CN103879085B - 纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料、制备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料、制备及其应用，纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料由芯层和包覆层组成，芯层为SiC颗粒增强镁基复合材料，包覆层为纯铝，纯铝包覆层的单边厚度为2‑6mm，芯层SiC颗粒均匀分散在镁基复合材料中，SiC颗粒的体积为SiC颗粒增强镁基复合材料总体积的5％‑20％，SiC颗粒直径尺寸≤10μm，制备步骤包括：(1)制备SiC颗粒增强镁基复合材料，(2)制备纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料，本发明还提供了纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料在制备型材中的应用。本发明提供的材料具有良好的可加工性、成形性、装饰性和耐蚀性。

Description

纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料、制备及其应用

技术领域

本发明涉及金属基复合材料领域，尤其涉及纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料、制备及其应用。

背景技术

实用金属材料中，镁合金密度最低，是自然界中能够使用的最轻的金属结构材料。但镁合金的低模量、低强度、低的磨损抗力、高的热膨胀系数和较差的高温性能等限制了镁合金作为结构材料在工业上的应用范围。

在镁合金中加入SiC颗粒制得镁基复合材料，可显著增强镁合金的耐磨性能。同镁合金相比，镁基复合材料具有较高的比模量、比强度、磨损抗力和较低的热膨胀系数，在航空航天及汽车工业等领域将有广阔的应用前景。铸态镁基复合材料存在晶粒粗大、缩孔和疏松等缺陷，为了减少镁基复合材料的铸造缺陷并提高其力学性能，需对其进行热加工。而同镁合金相比，镁基复合材料的塑韧性较差，在热加工过程中经常出现裂纹缺陷，因此，限制了镁基复合材料的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料、制备及其应用，改善SiC颗粒增强镁基复合材料的可加工性、成形性、装饰性和耐蚀性。本发明是通过以下技术方案实现的：

纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料，由芯层和包覆层组成，芯层为SiC颗粒增强镁基复合材料，包覆层为纯铝，纯铝包覆层的单边厚度为2-6mm，芯层SiC颗粒均匀分散在镁基复合材料中，SiC颗粒的体积为SiC颗粒增强镁基复合材料总体积的5％-20％，SiC颗粒直径尺寸≤10μm。

纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备SiC颗粒增强镁基复合材料；

(2)制备纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料。

其中步骤(1)制备SiC颗粒增强镁基复合材料，可参考本专利申请人在申请号为：201210236226.2的“一种镁合金掺杂SiC颗粒的增强方法”所述的方法，特别的要求是：依据镁合金的质量，SiC颗粒的体积为SiC颗粒增强镁基复合材料总体积的5％-20％，确定SiC颗粒的质量，选用SiC颗粒直径的尺寸≤10μm。

将得到的SiC颗粒增强镁基复合材料铸锭经过车床和磨床的加工，获得光亮整洁的表面，便于纯铝包覆，将上述制得的复合材料棒和纯铝块使用蒸馏水清洗干净，然后烘干备用。

其中步骤(2)制备纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料，又包括如下步骤：

A、将步骤(1)制得的SiC颗粒增强镁基复合材料锭置于圆筒形模具内，并用铝箔封住模具口，然后将模具置于加热炉中进行预热，预热温度400℃±5℃，

B、清理坩埚：将坩埚置于电阻炉炉膛，开启熔炼坩埚加热器将坩埚加热至700℃±5℃，使用清理工具将坩埚内壁清理干净，并将残余的物质倒出，

C、熔炼：将纯铝块置于熔炼坩埚中，开启熔炼坩埚加热器，使坩埚内温度逐渐升至700℃±5℃，使纯铝块熔化，

D、包覆浇铸：将熔炼液对准装有SiC颗粒增强镁基复合材料锭的模具型腔进行浇注，然后静置冷却，成纯铝包覆复合材料铸锭，

E、加压凝固：当纯铝包覆复合材料铸锭冷却至600℃±5℃时，将模具及纯铝包覆复合材料铸锭置于压力机上，进行压制，压强为100MPa，在加压过程中冷却至420℃±5℃，

F、打开开合架，取出铸锭，使铸锭在空气中自然冷却至室温，

G、热处理：将纯铝包覆复合材料铸锭在370℃±5℃保温2h±0.5h，然后将温度升至420℃±5℃，并保温24h±2h。目的是消除铝镁层间的硬脆相，并使镁-铝在界面处能够充分扩散，以提高界面结合强度，

H、机械切制、清理

将热处理后的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料的底端未被包覆部分和顶端的纯铝机械切掉，然后用砂纸打磨，以便获得光亮整洁的表面。

通过以上方法便可以制得界面结合良好的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料。

纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料在制作型材中的应用，通过以下步骤制成纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料型材：

