CN101439405A - 镁基复合材料和镁基复合材料零件的成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁基复合材料或镁基复合材料零件的半固态成形方法，在保护气体的氛围下，通过搅拌将镁合金粉末与增强相粉末混合均匀，得到混合粉末。将混合粉末加入到具有规则内腔的冷压器具中进行冷压，得到与冷压器具的内腔形状相对应的复合材料的坯体。将复合材料的坯体放入加热装置中进行加热而成为半固态的固液混合物。将固液混合物注射填充到模具的型腔内，得到相应形状的镁基复合材料或镁基复合材料的零件。本发明的方法有效避免了氧化和其他污染，安全性高，并且工艺过程简单，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法，具体涉及一种镁基复合材料和镁基复合材料零件的制备方法。
背景技术
镁合金由纯镁加入合金元素制成，镁合金中常用的合金元素有铝、锌、锰、锆及稀土元素等。镁合金具有比重小、比强度高的特殊优异性能。但作为结构材料，其硬度、刚度和耐磨性不够理想，使其应用受到一定的限制。而通过在镁合金中添加硬质颗粒则可制备出非连续增强的镁基复合材料，在这种复合材料中，镁合金为基体，硬质颗粒为增强体(也称增强相或第二相)，镁基复合材料的硬度、刚度以及耐磨性等性能均有显著的提高，并且镁基复合材料的强度和弹性模量也有一定的提高。
镁基复合材料是金属基复合材料的一种。金属基复合材料的成形方法通常可以简单地分为三种。第一种是液相成形法，又称铸造法，采用该方法制备金属基复合材料时容易产生增强相偏聚、基体与增强相之间发生有害的界面反应、组织粗大、成分不均匀、易吸入气体和杂质等缺点，而且增强相体积分数较低，这些缺点导致材料的力学性能降低。
第二种是固相成形法，又称粉末冶金法，采用该方法能较好地避免铸造法中的一些缺陷，如体积分数可控，组织细小、成分均匀等，但粉末冶金工艺过程复杂，容易污染，材料尺寸小，生产周期长，生产效率低，这些使其广泛应用受到一定的限制。例如中国专利文献CN100376703C公开了一种镁合金复合材料及其制备方法，该方法将碳化物或氧化物的纳米颗粒和镁合金粉末混合均匀，再经过热压烧结和热挤压的工艺，得到颗粒增强镁合金复合材料。该制备方法需要在真空的环境下进行烧结，进行热挤压时要求压制压力高，条件苛刻，过程复杂，使得制备的复合材料的尺寸受到限制。
第三种是喷射共沉积法，采用喷射沉积法制备镁基复合材料时工艺复杂、设备要求高，投入大，成本高。
金属熔体在铸造凝固过程中需要有良好的流动性以确保充型，然而流动性与熔体中初生相的形态、尺寸和体积分数有关，于是人们开发出了半固态成形技术。利用半固态成形技术可以生产出高性能合金零部件。对于块状金属来说，半固态成形是在块状金属熔化后的凝固过程中，对金属熔体施加强烈搅拌而形成一种含有固相颗粒的固液混合浆料后所进行的成形。如果将合金半固态成形与塑料注射成形相结合，则构成通常所说的注射成形。
中国专利文献CN1817512A公开了一种镁合金半固态注射成形方法和装置，其方法是在通入保护气体下对金属粉末进行混合，将金属粉末定量送入金属套筒中，采用螺旋输送杆对金属套筒中的金属粉末施以剪切力，通过温度调整，将金属粉末转变为固液混合状态的浆料，最后利用注射机将半固态的浆料射出至一模具内成形而形成半固态注射成形产品。这种方法所得到的产品为镁合金产品，而不属于金属基复合材料产品。再有，采用对金属粉末进行直接加热的方式，这样容易在加热过程中导致粉末氧化，从而影响材料的性能。另外镁合金粉末的活性很高，这样还会有爆炸的危险。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提供一种工艺过程简单、成本低的镁基复合材料和镁基复合材料零件的成形方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种镁基复合材料或镁基复合材料零件的半固态成形方法，具有以下步骤：①在保护气体的氛围下，通过搅拌将镁合金粉末与增强相粉末混合均匀，得到混合粉末。②将步骤①得到的混合粉末加入到具有规则内腔的冷压器具中进行冷压，得到与冷压器具的内腔形状相对应的复合材料的坯体。③将步骤②得到的复合材料的坯体放入加热装置中进行加热而成为半固态的固液混合物。④将步骤③得到的固液混合物注射填充到模具的型腔内，得到相应形状的镁基复合材料或镁基复合材料的零件。
