CN101280380A

CN101280380A - 低温原位生成TiC颗粒增强镁基复合材料及其制备工艺

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Publication number: CN101280380A
Application number: CNA2008100166285A
Authority: CN
Inventors: 滕新营; 王彬; 周国荣; 神祥博; 张文洁; 杨中喜
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: CN100567537C

Abstract

本发明涉及一种镁基复合材料，特别涉及一种低温原位生成TiC陶瓷颗粒增强镁基复合材料及其制备工艺。该复合材料是由以下重量百分比的原料制成：Al 8～9％，Zn 0.5～1％，Ti 1.6～8％，C 0.4～2％，Ce 0.05～0.1％，Mn 0.3～1％，其余为Mg和总量不超过0.1％不可避免的杂质。其制备工艺为：(1)Al－Ti－C－Ce预制块的准备；(2)二次熔炼。本发明可以显著降低原位反应的温度，增加变形抗力，提高高温力学性能，改善材料在常温特别是高温条件下的耐磨性能。

Description

低温原位生成TiC颗粒增强镁基复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种镁基复合材料，特别涉及一种低温原位生成TiC陶瓷颗粒增强镁基复合材料及其制备工艺。

背景技术

镁基合金不仅具有原料丰富、良好的铸造性能和机加工性能，而且它与铝基合金相比其体积密度仅为铝基合金的2/3具有更高的比强度和比刚度。目前，镁基合金作为部分钢、铝材料的替代品在变速箱、离合器、轮毂等汽车零配件方面已经得到广泛应用。但是，镁合金本身存在的耐磨性差、抗蠕变性差、工作温度低等问题，大大限制了镁基合金材料的应用。目前，抗蠕变镁合金的工作温度只有150～170℃，而普通镁合金的工作温度只有120℃。这些问题已经成为镁合金的发展瓶颈。

研究表明，在镁合金中添加陶瓷颗粒制备复合材料，不仅能明显提高室温强度与耐磨性能，而且还可进一步提高材料的高温力学性能。由于外加法容易造成添加颗粒与基体之间的界面污染，所以原位内生法是目前制备颗粒增强金属基复合材料的主要工艺。但是原位反应的温度一般要求较高，例如Al-Ti-B体系的反应在850℃以上，Al-Ti-C体系的反应温度在750～800℃，这造成镁合金基体氧化严重，成为镁基复合材料发展的瓶颈。

本发明通过对镁基复合材料增强体系的成分设计和优化，显著降低了原位反应的温度，并通过熔炼工艺的改进在基体中生成弥散分布的细小陶瓷颗粒，并与基体良好的结合，从而形成力学性能、物理性能及摩擦磨损性能优良的复合材料。合成的陶瓷颗粒在复合材料基体中起到耐磨质点的作用，依靠其自身高硬度和高刚度的特点以及对合金基体的钉扎作用，增加变形抗力，提高高温力学性能，改善材料在常温特别是高温条件下的耐磨性能。

发明内容

本发明的目的在于通过对镁基复合材料增强体系的成分设计和优化，添加TiC陶瓷颗粒的催化剂，显著降低了原位反应的温度，并通过熔炼工艺的改进在基体中生成弥散分布的细小陶瓷颗粒，并与基体良好的结合，从而形成力学性能、物理性能及摩擦磨损性能优良的复合材料。合成的陶瓷颗粒在复合材料基体中起到耐磨质点的作用，依靠其自身高硬度和高刚度的特点以及对合金基体的钉扎作用，增加变形抗力，提高高温力学性能，改善材料在常温特别是高温条件下的耐磨性能。

本发明的另一目的在于提供上述复合材料的制备工艺。

本发明是通过以下措施来实现的：

本发明的低温原位生成TiC陶瓷颗粒增强镁基复合材料，是由以下重量百分比的原料制成：Al 8～9％，Zn 0.5～1％，Ti 1.6～8％，C0.4～2％，Ce 0.05～0.1％，Mn 0.3～1％，其余为Mg和总量不超过0.1％不可避免的杂质。

