CN109680179B - 一种高耐磨镁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高耐磨镁基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高耐磨镁基复合材料及其制备方法。本方法采用工业用氧化铪，氧化硼，AZ91镁合金，Zr(CO3)2粉剂，通过混合盐熔体直接化学反应，合成MgZrO3颗粒、HfB2颗粒和MgO颗粒三元陶瓷颗粒增强新型镁基复合材料。本发明制备的三元颗粒增强复合材料硬度较AZ91镁合金基体以及传统单一相颗粒复合材料性能明显增强，具有超高的耐磨性能，干滑动摩擦系数低，磨损率小。

Description

一种高耐磨镁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属材料制备领域，具体涉及一种高耐磨镁基复合材料及其制备方法。
背景技术
镁基复合材料作为最轻的金属结构材料，具有高比强度、高比模量、高比刚度以及良好的耐磨、减震性能和优异的阻尼性能和屏蔽性能等众多优点，作为功能材料广泛的应用于电子、航空、航天特别是汽车工业等行业中，易于回收，具有优异的储氢性能，又被誉为21世纪的绿色结构材料。颗粒增强镁基复合材料解决了纤维增强镁基复合材料中增强纤维制备成本昂贵的问题，而且制作简单、材料具有各向同性，克服了制备过程中出现的诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应带过大等影响材料性能的许多缺点，具有很强的竞争力，并日益向工业化规模生产和应用的方向发展。
日本Honda公司研制了C+Al2O3F短纤维增强Al-Si复合材料缸套，经试验表明，复合材料缸套由于具有优于铸铁缸套的耐磨性，因此显著提高了发动机在抗擦伤磨损方面的效能。
南京润邦金属复合材料有限公司研制了一种用作轧钢、电炉等设备的高碳高铬莱氏体钢爆炸焊接高耐磨复合材料，其生产方法包括爆炸焊接复合、退火处理工艺，可有效克服现有的高碳高铬莱氏体钢在爆炸焊接中易碎、易裂及不能完全复合等缺陷。
江苏郎亿新材料有限公司利用了Ti2MgC三元化合物优良的导电和耐磨性能，制备出了一种新型的Ti2MgCp/Mg导电耐磨镁基复合材料。Ti2MgC是一种具有层状结构的三元化合物晶体，特殊的层状结构使其既具有陶瓷材料的高熔点和高热稳定性，良好的抗氧化性及低的热膨胀性能；又像金属一样，具有良好的导电、导热性，还具有良好的自润滑性能，因此，与其他增强体材料相比，添加Ti2MgC既能够提高镁基体的强度、硬度和热膨胀稳定性，又能够同时获得优良的导电和耐磨性能。
发明内容
发明目的：为克服以上技术的不足，本发明提出一种高耐磨镁基复合材料的制备方法，这种镁基复合材料，硬度较高，摩擦系数较低，耐磨性能优良。
进一步的，本发明还提出了上述高耐磨镁基复合材料的制备方法。
技术方案：为实现上述技术方案，本发明提出了一种高耐磨镁基复合材料，所述高耐磨镁基复合材料为MgZrO3、HfB2和MgO三元混合增强镁基复合材料，其由HfO2、B2O3、AZ91镁合金和Zr(CO3)2粉剂通过混合盐熔体直接原位化学反应得到，其中，HfO2：B2O3：Zr(CO3)2：Mg＝0.0322-0.0483：0.0110-0.0160：0.0322-0.0484：1，即各反应物与镁的质量比为：
M(HfO2/Mg)＝0.0322-0.0483，
M(B2O3/Mg)＝0.0110-0.0160，
M(Zr(CO3)2/Mg)＝0.0322-0.0484
其中，Mg表示镁元素。
制备得到的复合材料中，AZ91镁基复合材料增强颗粒MgZrO3-HfB2-MgO占复合材料的质量比为8-12％，基体镁合金占比88-92％。优选地，反应物中HfO2和B2O3的质量比为3:1。
本发明研究进一步表明，当增强颗粒低于8％,材料磨损性能提升不明显，甚至低于基体AZ91合金，高于12％，材料成型不稳定，夹渣气孔铸造缺陷过多，容易碎，过高甚至无法成型块体金属材料。因此限定8-12％范围最佳。