A、将制得的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料线切割制样，挤压料长度为50mm，

B、将挤压设备及型材挤压模具进行组装，并预先调试，

C、将模具及挤压料分别放入加热炉中，将炉温设定为350℃，到温度后，保温30min，

D、将挤压料从加热炉中取出并放入型材挤压模具中，开启挤压设备进行挤压，

E、挤压完成后，断开电源开关，升起压力机，从挤压模具中取出挤压出的型材。

本发明的优点有：

1、由于纯铝表面光亮且抗腐蚀，而镁基复合材料易氧化、耐蚀性差，因此制得的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料具有良好的装饰性和耐蚀性。

2、纯铝的塑性好，包覆在外层的纯铝能有效地抑制复合材料成形时裂纹的产生，纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料比单纯的SiC颗粒增强镁基复合材料易于成形，能更好地应用于生产实际。

3、制作的材料表面塑韧性好、心部强度高，其硬度值从表面至心部呈增加的趋势，因此同单纯的SiC颗粒增强镁基复合材料相比，本专利制得的材料具有良好的抗冲击性。

附图说明

图1纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料横截面示意图

图2包覆压力铸造示意图

图3热挤压装置示意图

图4本发明一个挤压实施例棒材硬度测试的压痕显微图片

图5本发明一个挤压实施例棒材横截面硬度值分布图

图中：1芯层，2包覆层，3压头，4模具，5纯铝层，6SiC颗粒增强镁基复合材料，7定位圈，8压头，9挤压垫块，10挤压套筒，11待加工棒材，12挤压凹模，13界面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料，由芯层1和包覆层2组成，芯层1为SiC颗粒增强镁基复合材料，包覆层2为纯铝，纯铝包覆层的单边厚度为2-6mm，具体实施例中纯铝包覆层的单边厚度为4mm，芯层SiC颗粒均匀分散在镁基复合材料中，SiC颗粒的体积为SiC颗粒增强镁基复合材料总体积的5％-20％，具体实施例中SiC颗粒的体积为SiC颗粒增强镁基复合材料总体积的10％，SiC颗粒直径尺寸≤10μm，具体实施例中SiC颗粒直径约为5μm。

本发明纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料的制备方法如下：

(1)SiC颗粒增强镁基复合材料的制备

制备SiC颗粒增强镁基复合材料，可参考本专利申请人在申请号为：201210236226.2的“一种镁合金掺杂SiC颗粒的增强方法”所述的方法，

特殊的要求是：

选材：选用SiC颗粒直径尺寸≤10μm，依据镁合金的质量，确定SiC颗粒需要的质量，

镁合金与增强相SiC颗粒的质量之间的关系符合下面的公式：

M_p=V_f/(1-V_f)*ρ_p/ρ_m*M_m

式中：V_f——SiC颗粒体积分数(％)；

M_p，M_m——分别为SiC颗粒和镁合金的质量(g)；

ρ_p，ρ_m——分别为SiC颗粒和镁合金的密度(g/cm³)。

本次制备过程取镁合金的质量为657.9g，镁合金的密度为1.81g/cm³，SiC颗粒的密度为3.19g／cm³，SiC颗粒体积分数(％)为10％，经计算可得SiC颗粒的质量为128.8g。

实施例中，SiC颗粒增强镁基复合材料的半径尺寸为20mm。

将得到的SiC颗粒增强镁基复合材料铸锭经过车床和磨床的加工，获得光亮整洁的表面，加工完成后SiC颗粒增强镁基复合材料的半径尺寸为16mm，将上述制得的复合材料棒和纯铝块使用蒸馏水清洗干净，然后烘干备用。

(2)制备纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料

A、将步骤(1)制得的SiC颗粒增强镁基复合材料锭置于圆筒形模具内，并用铝箔封住模具口，然后将模具置于加热炉中进行预热，预热温度400℃±5℃，

B、清理坩埚：将坩埚置于电阻炉炉膛，开启熔炼坩埚加热器将坩埚加热至700℃±5℃，使用清理工具将坩埚内壁清理干净，并将残余的物质倒出，

C、熔炼：将纯铝块置于熔炼坩埚中，开启熔炼坩埚加热器，使坩埚内温度逐渐升至700℃±5℃，使纯铝块熔化，

D、包覆浇铸：将熔炼液对准装有SiC颗粒增强镁基复合材料锭的模具型腔进行浇注，然后静置冷却，成纯铝包覆复合材料铸锭，

E、加压凝固：当纯铝包覆复合材料铸锭冷却至600℃±5℃时，将模具及纯铝包覆复合材料铸锭置于压力机上，进行压制，压强为100MPa，在加压过程中冷却至420℃±5℃，实施例中纯铝包覆复合材料后棒材的半径规格为20mm，包覆层单边厚度为4mm，包覆压力铸造如图2所示，主要包括压头3，模具4，纯铝5，SiC颗粒增强镁基复合材料6，定位圈7，

