CN100497695C - 一种镁基多孔复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种镁基多孔复合材料，其特征在于该镁基多孔复合材料为在镁合金基体中分布有带空腔的飘珠的金属基复合材料，所述飘珠化学成份为53%≤SiO₂≤59%，30%≤Al₂O₃≤36%，0＜Fe₂O₃≤4.0%，1.5%≤CaO≤3.6%，0.5%≤MgO≤4%，飘珠的容重为0.3～0.4g/cm³，飘珠的尺寸在200～400μm范围，飘珠所占复合材料的体积百分比为20～50%，镁合金基体成分含量为：7wt%≤Al≤10wt%，0.8wt%≤Zn≤2wt%，1wt%≤Ti≤2wt%，0≤Zr≤0.5wt%，0≤Sr≤0.5wt%，0≤Sn≤1wt%，0＜Si≤0.2wt%，0.1wt%≤Be≤0.3wt%，其余为镁。本发明的镁基微米孔复合材料中含有密度极小的、带有细孔的无机非金属相，复合材料重量比同孔洞率的泡沫铝低，减轻了构件的重量，并具有很好的阻尼性能。

Description

一种镁基多孔复合材料及其制备方法

一、技术领域

本发明属于金属复合材料技术领域，特别涉及一种镁基多孔复合材料及其制备方法。

二、背景技术

现有技术：镁合金的重量轻，且具有较高的比强度和比刚度，现已在工业生产中大量应用。目前泡沫金属材料主要是铝泡沫、镍泡沫等材料，如专利01106207用熔体直接发泡方法制备了铝泡沫材料。但是铝的密度相比镁的密度高。如果能在镁合金中形成均匀孔洞，即形成镁基泡沫复合材料。将镁及基合金制成更轻的多孔材料，可进一步扩大泡沫金属的用途。200610039019.2提出孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法：将尿素颗粒及添加物混合，加压300-400Mpa生坯，在碱性水溶液中浸泡0.5-5小时后置于氩气中，在240-260℃保持至少3个小时，然后在610-630℃保持至少3个小时。该方法生产的镁泡沫材料制备周期较长。CN200410012162.3公开一种泡沫镁制备工艺，包括镁合金熔炼、真空渗流装置的制作、填料颗粒的选取、预制型预热、浇注渗流、加工成型及去除填料颗粒等过程，但在材料成型后，填料颗粒还需进一步去除。该方法生产镁泡沫材料的工艺复杂。200510119108.3公开了一种采用珍珠岩作为孔洞材料，通过吸铸的方法将合金液包围珍珠岩颗粒的制备方法。但该方法在制造前需要做大量的前期工作，如在珍珠岩颗粒表面涂覆大量的材料如铝粉、碳酸稀土粉等。该方法涉及工艺程序多而成本高。因此，目前镁基多孔复合材料制备方法繁琐，种类也较少。

三、发明内容

技术问题：本发明针对上述技术缺陷，提供一种镁基多孔复合材料及其制备方法，该方法工艺简单，无环境污染，生产成本低。

技术方案；本发明的技术解决方案为：一种镁基多孔复合材料，该镁基多孔复合材料为在镁合金基体中分布有带空腔的飘珠的金属基复合材料，所述飘珠化学成份为53％≤SiO₂≤59％，30％≤Al₂O₃≤36％，0<Fe₂O₃≤4.0％，1.5％≤CaO≤3.6％，0.5％≤MgO≤4％，飘珠的容重为0.3～0.4g/cm³，飘珠的尺寸在200～400μm范围，孔洞的尺寸为50～200μm，飘珠所占复合材料的体积百分比为20～80％，镁合金基体成分含量为：7wt％≤Al≤10wt％，0.8wt％≤Zn≤2wt％，1wt％≤Ti≤2wt％，0≤Zr≤0.5wt％，0≤Sr≤0.5wt％，0≤Sn≤1wt％，0<Si≤0.2wt％，0.1wt％≤Be≤0.3wt％，其余为镁。一种制备镁基多孔复合材料的方法，制备步骤为：先将飘珠浸入温度为95℃的含有K₂ZrF₆的水溶液中，K2ZrF6在水中的重量百分比为1％，搅动10min后再将飘珠捞出，在120℃烘干去除飘珠水分，接着将占基体镁合金体积总量50％～75％的镁合金粉与处理后的飘珠混匀，置于金属模具中，镁合金粉的平均粒径为200～400μm范围，再将剩余的25％～50％基体镁合金块粒置于金属模具中的镁合金粉/飘珠混合体的上部，基体镁合金块粒的平均粒径在10mm～100mm范围，模具中所有基体镁合金与飘珠的体积比为1:1～3，然后把金属模具放入具有SF₆/N₂混合气体的气氛中升温至700～740℃后，保温20～40min，在SF₆/N₂混合气体中，SF₆的体积占1～3％，随后将金属模具在空气中自然冷却至室温即得到镁基多孔复合材料。