本发明进一步提出了上述高耐磨镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取配方量的反应物；
(2)将Zr(CO3)2粉剂用铝箔包好，置于烘箱中烘干研磨备用，同时烘干模具待用；
(3)将AZ91合金锭放入坩埚中，通氩气保护，加热熔化，保温，将表层氧化膜去除，将Zr(CO3)2粉剂加入到熔体中，机械搅拌下反应，然后扒渣；
(4)将HfO2、B2O3混合粉剂同时加入到步骤(3)得到的熔体中，对熔体温度进行实时监控，反应，静置镁液，降温至660-670℃时，扒渣，浇铸。
优选地，所述Zr(CO3)2粉剂用铝箔包好后置于180～200℃的烘箱中烘干，去除结晶水，保温1～3h，取出研磨得粒度<200μm的粉末反应物备用。
优选地，步骤(3)中，将AZ91合金锭放入坩埚中，加热到660-700℃，优选地，加热至690℃，温度过高，吸气量大，合金元素烧损严重，然后熔化，保温，将表层氧化膜去除后加热至740-760℃，此温度范围反应速度、颗粒长大分布等参数最佳，更优选地，加热至750℃，再将Zr(CO3)2粉剂加入到熔体中，机械搅拌下反应5～10min，然后扒渣。
优选地，Zr(CO3)2粉剂分4～5批加入到熔体中。通过分阶段加热和分批加入，可以减少合金元素损耗与提高反应速度达平衡到最佳。
优选地，步骤(4)中，HfO2、B2O3混合粉剂先在烘箱中烘干再加入到步骤(3)得到的熔体中，烘干温度为180～200℃。
进一步优选地，步骤(4)中，将HfO2，B2O3混合粉剂以3：1的质量比同时加入熔体中，使用手持式温度计对熔体温度进行实时监控，待反应9～11min，静置镁液，待熔体温度将至660-670℃时，扒渣、浇铸。
本发明的新型复合材料，增强颗粒(MgZrO3+HfB2+MgO)为陶瓷与金属间化合物三元混合，增强颗粒都是原位生成的，增强颗粒与基体镁之间界面纯净，结合强度高，相比于传统复合材料整体性能大幅提高，其耐磨性能更优良。
本发明采用三元颗粒增强，较传统单一相颗粒增强复合材料增强颗粒更为细小，分布更加均匀，测试其干滑动磨损率较基体降低14-17％，摩擦系数降低10-12％，耐磨性能大幅提高。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步具体说明。
实施例1
制备2kg的8wt.％(MgZrO3-HfB2-MgO)/AZ91复合材料。
(1)配料：HfO264.336g，B2O3 21.932g,Zr(CO3)264.482g，AZ91镁合金2.041kg；
(2)将实验所用Zr(CO3)2粉剂用铝箔包好，置于200℃烘箱中烘干，去除结晶水，保温2h，取出研磨得粒度<200μm的粉末反应物备用，同时将模具烘干，1h后取出待用；
(3)将AZ91合金锭放入石墨坩埚中，通氩气保护，用电阻炉加热到660℃熔化，保温，将表层氧化膜去除后加热至750℃，将Zr(CO3)2粉剂分4～5批加入到熔体中，机械搅拌，待反应5min后，扒渣；
(4)将HfO2，B2O3混合粉剂同时加入熔体中，使用手持式温度计对熔体温度进行实时监控，反应10min，静置镁液，降温至660℃，扒渣，浇铸，得到复合材料。
(5)对所制得复合材料试样进行摩擦磨损性能测试，测试其干滑动磨损率较基体AZ91降低16.2％，摩擦系数降低12.3％。
实施例2
制备2kg的10wt.％(MgZrO3-HfB2-MgO)/AZ91复合材料。
(1)配料：HfO280.420g，B2O326.740g,Zr(CO3)280.602g，AZ91镁合金2.051kg；
(2)将实验所用Zr(CO3)2粉剂用铝箔包好，置于200℃烘箱中烘干，去除结晶水，保温2h，取出研磨得粒度<200μm的粉末反应物备用，同时将模具烘干，1h后取出待用；
(3)将AZ91合金锭放入石墨坩埚中，通氩气保护，用电阻炉加热到660℃熔化，保温，将表层氧化膜去除后加热至750℃，将Zr(CO3)2粉剂分4～5批加入到熔体中，机械搅拌，待反应8min后，扒渣；