F、打开开合架，取出铸锭，使铸锭在空气中自然冷却至室温，

G、热处理：将纯铝包覆复合材料铸锭在370℃±5℃保温2h±0.5h，然后将温度升至420℃±5℃，并保温24h±2h。目的是消除铝镁层间的硬脆相，并使镁-铝在界面处能够充分扩散，以提高界面结合强度，

H、机械切制、清理

将热处理后的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料的底端未被包覆部分和顶端的纯铝机械切掉，然后用砂纸打磨，以便获得光亮整洁的表面。

通过以上方法便可以制得界面结合良好的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料。

纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料在制作型材中的应用，通过以下步骤制成纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料型材：

A、将制得的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料线切割制样，挤压料长度为50mm，

B、将挤压设备及型材挤压模具进行组装，并预先调试，

C、将模具及挤压料分别放入加热炉中，将炉温设定为350℃，到温度后，保温30min，

D、将挤压料从加热炉中取出并放入型材挤压模具中，开启挤压设备进行挤压，挤压装置如图3所示：主要包括压头8，挤压垫块9，挤压套筒10，待加工棒材11，挤压凹模12，

E、挤压完成后，断开电源开关，升起压力机，从挤压模具中取出挤压出的型材。

实施例中纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料在制作型材中被加工成半径为5mm的棒材。

图4为本发明提供的挤压实施例棒材硬度测试的压痕显微图片，图5为本发明提供的挤压实施例棒材横截面硬度值分布图，从图中可以看出制作的棒材表面塑韧性好、心部强度高，其硬度值从表面至心部呈增加的趋势，因此同单纯的SiC颗粒增强镁基复合材料相比，本专利制得的材料具有良好的抗冲击性，有利于加工成形。

需要说明的是，具体实施例中纯铝包覆层的单边厚度为4mm，SiC颗粒的体积为SiC颗粒增强镁基复合材料总体积的10％，显而易见可以通过调整实施例中所述的设备和原料的用量可以使制得的材料的纯铝包覆层的单边厚度为2-6mm，SiC颗粒的体积为SiC颗粒增强镁基复合材料总体积的5％-20％，由纯铝和SiC颗粒增强镁基复合材料的性能可以知道棒材表面塑韧性好、心部强度高，其硬度值从表面至心部呈增加的趋势，因此本专利制得的材料具有良好的抗冲击性，有利于加工成形，实施例中纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料在制作型材中被加工成半径为5mm的棒材，通过更换挤压凹模可挤压成各种型材。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书定义的范围。

Claims (1)

1.一种纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料的应用方法，其特征在于，所述的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料由芯层和包覆层组成，芯层为SiC颗粒增强镁基复合材料，包覆层为纯铝，纯铝包覆层的单边厚度为2-6mm，芯层SiC颗粒均匀分散在镁基复合材料中，SiC颗粒的体积为SiC颗粒增强镁基复合材料总体积的5％-20％，SiC颗粒直径尺寸≤10μm，所述的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料的制作过程包含以下步骤：

(1)制备SiC颗粒增强镁基复合材料；

(2)制备纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料；

所述的步骤(2)制备纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料，又包括如下步骤：

A、将步骤(1)制得的SiC颗粒增强镁基复合材料锭置于圆筒形模具内，并用铝箔封住模具口，然后将模具置于加热炉中进行预热，预热温度400℃±5℃，

B、清理坩埚：将坩埚置于电阻炉炉膛，开启熔炼坩埚加热器将坩埚加热至700℃±5℃，使用清理工具将坩埚内壁清理干净，并将残余的物质倒出，

C、熔炼：将纯铝块置于熔炼坩埚中，开启熔炼坩埚加热器，使坩埚内温度逐渐升至700℃±5℃，使纯铝块熔化，

D、包覆浇铸：将熔炼液对准装有SiC颗粒增强镁基复合材料锭的模具型腔进行浇注，然后静置冷却，成纯铝包覆复合材料铸锭，

E、加压凝固：当纯铝包覆复合材料铸锭冷却至600℃±5℃时，将模具及纯铝包覆复合材料铸锭置于压力机上，进行压制，压强为100MPa，在加压过程中冷却至420℃±5℃，

F、打开开合架，取出铸锭，使铸锭在空气中自然冷却至室温，

G、热处理：将纯铝包覆复合材料铸锭在370℃±5℃保温2h±0.5h，然后将温度升至420℃±5℃，并保温24h±2h，

H、机械切制、清理

将热处理后的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料的底端未被包覆部分和顶端的纯铝机械切掉，然后用砂纸打磨；

通过以下步骤制成纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料型材：

A、将制得的纯铝包覆SiC颗粒增强镁基复合材料线切割制样，挤压料长度为50mm，

B、将挤压设备及型材挤压模具进行组装，并预先调试，

C、将模具及挤压料分别放入加热炉中，将炉温设定为350℃，到温度后，保温30min，

D、将挤压料从加热炉中取出并放入型材挤压模具中，开启挤压设备进行挤压，

E、挤压完成后，断开电源开关，升起压力机，从挤压模具中取出挤压出的型材。