所述原料的最佳重量百分比为：Al 9％，Zn 0.8％，Ti 4％，C 1％，Ce 0.08％，Mn 0.8％，其余为Mg和总量不超过0.1％不可避免的杂质。

本发明还提供了上述复合材料的制备工艺，采用以下步骤：

(1)Al-Ti-C-Ce预制块的准备：

按以下重量百分比称取原料：Al 30～49％，Ti 40～56％，C 10～14％，Ce 0.5～1％；将原料混合均匀、烘干、压成预制块，将预制块加热到300～400℃备用；所用原料：粒度≤75μm的Ti粉、粒度≤15μm无定形C粉、粒度≤75μm的Al粉及Ce含量为10wt％粒度≤120μm的Al-Ce合金粉；

(2)二次熔炼：

按复合材料的成分配比及扣除预制块中引入的铝量后的Al料，将镁料、铝料、锌料、锰料装炉熔化，将合金液升温至700～720℃并保温10～20min；采用钟罩压入法将经过预热的Al-Ti-C-Ce预制块按入熔液底部，保温5～10min后降温至660～680℃，搅拌合金液5-8min，使原位反应进行彻底；搅拌结束后将合金液再次升温到700～720℃搅拌并静置2～4min后，扒渣，浇铸。合金液在熔炼或搅拌过程中采用SF₆+CO₂气体作为保护气体。熔炼过程采用两次升温过程，第一次升温至700～720℃加入预制块较高的温度有利于原位反应的顺利进行，然后降温至660～680℃搅拌熔液减少合金的氧化现象。第二次升温700～720℃扒渣、浇铸有利于净化基体成分，同时使颗粒分散均匀。

本发明以Al-Ti-C-Ce为增强体系，采用预制压块在镁合金液中原位反应的方法，在金属熔体中合成了TiC颗粒。增强体系中Ce元素的加入对TiC的合成起到催化作用，使原位反应温度降低了50～80℃，原位反应合成陶瓷颗粒在较低温度下能够顺利进行，基体合金在制备过程中不易氧化过烧。研究表明，在Al-Ti-C体系中添加0.5wt％～1.0wt％的Ce使得Ti与C原位反应温度显著降低。原位合成的TiC颗粒细小尺寸在1～3μm、在基体中分布均匀，与基体润湿性好，结合强度高。

复合材料制备过程采用二次熔炼工艺，一方面可以使得生成的TiC颗粒在基体中分布均匀，避免TiC颗粒在复合材料中沉降，另一方面可以使反应余料产生浮渣，净化基体。该制备熔炼工艺简便，生产成本低。

陶瓷颗粒增强镁基复合材料采用Al-Ti-C-Ce为原位反应体系+二次熔炼工艺得到复合材料。通过调整Al-Ti-C-Ce体系中的铝、铈元素的含量来降低原位反应的温度，通过二次熔炼工艺使得生成的TiC颗粒分布均匀并净化基体。

本发明通过对镁基复合材料增强体系的成分设计和优化，添加TiC陶瓷颗粒的催化剂，显著降低了原位反应的温度，并通过熔炼工艺的改进在基体中生成弥散分布的细小陶瓷颗粒，并与基体良好的结合，从而形成力学性能、物理性能及摩擦磨损性能优良的复合材料。合成的陶瓷颗粒在复合材料基体中起到耐磨质点的作用，依靠其自身高硬度和高刚度的特点以及对合金基体的钉扎作用，增加变形抗力，提高高温力学性能，改善材料在常温特别是高温条件下的耐磨性能。

本发明材料通过设计和优化原位增强体系的成分配比并采用二次熔炼工艺，使本发明材料获得优良的性能。同AZ91合金比较，尤其是材料的耐磨性、硬度抗拉强度及模量得到很大的提高，制得了具有高强度、高耐磨性和较好高温性能的陶瓷颗粒增强镁基复合材料。