上述步骤①中所述的增强相粉末的化学成分为SiC、TiC或者Al2O3。增强相粉末是由相应成分的块状或颗粒状增强相物质通过机械球磨后过筛得到，粉末粒子的平均粒径为10μm～80μm。
上述步骤①中所述的镁合金粉末的成分为MgaMb；其中a、b为重量份数，a+b＝100，75≤a≤95，5≤b≤25；M为Al和Zn两种金属元素的组合，或者是Mn、Si和Cu三种元素的组合。镁合金粉末是由所述块状或颗粒状镁合金通过机械球磨后过筛得到，粉末粒子的平均粒径为20μm～100μm。
上述步骤②中冷压压力为280MPa～320Mpa。冷压时保压时间为5min～20min。冷压时的环境温度为0℃～50℃。
上述步骤③中对坯体进行加热使其成为半固态的固液混合物时，其温度为300℃～650℃，保温10min～30min。
上述步骤④中的注射压力为180MPa～220MPa。
本发明具有的积极效果：(1)本发明所采用的成形方法中，在原料成为半固态之前，先用冷压压制的方式制备复合材料的坯体，这样可以大幅度降低金属粉末中气体的存在，有效避免在半固态加热过程中材料的氧化和其他污染，安全性高，从而在半固态成形时，使增强相粒子的组织细小、成分均匀，增强相粒子与镁合金粉末粒子之间结合紧密，使所得到的镁基复合材料具有优良的综合性能。(2)本发明在对金属粉末加热使其成为半固态以及保温的过程中，不需要半固态成形常用的具有较大剪切力的机械搅拌装置以及电磁搅拌装置等复杂设备，使得工艺过程大大简化、成本较低。(3)本发明的方法中，复合材料的坯体在半固态加热保温一定时间后直接进行注射成形，不需要粉末冶金方法中粉末烧结的工序，提高了效率，降低了成本，而且避免了在较高温度下的长时间加热，减少了氧化和其他污染的可能。同时由于半固态成形时温度较低，避免了镁合金基体与增强相粒子之间的反应，界面无污染。(4)本发明的方法是金属基复合材料领域中的一次创新，所得到的成形的成品，根据第二模具的型腔形状的不同，可以得到各种形状的镁基复合材料的零件，也可以制成镁基复合材料的棒材、板材等，以适用于不同的需求。
具体实施方式
(实施例1)
本实施例的镁基复合材料的半固态成形方法的步骤如下：
①将1.8kg的AZ91镁合金粉末与0.2kg的SiC粉末经混料器搅拌混合均匀，搅拌时充入惰性气体Ar进行保护。
AZ91镁合金粉末是由块状或颗粒状的AZ91镁合金通过机械球磨成粉末并过200目筛，得到平均粒径为60μm的合金粉末。AZ91镁合金的成分为8.5～9.5％Al，0.45～0.9％Zn，0.15～0.3％Mn，0.20％Si，0.01％Ni。其余为Mg。AZ91镁合金也符合通式MgaMb，AZ91镁合金中，由于其它元素M中Al和Zn为主要成分，所以，AZ91镁合金中的M为Al和Zn两种金属的组合。
SiC粉末是由块状或颗粒状的SiC通过机械球磨后过400目筛，得到平均粒径约为30μm的粉末粒子。
②将步骤①得到的混合均匀的粉末加入到具有规则内腔的冷压器具中，在25℃的温度下进行冷压压制，冷压压力为300MPa，保压时间为5min，得到与冷压器具的内腔形状相对应的复合材料的坯体。
③将步骤②得到的复合材料的坯体放入加热装置中加热到半固态温度400℃，保温10min后得到固液混合物。
④将步骤③得到的固液混合物在200MPa的压力下注射填充到模具的型腔内，保持压力为50MPa，保压时间为20min，脱模取出即可得到相应形状的镁基复合材料。本发明的镁合金材料除了上述实施例中所采用的AZ91镁合金(属于Al、Zn两种金属组合)以外，还包括其他符合MgaMb的镁合金，例如，还可以是Mn、Si、Cu三种金属的组合。
(实施例2～实施例6)
各实施例的镁基复合材料的半固态成形方法与实施例1基本相同，不同之处见表1。
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | |
| 镁合金成分 | AZ91 | AZ91 | AZ91 | AZ91 | AZ91 | AZ91 |
| 镁合金粉末平均粒径/μm | 60 | 50 | 30 | 100 | 80 | 20 |
| 增强相 | SiC | SiC | Al2O3 | Al2O3 | TiC | TiC |
