CN102658703B - 一种碳纤维增强镁基复合板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维增强镁基复合板的制备方法,是针对镁合金板强度低、耐磨性差的实际情况,在两镁合金板之间加填碳纤维布、镁锌铝共晶合金粉,在加热360℃、压强5MPa,振动频率3000次/min下,压制成碳纤维增强镁基复合层状板,然后在辊轧机进行轧制,制成碳纤维增强镁基复合板,复合板为5层结构,镁锌铝共晶合金粉浸润碳纤维布,与镁合金板形成浆料结合,复合板界面抗拉强度达20MPa,金相组织结构更加致密,此制备方法工艺先进合理,量值数据详实准确,利于工业化生产,是十分理想的制备碳纤维增强镁基复合板的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维增强镁基复合板的制备方法,属有色金属复合材料制备及应用的技术领域。
背景技术
镁及镁合金是当今世界应用和发展最快的有色金属材料,镁合金具有高比强度、高比刚度、高弹性模量及优良的抗震减噪性和良好的铸造性,但也存在强度低、塑性差、耐腐蚀性差及易燃等缺陷,也极大的影响了镁及镁合金的应用。
金属基复合材料是一种新型的材料,既具备金属的特性,又可提高材料的力学性能,例如较高的硬度、强度、韧性、耐高温及导电导热性能,目前,最常用的金属基复合材料是铝、镁轻金属复合材料。
碳纤维是由碳元素组成的特种纤维,具有重量轻、纤度好、抗拉强度高等特点,同时还具有耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等特性,可与金属材料结合,制成金属基复合材料。
目前,对于碳纤维增强金属基复合材料的制备,主要存在碳纤维与金属润湿性差、易反应生成脆性化合物、损伤碳纤维等问题,常采用对纤维表面处理和涂覆,或者是通过压力铸造来实现。
发明内容
发明目的
本发明目的是针对背景技术的状况,采用镁合金板与碳纤维、镁锌铝共晶合金粉结合制成镁基多层复合板,以大幅度提高镁基复合板的强度、刚度,并扩大镁基复合板的使用范围。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为:镁合金板、碳纤维布、镁块、铝块、锌块、去离子水、丙酮、氩气、砂纸,其组合准备用量如下:以毫米、克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下:
(1)精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选,并进行质量纯度控制;
镁合金板:固态固体
碳纤维布:固态固体 含碳量≥95%
镁块:固态固体 99.0%
铝块:固态固体 99.0%
锌块:固态固体 99.0%
去离子水:液态液体 99.9%
丙酮:液态液体 99.9%
氩气:气态气体 99.99%
砂纸:固态固体
(2)制备镁锌铝共晶合金粉
制备镁锌铝共晶合金粉是在感应熔炼炉中进行的;
①将镁块15.40g±0.01g、锌块17.43g±0.01g、铝块0.35g±0.01g置于感应熔炼炉内的坩埚中;
②抽取炉内空气,使炉内气压≤1Pa,然后输入氩气,氩气输入速度为80c m3/min,使炉内压强保持在1个大气压;
③开启感应熔炼炉加热器,使炉内温度升温至360℃±2℃,在此温度恒温、保温、熔炼5min±1min,然后停止加热,使其随炉冷却至25℃,然后取出镁锌铝共晶合金锭;
④将镁锌铝共晶合金锭机械切割成镁锌铝共晶合金块;
⑤将镁锌铝共晶合金块置于粉碎机内粉碎,然后用140目筛网过筛,粉碎、过筛反复进行,成镁锌铝共晶合金粉,粉体颗粒直径≤0.109mm;
(3)制备通槽开合式模具
通槽开合式模具呈矩形筒状,模具型腔尺寸为50mm×50mm×500mm,用不锈钢材料制作,型腔表面粗糙度为Ra0.16-0.32μm;
(4)处理碳纤维布
①将2块碳纤维布放入真空热处理炉中,先抽取炉内空气,使炉内气压≤1Pa,然后输入氩气,氩气输入速度为80cm3/min,使炉内压强保持在1个大气压,然后加热至600℃±5℃,恒温保温30min±1min,然后停止加热,随炉冷却至25℃取出;
②将热处理后的碳纤维布置于烧杯中,用200ml丙酮清洗,清洗后晾干;
(5)压制碳纤维增强镁基复合层板
制备碳纤维增强镁基复合层板是在加热振动压力机上进行的,是在通槽开合式模具内,在加热、振动、压力状态下完成的;
①将通槽开合式模具垂直安装在压力机的振动工作台上;
②将下电阻加热器垂直安装在通槽开合式模具底部,平面部向上,并接通加热电源;