具体实施方式

实施例1

用表1所示材料1的成分配比制作标准抗拉试样，采用电阻炉熔炼制作材料。

按照预制块的制备工艺选取Al-Ti-C-Ce预制块占复合材料重量百分比8.33％。其中预制块中Al粉(粒度≤75μm)占32wt％，Ti粉(粒度≤75μm)占48wt％，C粉(粒度≤15μm)占12wt％，Al-0.1Ce粉(粒度≤120μm)占8wt％。将粉料混合均匀，压制成直径30mm、高度20mm的预制块体。根据复合材料成分设计，将镁、锌等料熔化升温至720℃并保温15min。采用钟罩压入法将预热到350℃的Al-Ti-C-Ce预制块按入熔液底部，保温8min后降温至670℃，搅拌合金液5min。搅拌结束后将合金液再次升温到720℃搅拌并静置3min后，扒渣，浇注成型。

表1实施的本发明材料的化学成分 (wt％)

材料1试样的平均抗拉强度(σ_b)达到220MPa，硬度达到68HB，模量(E)达到47Gpa，线膨胀系数为24.55×10^-6(20-150℃)。与AZ91合金比较，该复合材料的抗拉强度、硬度、模量分别提高了15％、34％和11.9％，磨损率减少了75％，线膨胀系数减小了5.5％。

实施例2

用表1所示材料2的成分配比制作标准抗拉试样，采用电阻炉熔炼制作材料。

按照预制块的制备工艺选取Al-Ti-C-Ce预制块占复合材料重量百分比为5％。其中预制块中Al粉(粒度≤75μm)占30wt％，Ti粉(粒度≤75μm)占48wt％，C粉(粒度≤15μm)占12wt％，Al-0.1Ce粉(粒度≤120μm)占10wt％。将粉料混合均匀，压制成直径30mm、高度20mm的预制块体。根据复合材料成分设计，将镁、锌等料熔化升温至710℃并保温15min。采用钟罩压入法将预热到330℃的Al-Ti-C-Ce预制块按入熔液底部，保温7min后降温至670℃，搅拌合金液5min。搅拌结束后将合金液再次升温到710℃搅拌并静置3min后，扒渣，浇注成型。

材料2试样的平均抗拉强度(σ_b)达到211MPa，硬度达到60HB，模量(E)达到45.2GPa，线膨胀系数为24.91×10^-6(20-150℃)。与AZ91合金比较，该复合材料的抗拉强度、硬度、模量分别提高了10.2％、18.3％和7.6％，磨损率减少了50％，线膨胀系数减小了3.9％。

Claims

1.一种低温原位生成TiC陶瓷颗粒增强镁基复合材料，其特征是由以下重量百分比的原料制成：Al 8～9％，Zn 0.5～1％，Ti 1.6～8％，C0.4～2％，Ce 0.05～0.1％，Mn 0.3～1％，其余为Mg和总量不超过0.1％不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征是所述原料的重量百分比为：Al 9％，Zn 0.8％，Ti 4％，C 1％，Ce 0.08％，Mn 0.8％，其余为Mg和总量不超过0.1％不可避免的杂质。

3.一种权利要求1所述复合材料的制备工艺，其特征是采用以下步骤：

(1)Al-Ti-C-Ce预制块的准备：

(2)二次熔炼：

按复合材料的成分配比及扣除预制块中引入的铝量后的Al料，将镁料、铝料、锌料、锰料装炉熔化，将合金液升温至700～720℃并保温10～20min；采用钟罩压入法将经过预热的Al-Ti-C-Ce预制块按入熔液底部，保温5～10min后降温至660～680℃，搅拌合金液5-8min，使原位反应进行彻底；搅拌结束后将合金液再次升温到700～720℃搅拌并静置2～4min后，扒渣，浇铸。

4.根据权利要求3所述的制备工艺，其特征在于：合金液在熔炼或搅拌过程中采用SF₆+CO₂气体作为保护气体。