(4)将HfO2，B2O3混合粉剂同时加入熔体中，使用手持式温度计对熔体温度进行实时监控，反应10min，静置镁液，降温至660℃，扒渣，浇铸。
(5)对所对所制得复合材料试样进行摩擦磨损性能测试，测试其干滑动磨损率较基体AZ91降低15％，摩擦系数降低11％，摩擦性能得到大幅提升。
实施例3
制备2kg12wt.％(MgZrO3-HfB2-MgO)/AZ91复合材料。
(1)配料：HfO296.504g，B2O3 32.095g,Zr(CO3)2 96.744g，AZ91镁合金2.061kg；
(2)将实验所用Zr(CO3)2粉剂用铝箔包好，置于200℃烘箱中烘干，同时将模具烘干，1h后取出待用；
(3)将AZ91合金锭放入石墨坩埚中，通氩气保护，用电阻炉加热到660℃熔化，保温，将表层氧化膜去除后加热至750℃，将Zr(CO3)2粉剂分4～5批加入到熔体中，机械搅拌，待反应10min后，扒渣；
(4)将HfO2，B2O3混合粉剂加入熔体中，使用手持式温度计对熔体温度进行实时监控，反应10min，静置镁液，降温至660℃，扒渣，浇铸。
(5)对所制得复合材料进行摩擦磨损性能测试，测试其干滑动磨损率较基体AZ91降低17％，摩擦系数降低12％。

Claims (8)

1.一种高耐磨镁基复合材料，其特征在于，所述高耐磨镁基复合材料为MgZrO3、HfB2和MgO三元混合增强镁基复合材料，其由HfO2、B2O3、AZ91镁合金和Zr(CO3)2粉剂通过混合盐熔体直接原位化学反应得到，其中，HfO2：B2O3：Zr(CO3)2：Mg＝0.0322-0.0483：0.0110-0.0160：0.0322-0.0484：1，制备得到的复合材料中，AZ91镁基复合材料增强颗粒MgZrO3-HfB2-MgO占复合材料的质量比为8-12％，基体镁合金占比88-92％。
2.根据权利要求1所述的高耐磨镁基复合材料，其特征在于，HfO2和B2O3的质量比为3:1。
3.权利要求1所述的高耐磨镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)称取配方量的反应物；
(2)将Zr(CO3)2粉剂用铝箔包好，置于烘箱中烘干研磨备用，同时烘干模具待用；
(3)将AZ91合金锭放入坩埚中，通氩气保护，加热熔化，保温，将表层氧化膜去除，将Zr(CO3)2粉剂加入到熔体中，机械搅拌下反应，然后扒渣；
(4)将HfO2、B2O3混合粉剂同时加入到步骤(3)得到的熔体中，对熔体温度进行实时监控，反应，静置镁液，降温至660～670℃时，扒渣，浇铸。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Zr(CO3)2粉剂用铝箔包好后置于180～200℃的烘箱中烘干，去除结晶水，保温1～3h，取出研磨得粒度<200μm的粉末反应物备用。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将AZ91合金锭放入坩埚中，加热到660-700℃熔化，保温，将表层氧化膜去除后加热至740-760℃，再将Zr(CO3)2粉剂加入到熔体中，机械搅拌下反应5～10min，然后扒渣。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，Zr(CO3)2粉剂分4～5批加入到熔体中。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，HfO2、B2O3混合粉剂先在烘箱中烘干再加入到步骤(3)得到的熔体中，烘干温度为180～200℃。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，将HfO2，B2O3混合粉剂以3：1的质量比同时加入熔体中，使用手持式温度计对熔体温度进行实时监控，待反应9～11min，静置镁液，待熔体温度将至660-670℃时，扒渣、浇铸。
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