③在下电阻加热器的平面上置放镁合金板,在镁合金板上用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0.35g±0.01g,厚度0.2mm±0.05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部平整铺设1块碳纤维布,在碳纤维布上部用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0.35g±0.01g,厚度0.2mm±0.05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部置放镁合金板,然后再用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0.35g±0.01g,厚度0.2mm±0.05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部平整铺设1块碳纤维布,在碳纤维布上部用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0.35g±0.01g,厚度0.2mm±0.05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部置放镁合金板,在镁合金板上部垂直置放上电阻加热器,并接通加热电源,平面部压在镁合金板上,在上电阻加热器上部置放上压块,在上压块上由压力机压头压住,压头连接压力电机;
④开启上下电阻加热器,加热温度均为360℃±5℃;
⑤开启压力电机,使压力电机压强逐渐增至5MPa;
⑥开启振动工作台,振动频率为3000次/min,加热、加压、振动时间为30min±2min;
⑦在加热、加压、振动过程中,各层间的空气排出,镁锌铝共晶合金粉熔化、粘合,成层状结构;
⑧关闭上、下电阻加热器,关闭压力电机,振动工作台停止振动,使层状复合板趁热立即转入轧制;
⑨打开通槽开合式模具,拉升上电阻加热器,取出层状复合板,即镁基复合层板;
(6)轧制碳纤维增强镁基复合层板
碳纤维增强镁基复合层板的轧制是在辊轧机上进行的,是在上、下轧辊相向转动下完成的;
①将镁基复合层板置于上轧辊和下轧辊之间,正面送料、反面出料,调整好轧制变形尺寸,调整好上轧辊和下轧辊的转动方向和速度,上轧辊转动方向为顺时针,下轧辊转动方向为逆时针;
②开启上轧辊、下轧辊,使其同步转动,镁合金复合层板由正面送进,反面轧出,轧制速度为100mm/s,轧制道次为1道次,轧制后为:碳纤维增强镁基复合板;
(7)低温回火处理
将碳纤维增强镁基复合板置于热处理炉中,进行低温回火处理,回火温度150℃±5℃,回火时间120min±5min;回火后,停止加热,使其随炉冷却至25℃;
(8)修正切边,表面处理
①将低温回火处理的碳纤维增强镁基复合板置于平板上,用机械切边,成方形;
②用砂纸打磨复合板表面及周边,使表面光洁;
(9)检测、化验、分析、表征
对制备的碳纤维增强镁基复合板的形貌、色泽、化学成分、金相组织、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征;
用金相显微镜和扫描电子显微镜及X射线能谱仪进行显微组织观察和化学成分分析;
用X射线衍射仪进行层间物相分析;
用电子万能试验机进行结合强度测试;
结论:碳纤维增强镁基复合板为5层结构,即:镁合金板层+碳纤维层+镁合金板层+碳纤维层+镁合金板层,镁锌铝共晶合金粉在加热、振动、加压过程中浸润碳纤维层;碳纤维增强镁合金复合板界面抗拉强度为20MPa;
(10)包装储存
对制备的碳纤维增强镁基复合板用软质材料包装,储存于干燥、洁净环境,要防潮、防氧化、防酸碱盐侵蚀,储存温度20℃±2℃,相对湿度≤10%。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性,是针对镁合金板强度低、耐磨性差的实际情况,在加热和振动的压力机上进行压制,然后在辊轧机上进行轧制,在镁合金板中间加填碳纤维布、镁锌铝共晶合金粉,在加热360℃±5℃、压强5MPa,振动频率3000次/min下热压,然后轧制成碳纤维增强镁基复合板,成5层结构,镁锌铝共晶合金粉浸润碳纤维布,与镁合金板形成浆料结合,复合板界面抗拉强度为20MPa,组织结构更加致密,镁锌铝共晶合金粉为熔合剂,加热状态下形成共晶液,在振动、热压、轧制下,共晶液与镁合金板粘接结合,本工艺方法先进合理,利于工业化生产,是十分理想的制备碳纤维增强镁基复合板的方法。
附图说明
图1为碳纤维增强镁基复合层板压制状态图
