CN1441073A

CN1441073A - 反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺

Info

Publication number: CN1441073A
Application number: CN 03116166
Authority: CN
Inventors: 张修庆; 王浩伟; 滕新营; 马乃恒
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: CN1195088C

Abstract

反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺属于材料领域。工艺如下：根据标准镁合金牌号中规定的合金元素成分确定复合材料中的合金元素的成分，根据基体和增强相之间的润湿性选择增强相，增强相颗粒含量控制在2～15％，将配比好的预制体用高能球磨机进行球磨，在球磨过程中合成含有镁基复合材料的增强相的预制体，选用压力将球磨合成预制体粉末压制成块状；镁基体材料的熔炼；预制体在150℃～250℃的范围内烘干1～3小时，并进行助熔处理后，选取熔体温度，将预制体加入镁熔体中，保温，进行搅拌；将熔体静置后浇注，铸造成型。本发明制备的复合材料中增强相颗粒细小，而且在基体中分布均匀。复合材料也具有良好的力学、物理性能。

Description

反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺

技术领域

本发明涉及的是一种制备镁基复合材料的工艺，特别是一种反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，属于材料领域。

背景技术

镁基复合材料是最轻的结构材料之一，而且镁基复合材料具有高的比强度、比刚度，有良好的铸造性和尺寸稳定性，抗电磁干扰及屏蔽性好，有良好的阻尼系数，减振性能好，对环境影响小，无污染，其废料回收利用率高达85％，在航天航空、汽车、摩托车、计算机、网络技术、通讯等领域有广泛的应用前景。所以发展镁基复合材料对节能、环保具有重要意义。目前制备镁基复合材料主要是应用外加颗粒或纤维来增强，其主要的制备方法有搅拌铸造、压力浸渍法、粉末冶金法等，这些生产工艺大都比较复杂，成本高，而且外加增强颗粒粒度大，界面结合不好，材料力学性能比较差。原位制备复合材料是近年来发展起来的制备方法，它具有制备的增强颗粒粒度细小，界面结合好，材料综合性能高的特点。反应球磨法是制备原位增强复合材料比较成熟的工艺之一，反应球磨是利用金属或合金粉末在球磨过程中与其它单质或化合物之间的化学反应而制备出所需材料的技术，反应球磨法制备的复合材料可以通过控制球磨因素来控制颗粒大小及其在基体中的分布。经文献检索发现，闵家源等人在《材料研究学报》1996，10(4)：427～429，上发表的文章“Al₄C₃弥散强化铝”，该文涉及了用反应球磨技术制备了Al₄C₃弥散强化铝基复合材料，但只是应用反应球磨进行反应合成Al₄C₃，然后用粉末冶金方法制备复合材料，材料成型工艺复杂，且存在材料致密度不高的问题。铸造方法可以得到终成型或近成型零件，节约成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，使其用反应球磨结合铸造方法原位制备增强相颗粒细小，且分布均匀的镁基复合材料，复合材料界面结合良好，力学性能、物理性能优越。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明工艺步骤如下：

(1)根据标准镁合金牌号中规定的合金元素成分确定复合材料中的合金元素的成分，根据基体和增强相之间的润湿性选择TiC、ZrC、TiB₂或ZrB₂作为增强相，增强相颗粒含量控制在2～15％，按照以上要求配制预制体，将配比好的预制体用高能球磨机进行球磨，合成含有镁基复合材料的增强相的预制体，选用合适的压力将球磨合成预制体粉末压制成块状。

预制体是球磨结束后增强相已经反应生成，而且颗粒大小可以达到纳米级别，而且预制体中含有镁粉或者镁合金的合金元素，镁粉或者镁合金的合金元素含量为预制体的重量百分比的10～60％。选用锌粉、铝粉、钛粉、碳粉、锆粉、碳化硼粉、氧化钛粉、氧化硼粉、镁粉等两种以上的粉末作为预制体原料粉末，将配比好的粉末用高能球磨机进行球磨，合成含有镁基复合材料的增强相的预制体。预制体粉末在保护气氛下取出，并密封保存。反应球磨选用参数为：球磨转速为450～1000r/min，球磨时间30～1200min，球料比5∶1～50∶1。选用合适的压力将球磨合成预制体粉末压制成块状，选用压力为5～30MPa，保压时间为60～600s，压制好的预制体在惰性气体保护下存放。