有益效果：本发明的镁基多孔复合材料中含有密度小、带有细孔的无机非金属相，复合材料重量比同孔洞率的泡沫铝低，减轻了构件的重量，并具有很好的融渗性能。本发明镁基多孔复合材料是通过将带有微米孔洞的无机非金属相引入镁合金中，通过熔融自浸的方式制备，无需采取在液相中发泡的复杂方式，制备工艺简单，成本低，生产过程无环境污染。本发明镁基多孔复合材料，采用的漂珠来源于工业废渣，节能环保，经济实惠。工艺中使用K₂ZrF₆可增加润湿效果。本发明镁基多孔复合材料所用漂珠由于具有特殊空心结构，所制的部件具有良好的吸振、隔音、防噪效果，可用作汽车等行业快速机械上的吸振减振件，也可用于建筑等领域的隔音、防噪部件，实用性强。

四、附图说明

图1为带孔飘珠嵌于镁合金基体的情况。可以看出，飘珠内的空腔占据复合材料的空间，形成了具有孔洞的复合材料。

五、具体实施方式

实施例1：一种镁基多孔复合材料，该镁基多孔复合材料为在镁合金基体中分布有带空腔的飘珠的金属基复合材料，所述飘珠化学成份为SiO₂：53％，Al₂O₃：36％，Fe₂O₃：4.0％，CaO：3％，MgO：4％，飘珠的容重为0.3g/cm³，飘珠的尺寸在200μm，飘珠所占复合材料的体积百分比为50％，镁合金基体成分含量为：Al：7wt％，Zn：0.8wt％，Ti：1wt％，Si：0.1wt％，Be：0.1wt％，其余为镁。

实施例2：一种镁基多孔复合材料，其特征在于该镁基多孔复合材料为在镁合金基体中分布有带空腔的飘珠的金属基复合材料，所述飘珠化学质量组成成分含量为SiO₂：59％，Al₂O₃：35％，Fe₂O₃：1.9％，CaO：3.6％，MgO：0.5％，飘珠的容重为0.4g/cm³，飘珠的尺寸在400μm，飘珠所占复合材料的体积百分比为75％，镁合金基体质量成分含量为：Al：10wt％，Zn：2wt％，Ti：2wt％，Si：0.2wt％，Be：0.3wt％，其余为镁。

实施例3：一种镁基多孔复合材料，其特征在于该镁基多孔复合材料为在镁合金基体中分布有带空腔的飘珠的金属基复合材料，所述飘珠化学质量组成成分含量为SiO₂：59％，Al₂O₃：30％，Fe₂O₃：4％，CaO：3％，MgO：4％，飘珠的容重为0.3～0.4g/cm³，飘珠的尺寸在200～400μm范围，飘珠所占复合材料的体积百分比为60％，镁合金基体质量成分含量为：Al：8wt％，Zn：1wt％，Ti：1.5wt％，Si：0.1wt％，Be：0.2wt％，其余为镁。

实施例4：一种镁基多孔复合材料，其特征在于该镁基多孔复合材料为在镁合金基体中分布有带空腔的飘珠的金属基复合材料，所述飘珠化学质量组成成分含量为SiO₂：58％，Al₂O₃：36％，Fe₂O₃：4％，CaO：1.5％，MgO：0.5％，飘珠的容重为0.3～0.4g/cm³，飘珠的尺寸在200～400μm范围，飘珠所占复合材料的体积百分比为50～75％，镁合金基体质量成分含量为：Al：8wt％，Zn：1wt％，Ti：1.5wt％，Si：0.1wt％，Be：0.2wt％，其余为镁。

实施例5：一种镁基多孔复合材料，其特征在于该镁基多孔复合材料为在镁合金基体中分布有带空腔的飘珠的金属基复合材料，所述飘珠化学质量组成成分含量为SiO₂：59％，Al₂O₃：36％，Fe₂O₃：2％，CaO：1.5％，MgO：1.5％，飘珠的容重为0.3～0.4g/cm³，飘珠的尺寸在200～400μm范围，飘珠所占复合材料的体积百分比为50～75％，镁合金基体质量成分含量为：Al：8wt％，Zn：1wt％，Ti：1.5wt％，Si：0.1wt％，Be：0.2wt％，其余为镁。

实施例6：镁合金基体成分含量为：Al：7wt％，Zn：0.8wt％，Ti：1wt％，Zr：0.1wt％，Sr：0.1wt％，Sn：0.1wt％，Si：0.1wt％，Be：0.1wt％，其余为镁。

实施例7：镁合金基体成分含量为：Al：10wt％，Zn：2wt％，Ti：2wt％，Zr：0.5wt％，Sr：0.5wt％，Sn：1wt％，Si：0.2wt％，Be：0.3wt％，其余为镁。

实施例8：镁合金基体成分含量为：Al：8wt％，Zn：1wt％，Ti：1.5wt％，Zr：0.3wt％，Sr：0.3wt％，Sn：0.5wt％，Si：0.1wt％，Be：0.2wt％，其余为镁。