图2为碳纤维增强镁基复合板轧制成型状态图
图3为碳纤维增强镁基复合板横截面显微组织形貌图
图4为碳纤维增强镁基复合板界面断口X射线衍射图谱
图中所示、附图标记清单如下:
1、压力机,2、底座,3、顶座,4、压力电机,5、升降手柄,6、压头,7、左立柱,8、右立柱,9、振动工作台,10、上压块,11、通槽开合式模具,12、开合架,13、下电阻加热器,14、上电阻加热器,15、第一共晶合金粉层,16、第二共晶合金粉层,17、第一镁合金板,18、第二镁合金板,19、第一碳纤维布,20、电控箱,21、显示屏,22、指示灯,23、电源开关,24、压力电机开关,25、上电阻加热调控器,26、下电阻加热调控器,27、振动工作台调控器,28、导线,29、上轧辊转数调控器,30、下轧辊转数调控器,31、上轧辊,32、下轧辊,33、上连轴器,34、下连轴器,35、上变频电机,36、下变频电机,37、电机座,38、导线,39、镁基复合板,40、上下轧辊距离调控器,41、调整手柄,42、辊轧机,43、左立梁,44、右立梁,45、机顶座,46、显示屏,47、指示灯,48、电源开关,49、第二碳纤维布,50、第三镁合金板,51、第三共晶合金粉层,52、第四共晶合金粉层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明:
图1所示,为碳纤维增强镁基复合层板压制状态图,各部位置、联接关系要正确,安装牢固,按量配制,按序操作。
制备使用的化学物质的量值,是按预先设置的范围确定的,以克、毫升、毫米、厘米3为计量单位。
制备碳纤维增强镁基复合层板是在压力机上,在加热、振动、加压状态下进行的,压力机1为立式,下部为底座2,左右部垂直设置左立柱7、右立柱8,在左右立柱7、8上部为顶座3,在顶座3上部设有压力电机4;在底座2上部设置振动工作台9,在振动工作台9上垂直安装通槽开合式模具11,并由4个开合架12调整固定;在通槽开合式模具11的内底部安装下电阻加热器13,在下电阻加热器13上部的平面上置放第一镁合金板17,在第一镁合金板17上部均匀喷涂第一共晶合金粉层15,在第一共晶合金粉层15上部平整置放第一碳纤维布19,在第一碳纤维布19上部均匀喷涂第二共晶合金粉层16,在第二共晶合金粉层16上部置放第二镁合金板18,在第二镁合金板18上部均匀喷涂第三共晶合金粉层51,在第三共晶合金粉层51上部平整置放第二碳纤维布49,在第二碳纤维布49上部均匀喷涂第四共晶合金粉层52,在第四共晶合金粉层52上部置放第三镁合金板50,在第三镁合金板50上部垂直安装上电阻加热器14,在上电阻加热器14上垂直置放上压块10,上压块10上部由压头6压住,压头6联接上部的压力电机4,压头6的上下调整距离由侧部的升降手柄5调整;在压力机1的左侧部设有电控箱20,在电控箱20上设有显示屏21、指示灯22、电源开关23、电机开关24、上电阻加热调控器25、下电阻加热调控器26、振动工作台调控器27,电控箱20与压力电机4、振动工作台9、下电阻加热器13、上电阻加热器14通过导线28联接。
图2所示,为碳纤维增强镁基复合板轧制成型状态图,碳纤维镁基复合板的轧制是在辊轧机上进行的,辊轧机为立式,辊轧机42的下部为控制台,在控制台的上部分左右设立左立梁43、右立梁44,上部与机顶座45联接,在左立梁43、右立梁44之间设有上轧辊31、下轧辊32,上轧辊31右部联接上连轴器33、上变频电机35,下轧辊32右部联接下连轴器34、下变频电机36,上、下变频电机35、36均安装在电机座37上;在左立梁43上设有调整手柄41;在上轧辊31、下轧辊32之间置放镁基复合板39;在辊轧机42上的控制台上设有显示屏46、指示灯47、电源开关48、上辊轧转数调控器29、下轧辊转数调控器30、上下距离调控器40,控制台与上、下变频电机35、36通过导线38联接。
图3所示,为碳纤维增强镁基复合板横截面显微组织形貌图,图中可见:整个截面分为5层,包括3层镁合金板层和2层碳纤维层,碳纤维层位于镁合金板层之间,其中碳纤维层为80μm,呈经纬交叉状,碳纤维与镁合金呈现良好的润湿结合,同时在碳纤维层中仍残留一些扩散不充分的共晶及近共晶合金组织;碳纤维增强镁基复合板中碳纤维布可以为2层,也可以为多层,视需要确定;镁合金板、碳纤维布的尺寸可增大可缩小,视需要确定。
图4所示,为碳纤维增强镁基复合板层界面断口X射线衍射图谱,由图中分析可知界面断口处主要为α-Mg相、MgZn相和C,图中无含Al相的衍射峰出现,表明Al已固溶进α-Mg相中。
Claims (3)
