CN101736215B - 一种Mg/SiCp复合材料的制备方法 - Google Patents

一种Mg/SiCp复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于材料制备技术领域的一种Mg/SiCp复合材料的制备方法。将高纯镁加热到720～740℃，成熔融状态，将SiCp颗粒加入到熔融状态的高纯镁熔体中，在SF6和CO2混合气体的保护下，保温并搅拌，使SiCp颗粒均匀分布在石墨坩埚内，搅拌均匀后，在镁熔体中自左向右施加电流，并自前向后施加一个外加磁场，镁熔体流到内附滑石粉涂层的铁质模具内，凝固成形，得到Mg/SiCp复合材料。利用本发明提供的方法可以成功制备出粒度分布均匀、组织致密的Mg/SiCp复合材料，制备方法简易可行。

Description

一种Mg/SiCp复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种Mg/SiCp复合材料的制备方法。
背景技术
镁合金具有高的比强度、比刚度及可循环利用的优势，其密度约为铝的64％，钢的23％，被列为“二十一世纪绿色工程材料”。目前因镁合金强度较低，离工业应用存在一定的差距，导致80％的原镁为非结构性用途。开发高强、高韧的工业应用镁合金对减轻世界范围内的能源危机与日趋严重的环境压力具有重要意义。
目前，镁合金轻质结构材料已在汽车制造、数码通讯领域中得到一定程度的应用。一些汽车生产商纷纷在汽车中尽量采用轻质、可循环的镁合金材料，减少汽车整车重量，以满足新的汽车尾气排放物“欧V”限制标准。
然而，当前镁合金存在强度、弹性模量低、耐磨性差等问题，限制了其在工业领域内的进一步应用。目前镁合金仍无法用来制造一些关键的汽车零部件，如汽车气缸套、刹车盘和发动机活塞等。一般镁合金的抗拉强度(如AZ91等)为100～300MPa之间，屈服强度最高不超过200MPa；经变形强化后抗拉强度最高可达450MPa，屈服强度最高可达300MPa，不及钢铁材料的1/2，铝合金的2/3。尤其是镁合金的刚度只有45GPa左右，分别为碳钢的22.5％，铝合金的63％左右。
采用SiCp颗粒增强的镁基复合材料的强度、刚度和耐磨性可明显提高，Mg/SiCp复合材料较Al/SiCp复合材料更具优势，两者的力学性能相近，但在相同的结构阻力下，Mg/SiCp复合材料较Al/SiCp复合材料重量减轻1/4左右；同时相较Al熔体而言，Mg液与SiCp颗粒有着更好的润湿性和界面性质。当Mg/SiCp复合材料中SiCp颗粒的体积分数超过45％时，其杨氏模量可达100GPa以上，屈服强度可提高100％，抗拉强度可提高60％。
由于镁熔体在高温下化学性质非常活泼，且陶瓷相SiCp颗粒与镁合金熔体密度相差一倍左右，为SiCp增强镁基复合材料制备带来了困难。目前，国内外采用的传统的Mg/SiCp复合材料制备方法主要有搅拌法、压铸法和粉末冶金等方法。搅拌法与压铸法不失为镁基复合材料生产效率较高的方法，但这两种方法均无法控制其中SiCp增强体的均匀分布程度。采用凝固过程中搅拌来制备Mg(AZ91)/Si Cp复合材料，主要存在以下几个主要问题：(1)由于强烈搅拌可将结晶潜热迅速带走，且液-固界面溶质原子集中区被消除，比较有利于形核/长大竞争中长大趋势，这样可导致SiCp颗粒被集中在枝晶间；(2)采用强烈搅拌可将气体卷入到镁熔体中，容易在颗粒与熔体界面形成气膜现象，导致颗粒与镁基体结合强度较弱。针对在凝固过程强烈搅拌所导致的SiCp颗粒与镁熔体界面气膜问题，国外又发明了镁基复合材料的真空搅拌技术，可避免SiCp颗粒与镁基体界面结合问题。但该技术由于工艺、设备较复杂而无法面对工业化大生产。