实施例9：镁基多孔复合材料的制备步骤为：先将飘珠浸入温度为95℃的含有K₂ZrF₆的水溶液中，K₂ZrF₆在水中的重量百分比为1％，搅动10min后再将飘珠捞出，在120℃烘干去除飘珠水分，接着将占基体镁合金体积总量0.5的镁合金粉与处理后的飘珠混匀，置于金属模具中，镁合金粉的平均粒径为200μm，再将剩余的占基体镁合金体积总量0.5的基体镁合金的块粒置于金属模具中的镁合金粉/飘珠混合体的上部，基体镁合金块粒的平均粒径在10mm，模具中所有基体镁合金与飘珠的体积比为1:1，然后把金属模具放入具有SF₆/N₂混合气体的气氛中升温至700℃后，保温20min，在SF₆/N₂混合气体中，SF₆的体积占混合气体的1％，随后将金属模具在空气中自然冷却至室温即得到镁基多孔复合材料。

实施例10：镁基多孔复合材料的制备步骤为：先将飘珠浸入温度为95℃的含有K₂ZrF₆的水溶液中，K₂ZrF₆在水中的重量百分比为1％，搅动10min后再将飘珠捞出，在120℃烘干去除飘珠水分，接着将占基体镁合金体积总量0.75的镁合金粉与处理后的飘珠混匀，置于金属模具中，镁合金粉的平均粒径为400μm范围，再将剩余的占基体镁合金体积总量0.25的基体镁合金的块粒置于金属模具中的镁合金粉/飘珠混合体的上部，基体镁合金块粒的平均粒径在100mm范围，模具中所有基体镁合金与飘珠的体积比为1:2，然后把金属模具放入具有SF₆/N₂混合气体的气氛中升温至7200℃后，保温30min，在SF₆/N₂混合气体中，SF₆的体积占混合气体的2％，随后将金属模具在空气中自然冷却至室温即得到镁基多孔复合材料。

实施例11：镁基多孔复合材料的制备步骤为：先将飘珠浸入温度为95℃的含有K₂ZrF₆的水溶液中，K₂ZrF₆在水中的重量百分比为1％，搅动10min后再将飘珠捞出，在120℃烘干去除飘珠水分，接着将占基体镁合金体积总量0.6的镁合金粉与处理后的飘珠混匀，置于金属模具中，镁合金粉的平均粒径为300μm范围，再将剩余的占基体镁合金体积总量0.4的基体镁合金的块粒置于金属模具中的镁合金粉/飘珠混合体的上部，基体镁合金块粒的平均粒径在80mm范围，模具中所有基体镁合金与飘珠的体积比为1:3，然后把金属模具放入具有SF₆/N₂混合气体的气氛中升温至740℃后，保温40min，在SF₆/N₂混合气体中，SF₆的体积占混合气体的3％，随后将金属模具在空气中自然冷却至室温即得到镁基多孔复合材料。

实施例12：表1为镁基体合金和本实施例材料在动态冲击条件下材料的应力和应变的关系。可以看出本发明的镁基纳米孔复合材料具有很好的吸振功能。

 

	应变/％0.001  0.002  0.004  0.006  0.008  0.01  0.015
		镁基体合金的应力/MPa	100    130    190    210    260    310   340
本实施例材料的应力/MPa	30     43     45     47     48     48    48

Claims (4)

1.一种镁基多孔复合材料，其特征在于该镁基多孔复合材料为在镁合金基体中分布有带空腔的飘珠的金属基复合材料，所述飘珠化学质量组成成分含量为53％≤SiO₂≤59％，30％≤Al₂O₃≤36％，0<Fe₂O₃≤4.0％，1.5％≤CaO≤3.6％，0.5％≤MgO≤4％，飘珠的容重为0.3～0.4g/cm³，飘珠的尺寸在200～400μm范围，飘珠所占复合材料的体积百分比为50～75％，镁合金基体质量成分含量为：7wt％≤Al≤10wt％，0.8wt％≤Zn≤2wt％，1wt％≤Ti≤2wt％，0<Si≤0.2wt％，0.1wt％≤Be≤0.3wt％，其余为镁。

2.一种制备权利要求1所述镁基多孔复合材料的方法，其特征在于制备步骤为：先将飘珠浸入K₂ZrF₆水溶液中，搅拌后再将飘珠捞出，烘干去除飘珠水分，接着将占镁合金基体体积总量50％～75％的镁合金粉与处理后的飘珠混匀，置于金属模具中，镁合金粉的平均粒径为200～400μm范围，再将剩余的占镁合金基体体积总量25％～50％的镁合金基体的块粒置于金属模具中的镁合金粉/飘珠混合体的上部，镁合金基体块粒的平均粒径在10mm～100mm范围，模具中所有镁合金基体与飘珠的体积比为1:1～3，然后把金属模具放入具有SF₆/N₂混合气体的气氛中升温至700～740℃后，保温20～40min，在SF₆/N₂混合气体中，SF₆的体积占混合气体的1～3％，随后将金属模具在空气中自然冷却至室温即得到镁基多孔复合材料。

3.根据权利要求2所述的制备镁基多孔复合材料的方法，其特征在于所述K₂ZrF₆水溶液中，K₂ZrF₆在水中的重量百分比为1％，温度为95℃。

4.根据权利要求2所述的制备镁基多孔复合材料的方法，其特征在于所述搅拌后烘干的温度为120℃。

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