1.一种碳纤维增强镁基复合板的制备方法,其特征在于:本发明使用的化学物质材料为:镁合金板、碳纤维布、镁块、铝块、锌块、去离子水、丙酮、氩气、砂纸,其组合准备用量如下:以毫米、克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下:
(1)精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选,并进行质量纯度控制;
镁合金板:固态固体
碳纤维布:固态固体 含碳量≥95%
镁块:固态固体 99.0%
铝块:固态固体 99.0%
锌块:固态固体 99.0%
去离子水:液态液体 99.9%
丙酮:液态液体 99.9%
氩气:气态气体 99.99%
砂纸:固态固体
(2)制备镁锌铝共晶合金粉
制备镁锌铝共晶合金粉是在感应熔炼炉中进行的;
①将镁块15.40g±0.01g、锌块17.43g±0.01g、铝块0.35g±0.01g置于感应熔炼炉内的坩埚中;
②抽取炉内空气,使炉内气压≤1Pa,然后输入氩气,氩气输入速度为80c m3/min,使炉内压强保持在1个大气压;
③开启感应熔炼炉加热器,使炉内温度升温至360℃±2℃,在此温度恒温、保温、熔炼5min±1min,然后停止加热,使其随炉冷却至25℃,然后取出镁锌铝共晶合金锭;
④将镁锌铝共晶合金锭机械切割成镁锌铝共晶合金块;
⑤将镁锌铝共晶合金块置于粉碎机内粉碎,然后用140目筛网过筛,粉碎、过筛反复进行,成镁锌铝共晶合金粉,粉体颗粒直径≤0.109mm;
(3)制备通槽开合式模具
通槽开合式模具呈矩形筒状,模具型腔尺寸为50mm×50mm×500mm,用不锈钢材料制作,型腔表面粗糙度为Ra0.16-0.32μm;
(4)处理碳纤维布
①将2块碳纤维布放入真空热处理炉中,先抽取炉内空气,使炉内气压≤1Pa,然后输入氩气,氩气输入速度为80cm3/min,使炉内压强保持在1个大气压,然后加热至600℃±5℃,恒温保温30min±1min,然后停止加热,随炉冷却至25℃取出;
②将热处理后的碳纤维布置于烧杯中,用200ml丙酮清洗,清洗后晾干;
(5)压制碳纤维增强镁基复合层板
制备碳纤维增强镁基复合层板是在加热振动压力机上进行的,是在通槽开合式模具内,在加热、振动、压力状态下完成的;
①将通槽开合式模具垂直安装在压力机的振动工作台上;
②将下电阻加热器垂直安装在通槽开合式模具底部,平面部向上,并接通加热电源;
③在下电阻加热器的平面上置放镁合金板,在镁合金板上用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0.35g±0.01g,厚度0.2mm±0.05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部平整铺设1块碳纤维布,在碳纤维布上部用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0.35g±0.01g,厚度0.2mm±0.05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部置放镁合金板,然后再用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0.35g±0.01g,厚度0.2mm±0.05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部平整铺设1块碳纤维布,在碳纤维布上部用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0.35g±0.01g,厚度0.2mm±0.05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部置放镁合金板,在镁合金板上部垂直置放上电阻加热器,并接通加热电源,平面部压在镁合金板上,在上电阻加热器上部置放上压块,在上压块上由压力机压头压住,压头连接压力电机;
④开启上下电阻加热器,加热温度均为360℃±5℃;
⑤开启压力电机,使压力电机压强逐渐增至5MPa;
⑥开启振动工作台,振动频率为3000次/min,加热、加压、振动时间为30min±2min;
⑦在加热、加压、振动过程中,各层间的空气排出,镁锌铝共晶合金粉熔化、粘合,成层状结构;
⑧关闭上、下电阻加热器,关闭压力电机,振动工作台停止振动,使层状复合板趁热立即转入轧制;
⑨打开通槽开合式模具,拉升上电阻加热器,取出层状复合板,即镁基复合层板;
(6)轧制碳纤维增强镁基复合层板
碳纤维增强镁基复合层板的轧制是在辊轧机上进行的,是在上、下轧辊相向转动下完成的;