采用压铸法生产镁基复合材料除了较难控制SiCp增强体的分布均匀性外，还存在SiCp增强体颗粒在高温高压下受到热冲击，容易受到破坏，且镁液的注射速度过大容易卷进气体，在随后的凝固过程中SiCp颗粒与镁基体之间容易产生气膜。采用粉末冶金法来制备Mg/SiCp复合材料虽然比较容易地控制SiCp增强体颗粒的均匀性，但存在组织致密性问题和SiCp增强体与Mg基体之间的结合强度问题，同时该工艺比较复杂，不适宜大规模的工业生产。一些新型的镁基复合材料的制备如循环往复挤压法、浸渗法、喷雾乘积法和原位形核法距工业应用存在较大的距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种Mg/SiCp复合材料的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤，
(1)将高纯镁加热到720～740℃，成熔融状态，将粒度为15～20μm的SiCp颗粒加入到熔融状态的高纯镁熔体中；
(2)在SF6和CO2混合气体的保护下，保温15～20min，并搅拌，使SiCp颗粒均匀分布在石墨坩埚内；
(3)搅拌均匀后，在镁熔体中自左向右施加电流密度J为0.8～1.2×106A/m2电流，并自前向后施加一个磁感应强度B为0.028～0.032T的外加磁场，磁场作用时间为10～15min；
(4)镁熔体流到内附滑石粉涂层的铁质模具内，凝固成形，得到Mg/SiCp复合材料。
本发明的有益效果为：本发明利用镁熔体与SiCp颗粒在电导率上的差异(镁熔体电导率约为SiCp的2.74×106倍)，在Mg/SiCp复合材料制备过程中施加稳恒电磁场使镁熔体中SiCp颗粒受到朝上电磁力挤压力的作用，以减轻或消除重力场对SiCp颗粒的影响，模拟失重状态，以改善现有镁基复合材料中SiCp颗粒分布的均匀性及其与基体界面相容性。利用本发明提供的方法可以成功制备出粒度分布均匀、组织致密的Mg/SiCp复合材料，制备方法简易可行。
具体实施方式
本发明针对传统镁基复合材料制备过程中存在的效率低、SiCp颗粒分布均匀性差，容易卷进气体等问题，提出铸造镁基复合材料的电磁场制备方法。
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
一种Mg/SiCp复合材料的制备方法，该方法采用以下步骤，
(1)将1.2L高纯镁加热到720℃，成熔融状态，将0.24L粒度为15～20μm的SiCp颗粒(体积为镁熔体的20％)加入到熔融状态的高纯镁熔体中；
(2)在SF6和CO2混合气体的保护下，保温15min并搅拌，使SiCp颗粒均匀分布在石墨坩埚内；
(3)搅拌均匀后，在镁熔体中自左向右施加电流密度J为0.8×106A/m2电流，并自前向后施加一个磁感应强度B为0.028T的外加磁场，磁场作用时间为12min；
(4)镁熔体流到内附滑石粉涂层的铁质模具内，凝固成形，得到Mg/SiCp复合材料。
金相观察与SEM分析表明其中的SiCp颗粒分布均匀，且与镁基体界面结合情况良好，SiCp颗粒在基体中的含量为12～16％(体积比)。力学性能测试表明：该复合材料的屈服强度为197.2MPa，抗拉强度为386.5MPa，弹性模量为65.2GPa，伸长率为2.4％。其中SiCp颗粒的体积分数较普通搅拌方法提高36％，分布均匀性提高70％，屈服强度提高27％，抗拉强度提高21％。
实施例2
一种Mg/SiCp复合材料的制备方法，该方法采用以下步骤，
(1)将1.2L高纯镁加热到720℃，成熔融状态，将0.24L粒度为15～20μm的SiCp颗粒(体积为镁熔体的20％)颗粒加入到熔融状态的高纯镁熔体中；
(2)在SF6和CO2混合气体的保护下，保温15min，并搅拌，使SiCp颗粒均匀分布在石墨坩埚内；
(3)搅拌均匀后，在镁熔体中自左向右施加电流密度J为0.8×106A/m2电流，并自前向后施加一个磁感应强度B为0.032T的外加磁场，磁场作用时间为12min；