| 增强相颗粒所占质量分数/％ | 10 | 20 | 10 | 25 | 5 | 15 |
| 增强相颗粒平均粒径/μm | 30 | 40 | 10 | 80 | 60 | 20 |
| 冷压压力/MPa | 300 | 300 | 280 | 320 | 300 | 310 |
| 冷压温度/℃ | 25 | 20 | 20 | 15 | 0 | 50 |
| 保压时间/min | 5 | 10 | 5 | 10 | 20 | 15 |
| 半固态温度/℃ | 400 | 450 | 420 | 480 | 300 | 650 |
| 保温时间/min | 10 | 30 | 20 | 25 | 20 | 15 |
| 注射压力/MPa | 200 | 200 | 180 | 220 | 190 | 210 |
| 屈服强度/MPa | 246 | 264 | 237 | 249 | 251 | 255 |
| 拉伸强度/MPa | 286 | 314 | 277 | 289 | 298 | 288 |
| 延伸率/％ | 5.5 | 5.1 | 5.4 | 4.4 | 4.9 | 5.4 |
| 弹性模量/GPa | 73 | 82 | 70 | 78 | 81 | 76 |
Claims (10)
1、一种镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：采用半固态的成形方法，具有以下步骤：
①在保护气体的氛围下，通过搅拌将镁合金粉末与增强相粉末混合均匀，得到混合粉末；
②将步骤①得到的混合粉末加入到具有规则内腔的冷压器具中进行冷压，得到与冷压器具的内腔形状相对应的复合材料的坯体；
③将步骤②得到的复合材料的坯体放入加热装置中进行加热而成为半固态的固液混合物；
④将步骤③得到的固液混合物注射填充到模具的型腔内，得到相应形状的镁基复合材料或镁基复合材料的零件。
2、根据权利要求1所述的镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：步骤①中所述的增强相粉末的化学成分为SiC、TiC或者Al2O3。
3、根据权利要求2所述的镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：步骤①中所述的增强相粉末是由相应成分的块状或颗粒状增强相物质通过机械球磨后过筛得到，粉末粒子的平均粒径为10μm～80μm。
4、根据权利要求1所述的镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：步骤①中所述的镁合金粉末的成分为MgaMb；其中a、b为重量份数，a+b＝100，75≤a≤95，5≤b≤25；M为Al和Zn两种金属元素的组合，或者是Mn、Si和Cu三种元素的组合。
5、根据权利要求4所述的镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：步骤①中所述的镁合金粉末是由所述块状或颗粒状镁合金通过机械球磨后过筛得到，粉末粒子的平均粒径为20μm～100μm。
6、根据权利要求1至5之一所述的镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：步骤②中冷压压力为280MPa～320Mpa。
7、根据权利要求6所述的镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：步骤②中，冷压时保压时间为5min～20min。
8、根据权利要求6所述的镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：步骤②中，冷压时的环境温度为0℃～50℃。
9、根据权利要求1至5之一所述的镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：步骤③中对坯体进行加热使其成为半固态的固液混合物时，其温度为300℃～650℃，保温10min～30min。
10、根据权利要求1至5之一所述的镁基复合材料或镁基复合材料零件的成形方法，其特征在于：步骤④中的注射压力为180MPa～220MPa。
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