(2)镁基体材料的熔炼。在熔炼过程中添加阻燃元素铍、钙等防止熔体燃烧，熔炼过程中采用气体或熔剂保护。

(3)预制体在150℃～250℃的范围内烘干1～3小时，选取合适的熔体温度，将预制体加入镁熔体中，保温10～60min，进行搅拌。

为促进预制体的熔解，将预制体用助熔剂浸泡30～60min，助熔剂主要由氯盐和氟盐组成。镁熔体的温度对预制体的熔解有很大的影响，温度太低则熔解缓慢，延长工艺时间，降低生产效率，温度太高则会容易引起镁的燃烧，增加氧化物夹杂，增加镁的烧损，而且增加生产的危险性，所以选取合适的熔体温度加入预制体比较重要。本发明选取的熔体温度为740℃～800℃。利用搅拌可以促进颗粒的充分分散，使颗粒在镁基体中弥散分布，并且可以防止颗粒的重新团聚。搅拌时间强度和时间对材料也有较大的影响，搅拌强度大有助于颗粒的分散，但也增加颗粒在熔体中碰撞的机会，增加团聚，所以选取合适的搅拌速度对材料的合成十分重要；搅拌时间短，颗粒分散不均匀，沉降现象明显，减少颗粒的收得率，但太长则会增加熔体的氧化。本发明选取的搅拌转速为200～1000r/min。搅拌时间为10～30min。

(4)将熔体静置后浇注，铸造成型。熔体静置温度为700℃～800℃，静置时间为5～20min，浇注可以选用金属型或砂型。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明是采用反应球磨法和搅拌等新工艺制备了原位增强的镁基复合材料。一般外加颗粒增强的镁基复合材料中颗粒粗大，分散不均匀，而且界面不好，而本发明利用反应球磨并辅以搅拌，选取合适的颗粒体积分数、球磨参数、预制体体系、熔体温度，搅拌时间制备出了增强相颗粒细小，分布均匀，界面结合良好，而且具有良好的力学、物理性能的镁基复合材料，为制备镁基复合材料开辟了一条新的途径，为镁基复合材料的广泛应用打下了良好的基础。

具体实施方式

本发明采用反应球磨制备了原位增强的镁基复合材料，复合材料中的增强相颗粒细小，而且在基体中分布均匀。复合材料也具有良好的力学、物理性能。

结合本发明的内容提供以下实施例，对本发明作进一步的理解：

实施例1采用纯镁作为原始基体材料，以铝粉、钛粉、硼化碳分为预制体原料，以球磨转速450r/min，球料比5∶1混料30min，然后取粉，用5MPa的压强进行压制，保压60s，将压制好的预制体在150℃预处理1小时，用助熔剂浸泡30min，然后将预制体放入740℃的镁熔体中，保温10min后进行搅拌，钢桨以200r/min搅拌，搅拌时间为10min，搅拌10min后700℃静置5min浇注，制备质量百分数为5％的(TiB₂+TiC)混合增强的镁基复合材料。材料的抗拉强度为214MPa，延伸率为1.6％。

实施例2采用纯镁作为原始基体材料，以铝粉、钛粉、碳粉分为预制体原料，以球磨转速700r/min，球料比25∶1混料650min，然后取粉，用15MPa的压强进行压制，保压350s，将压制好的预制体在200℃预处理40min，用助熔剂浸泡45min，然后将预制体放入760℃的镁熔体中，保温40min后进行搅拌，钢桨以600r/min搅拌，搅拌时间为20min，搅拌20min后740℃静置15min浇注，制备质量百分数为5％的TiC混合增强的镁基复合材料。材料的抗拉强度为275MPa，延伸率为2.8％。

实施例3采用纯镁作为原始基体材料，以锌粉、钛粉、碳粉分为预制体原料，以球磨转速650r/min，球料比25∶1混料650min，然后取粉，用15MPa的压强进行压制，保压350s，将压制好的预制体在200℃预处理40min，用助熔剂浸泡45min，然后将预制体放入760℃的镁熔体中，保温40min后进行搅拌，钢桨以600r/min搅拌，搅拌时间为20min，搅拌20min后740℃静置15min浇注，制备质量百分数为5％的TiC混合增强的镁锌基复合材料。材料的抗拉强度为225MPa，延伸率为2.5％。