(4)镁熔体流到内附滑石粉涂层的铁质模具内，凝固成形，得到Mg/SiCp复合材料。
金相观察与SEM分析表明其中的SiCp颗粒分布均匀，且与镁基体界面结合情况良好，SiCp颗粒在基体中的含量为14～18％(体积比)。力学性能测试表明：该复合材料的屈服强度为206.3MPa，抗拉强度为410.2MPa，弹性模量为72.4GPa，伸长率为1.8％。其中SiCp颗粒的体积分数较普通搅拌方法提高42％，分布均匀性提高72％，屈服强度提高31.7％，抗拉强度提高25％。
实施例3
一种Mg/SiCp复合材料的制备方法，该方法采用以下步骤，
(1)将1.2L高纯镁加热到740℃，成熔融状态，将0.24L粒度为15～20μm的SiCp颗粒(体积为镁熔体的20％)加入到熔融状态的高纯镁熔体中；
(2)在SF6和CO2混合气体的保护下，保温15min，并搅拌，使SiCp颗粒均匀分布在石墨坩埚内；
(3)搅拌均匀后，在镁熔体中自左向右施加电流密度J为1.2×106A/m2电流，并自前向后施加一个磁感应强度B为0.028T的外加磁场，磁场作用时间为12min；
(4)镁熔体流到内附滑石粉涂层的铁质模具内，凝固成形，得到Mg/SiCp复合材料。
金相观察与SEM分析表明其中的SiCp颗粒分布均匀，且与镁基体界面结合情况良好，SiCp颗粒在基体中的含量为15.8～18.4％(体积比)。力学性能测试表明：该复合材料的屈服强度为211.5MPa，抗拉强度为423.6MPa，弹性模量为75.6GPa，伸长率为1.7％。其中SiCp颗粒的体积分数较普通搅拌方法提高43.7％，分布均匀性提高73.1％，屈服强度提高31.9％，抗拉强度提高28％。
实施例4
一种Mg/SiCp复合材料的制备方法，该方法采用以下步骤，
(1)将1.2L高纯镁加热到740℃，成熔融状态，将0.24L粒度为15～20μm的SiCp颗粒(体积为镁熔体的20％)加入到熔融状态的高纯镁熔体中；
(2)在SF6和CO2混合气体的保护下，保温15min，并搅拌，使SiCp颗粒均匀分布在石墨坩埚内；
(3)搅拌均匀后，在镁熔体中自左向右施加电流密度J为1.2×106A/m2电流，并自前向后施加一个磁感应强度B为0.032T的外加磁场，磁场作用时间为12min；
(4)镁熔体流到内附滑石粉涂层的铁质模具内，凝固成形，得到Mg/SiCp复合材料。
金相观察与SEM分析表明其中的SiCp颗粒分布均匀，且与镁基体界面结合情况良好，SiCp颗粒在基体中的含量为17.2～18.8％(体积比)。力学性能测试表明：该复合材料的屈服强度为216.1MPa，抗拉强度为425.6MPa，弹性模量为76.8GPa，伸长率为0.9％。其中SiCp颗粒的体积分数较普通搅拌方法提高44.5％，分布均匀性提高73.7％，屈服强度提高34.5％，抗拉强度提高29％。

Claims (1)

1.一种Mg/SiCp复合材料的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤，
(1)将高纯镁加热到720～740℃，成熔融状态，将粒度为15～20μm的SiCp颗粒加入到熔融状态的高纯镁熔体中；
(2)在SF6和CO2混合气体的保护下，保温15～20min，并搅拌，使SiCp颗粒均匀分布在石墨坩埚内；
(3)搅拌均匀后，施加稳恒电磁场使镁熔体中SiCp颗粒受到朝上电磁力挤压力的作用：在镁熔体中自右向左施加电流密度J为0.8～1.2×l06A/m2电流，并自前向后施加一个磁感应强度B为0.028～0.032T的外加磁场，磁场作用时间为10～15min；
(4)镁熔体流到内附滑石粉涂层的铁质模具内，凝固成形，得到Mg/SiCp复合材料。
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