①将镁基复合层板置于上轧辊和下轧辊之间,正面送料、反面出料,调整好轧制变形尺寸,调整好上轧辊和下轧辊的转动方向和速度,上轧辊转动方向为顺时针,下轧辊转动方向为逆时针;
②开启上轧辊、下轧辊,使其同步转动,镁合金复合层板由正面送进,反面轧出,轧制速度为100mm/s,轧制道次为1道次,轧制后为:碳纤维增强镁基复合板;
(7)低温回火处理
将碳纤维增强镁基复合板置于热处理炉中,进行低温回火处理,回火温度150℃±5℃,回火时间120min±5min;回火后,停止加热,使其随炉冷却至25℃;
(8)修正切边,表面处理
①将低温回火处理的碳纤维增强镁基复合板置于平板上,用机械切边,成方形;
②用砂纸打磨复合板表面及周边,使表面光洁;
(9)检测、化验、分析、表征
对制备的碳纤维增强镁基复合板的形貌、色泽、化学成分、金相组织、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征;
用金相显微镜和扫描电子显微镜及X射线能谱仪进行显微组织观察和化学成分分析;
用X射线衍射仪进行层间物相分析;
用电子万能试验机进行结合强度测试;
结论:碳纤维增强镁基复合板为5层结构,即:镁合金板层+碳纤维层+镁合金板层+碳纤维层+镁合金板层,镁锌铝共晶合金粉在加热、振动、加压过程中浸润碳纤维层;碳纤维增强镁合金复合板界面抗拉强度为20MPa;
(10)包装储存
对制备的碳纤维增强镁基复合板用软质材料包装,储存于干燥、洁净环境,要防潮、防氧化、防酸碱盐侵蚀,储存温度20℃±2℃,相对湿度≤10%。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强镁基复合层板的制备方法,其特征在于:制备碳纤维增强镁基复合板是在压力机上,在加热、振动、加压状态下进行的,压力机(1)为立式,下部为底座2,左右部垂直设置左立柱(7)、右立柱(8),在左右立柱(7、8)上部为顶座(3),在顶座(3)上部设有压力电机(4);在底座(2)上部设置振动工作台(9),在振动工作台(9)上垂直安装通槽开合式模具(11),并由4个开合架(12)调整固定;在开合式模具(11)的内底部安装下电阻加热器(13),在下电阻加热器(13)上部的平面上置放第一镁合金板(17),在第一镁合金板(17)上部均匀喷涂第一共晶合金粉层(15),在第一共晶合金粉层(15)上部平整置放第一碳纤维布(19),在第一碳纤维布(19)上部均匀喷涂第二共晶合金粉层(16),在第二共晶合金粉层(16)上部置放第二镁合金板(18),在第二镁合金板(18)上部均匀喷涂第三共晶合金粉层(51),在第三共晶合金粉层(51)上部平整置放第二碳纤维布(49),在第二碳纤维布(49)上部均匀喷涂第四共晶合金粉层(52),在第四共晶合金粉层(52)上部置放第三镁合金板(50),在第三镁合金板(50)上部垂直安装上电阻加热器(14),在上电阻加热器(14)上垂直置放上压块(10),上压块(10)上部由压头(6)压住,压头(6)联接上部的压力电机(4),压头(6)的上下调整距离由侧部的升降手柄(5)调整;在压力机(1)的左侧部设有电控箱(20),在电控箱(20)上设有显示屏(21)、指示灯(22)、电源开关(23)、电机开关(24)、上电阻加热调控器(25)、下电阻加热调控器(26)、振动工作台调控器(27),电控箱(20)与压力电机(4)、振动工作台(9)、下电阻加热器(13)、上电阻加热器(14)通过导线(28)联接。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强镁基复合板的制备方法,其特征在于:碳纤维镁基复合板的轧制是在辊轧机上进行的,辊轧机为立式,辊轧机(42)的下部为控制台,在控制台的上部分左右设立左立梁(43)、右立梁(44),上部与机顶座(45)联接,在左立梁(43)、右立梁(44)之间设有上轧辊(31)、下轧辊(32),上轧辊(31)右部联接上连轴器(33)、上变频电机(35),下轧辊(32)右部联接下连轴器(34)、下变频电机(36),上、下变频电机(35、36)均安装在电机座(37)上;在左立梁(43)上设有调整手柄(41);在上轧辊(31)、下轧辊(32)之间置放镁基复合板(39);在辊轧机(42)上的控制台上设有显示屏(46)、指示灯(47)、电源开关(48)、上辊轧转数调控器(29)、下轧辊转数调控器(30)、上下距离调控器(40),控制台与上、下变频电机(35、36)通过导线(38)联接。
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