該新型鎂合金復(fù)合材料中釹元素具有彌散強(qiáng)化作用，形成金屬化合物可阻止晶界滑移；鈰元素可改善合金組織，細(xì)化晶粒；電磁模擬微重力場可使鎳包覆納米SiC顆粒在熔體中分散均勻；電場可增加熔體的過冷度，降低形核勢壘，使得晶粒細(xì)化；等徑角擠壓變形可以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。
具體實(shí)施方式
結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
實(shí)施例1
新型鎂合金復(fù)合材料的化學(xué)成分為，鋁：12.0 %、鋅：2.1 %、錳：1.2 %、釹：0.5 %、鈰：0.5 %、余量為鎂。在熔融的鎂合金材料中加入直徑為55 nm鎳包覆納米SiC顆粒，添加量為4.0 wt. %，加入電磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6 T，勵(lì)磁電流為40 A。澆鑄后對鑄錠施加電場細(xì)化晶粒，澆注溫度840 ℃，電場的電流密度為1600 A/cm2，頻率為1200 Hz，脈沖寬度為45μs。然后對新型鎂合金復(fù)合材料進(jìn)行等徑角擠壓變形，等徑角擠壓模具內(nèi)角Φ=120°。
結(jié)果表明：與傳統(tǒng)方法鑄造的鎂合金相比，新型鎂合金復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到285MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到97 MPa，伸長率達(dá)到12%，布氏硬度達(dá)到92，磨損量為0.36%。
實(shí)施例2
新型鎂合金復(fù)合材料的化學(xué)成分為，鋁：13.0 %、鋅：2.4 %、錳：1.5 %、釹：0.6 %、鈰：0.7 %、余量為鎂。在熔融的鎂合金材料中加入直徑為60 nm的鎳包覆納米SiC顆粒，添加量為4.5 wt. %，加入電磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.7 T，勵(lì)磁電流為43 A。澆鑄后對鑄錠施加電場細(xì)化晶粒，澆注溫度870 ℃，電場的電流密度為1800 A/cm2，頻率為1600 Hz，脈沖寬度為50μs。然后對新型鎂合金復(fù)合材料進(jìn)行等徑角擠壓變形，等徑角擠壓模具內(nèi)角Φ=130°。
結(jié)果表明：與傳統(tǒng)方法鑄造的鎂合金相比，新型鎂合金復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到291MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到104 MPa，伸長率達(dá)到13%，布氏硬度達(dá)到95，磨損量為0.30%。
實(shí)施例3
新型鎂合金復(fù)合材料的化學(xué)成分為，鋁：14.0 %、鋅：3.3 %、錳：2.0 %、釹：0.7 %、鈰：0.7 %、余量為鎂。在熔融的鎂合金材料中加入直徑為65 nm的鎳包覆納米SiC顆粒，添加量為4.5 wt. %，加入電磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.75 T，勵(lì)磁電流為52 A。澆鑄后對鑄錠施加電場細(xì)化晶粒，澆注溫度900 ℃，電場的電流密度為2200 A/cm2，頻率為1300 Hz，脈沖寬度為64μs。然后對新型鎂合金復(fù)合材料進(jìn)行等徑角擠壓，等徑角擠壓模具內(nèi)角Φ=135°。
結(jié)果表明：與傳統(tǒng)方法鑄造的鎂合金相比，新型鎂合金復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到304MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到112 MPa，伸長率達(dá)到15 %，布氏硬度達(dá)到103，磨損量為0.28%。
實(shí)施例4
新型鎂合金復(fù)合材料的化學(xué)成分為，鋁：14.0 %、鋅：3.5%、錳：2.4 %、釹：0.9 %、鈰：0.8 %、余量為鎂。在熔融的鎂合金材料中加入直徑為62 nm的鎳包覆納米SiC顆粒，添加量為5.0 wt. %，加入電磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.8 T，勵(lì)磁電流為58 A。澆鑄后對鑄錠施加電場細(xì)化晶粒，澆注溫度900 ℃，電場的電流密度為2500 A/cm2，頻率為2400 Hz，脈沖寬度為70μs。然后對新型鎂合金復(fù)合材料進(jìn)行等徑角擠壓變形，等徑角擠壓模具內(nèi)角Φ=130°。
結(jié)果表明：與傳統(tǒng)方法鑄造的鎂合金相比，新型鎂合金復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到310MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到119 MPa，伸長率達(dá)到15%，布氏硬度達(dá)到108，磨損量為0.24%。
實(shí)施例5
新型鎂合金復(fù)合材料的化學(xué)成分為，鋁：15.0 %、鋅：3.8 %、錳：2.8 %、釹：1.0 %、鈰：1.0 %、余量為鎂。在熔融的鎂合金材料中加入直徑為59 nm鎳包覆納米SiC顆粒，添加量為5.0 wt. %，加入電磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6 T，勵(lì)磁電流為45 A。澆鑄后對鑄錠施加電場細(xì)化晶粒，澆注溫度920 ℃，電場的電流密度為2800 A/cm2，頻率為1900 Hz，脈沖寬度為57μs。然后對新型鎂合金復(fù)合材料進(jìn)行等徑角擠壓變形，等徑角擠壓模具內(nèi)角Φ=130°。
結(jié)果表明：與傳統(tǒng)方法鑄造鎂合金相比，新型鎂合金復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到324MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到121 MPa，伸長率達(dá)到16%，布氏硬度達(dá)到112，磨損量為0.09%。