实施例4采用纯镁作为原始基体材料，以铝粉、锆粉、碳粉分为预制体原料，以球磨转速500r/min，球料比20∶1混料4个小时，然后取粉，用15MPa的压强进行压制，保压300s，将压制好的预制体200℃预处理100min，用助熔剂浸泡40min，然后将预制体放入760℃的镁熔体中，保温40min后进行搅拌，钢桨以500r/min搅拌，搅拌时间为30min，搅拌30min后750℃静置15min浇注，制备质量百分数为5％的ZrC增强的镁基复合材料。材料的抗拉强度为218MPa，延伸率为1.4％。

实施例5采用ZM5作为基体材料，以镁粉、钛粉、硼化碳分为预制体原料，以球磨转速450r/min，球料比15∶1混料4.5个小时，然后取粉，用20MPa的压强进行压制，保压120s，将压制好的预制体200℃预处理100min，用助熔剂浸泡45min，然后将预制体放入750℃的镁熔体中，保温20min后进行搅拌，钢桨以400r/min搅拌，搅拌时间为30min，搅拌10min后740℃静置5min浇注，制备质量百分数为5％的(TiB₂+TiC)混合增强的镁基复合材料。材料的抗拉强度为378MPa，延伸率为2.4％。

实施例6采用纯镁作为原始基体材料，以铝粉、钛粉、碳粉分为预制体原料，以球磨转速1000r/min，球料比50∶1混料20个小时，然后取粉，用30MPa的压强进行压制，保压600s，将压制好的预制体250℃预处理180min，用助熔剂浸泡60min，然后将预制体放入800℃的镁熔体中，保温60min后进行搅拌，钢桨以1000r/min搅拌，搅拌时间为30min，搅拌30min后800℃静置20min浇注，制备质量百分数为5％的TiC增强的镁基复合材料。材料的抗拉强度为218MPa，延伸率为1.4％。

Claims

1、一种反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，其特征在于，工艺步骤如下：

(1)根据标准镁合金牌号中规定的合金元素成分确定复合材料中的合金元素的成分，并根据基体和增强相之间的润湿性选择TiC、ZrC、TiB₂或ZrB₂作为增强相，增强相颗粒含量控制在2～15％，按照以上要求配制预制体，将配比好的预制体用高能球磨机进行球磨，在球磨过程中合成含有镁基复合材料的增强相的预制体，选用合适的压力将球磨合成预制体粉末压制成块状；

(2)镁基体材料的熔炼；

(3)预制体首先在150℃～250℃的范围内烘干1～3小时，并进行助熔处理后，选取熔体温度，将预制体加入镁熔体中，保温10～60min，进行搅拌；

(4)将熔体静置后浇注，铸造成型。

2、根据权利要求1所述的反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，其特征是，步骤(1)中，预制体是球磨结束后增强相已经反应生成，颗粒大小达到纳米级别，预制体中含有镁粉或者镁合金的合金元素，镁粉或者镁合金的合金元素含量为预制体的重量百分比的10～60％。

3、根据权利要求1或2所述的反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，其特征是，步骤(1)中，选用锌粉、铝粉、钛粉、碳粉、锆粉、碳化硼粉、氧化钛粉、氧化硼粉、镁粉其中两种以上的粉末作为预制体原料粉末，预制体粉末在保护气氛下取出，并密封保存。

4、根据权利要求1所述的反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，其特征是，步骤(1)中，反应球磨选用参数为：球磨转速为450～1000r/min，球磨时间30～1200min，球料比5∶1～50∶1；将球磨合成预制体粉末压制成块状的压力为5～30MPa，保压时间为60～600s，压制好的预制体在惰性气体保护下存放。

5、根据权利要求1所述的反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，其特征是，步骤(2)中，在熔炼过程中添加阻燃元素铍、钙防止熔体燃烧，熔炼过程中采用气体或熔剂保护。

6、根据权利要求1所述的反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，其特征是，步骤(3)中，促进预制体的熔解通过将预制体用助熔剂浸泡30～60min，助熔剂主要由氯盐和氟盐组成。

7、根据权利要求1所述的反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，其特征是，步骤(3)中，选取的熔体温度为740℃～800℃，选取的搅拌转速为200～1000r/min，搅拌时间为10～30min。

8、根据权利要求1所述的反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺，其特征是，步骤(4)中，熔体静置温度为700℃～800℃，静置时间为5～20min，浇注选用金属型或砂型。