專利名稱：固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，是一種鎂基復(fù)合材料的制備工藝，特別是一種固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其比強度、比模量高，機(jī)械加工性能優(yōu)良，有較好的耐蝕性能，優(yōu)良的減振性能、切削加工性能和拋光性能，并能承受較大的沖擊震動負(fù)荷。將鎂合金應(yīng)用于汽車、摩托車等交通領(lǐng)域，可以降低產(chǎn)品的自重，減少加工能量，降低能源消耗，減少污染(包括汽車尾氣和廢舊塑料)。另外，鎂合金的低密度、低熔點、低動力學(xué)粘度、低比熱容、低相變潛熱以及與鐵的親和力小等特點，使其具有熔化耗能少、充型速度快、凝固速度快、模具使用壽命長等優(yōu)點，極適合用現(xiàn)代鑄造技術(shù)進(jìn)行成型加工而實現(xiàn)薄壁，形狀復(fù)雜構(gòu)件的直接成型和加工，從而達(dá)到代替鋼、鋁合金、塑料，而實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化的目的。但是鎂合金特別是鑄造鎂合金由于強度偏低，耐磨性較差，嚴(yán)重阻礙了鎂合金的應(yīng)用，為了提高鑄造鎂合金的性能，研究人員做了大量的工作，鎂基復(fù)合材料的研制與開發(fā)就是提高鎂合金性能，擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用的一個重要方面。已有的鎂基復(fù)合材料主要是應(yīng)用外加顆粒和纖維來增強，主要的制備方法有攪拌鑄造法、壓力浸漬法、粉末冶金法等，這些生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，成本高，而且外加增強顆粒與鎂基體潤濕性差，界面結(jié)合不良，致使所制備的鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能較低。原位反應(yīng)制備復(fù)合材料是最近幾年發(fā)展的制備方法。該方法具有制備的增強相與基體潤濕，界面結(jié)合好，材料綜合性能高的特點。文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，M.A.Matin等人在2001年《Scripta material》(479～486)上發(fā)表了“Investigation of thereactions between boron and titanium compounds with magnesium”一文，該文提出用氟鈦酸鹽(K2TiF6)和氟硼酸鹽)(KBF4)與鎂熔液反應(yīng)法制備TiB2/Mg復(fù)合材料，使材料的增強相顆粒細(xì)小。但是該制備方法工藝和設(shè)備復(fù)雜，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。專利文獻(xiàn)CN1441076A提出了一種混合鹽法制備原位增強鎂基復(fù)合材料工藝，該專利運用氟鈦酸鹽和氟硼酸鹽制備TiB2增強鎂合金復(fù)合材料，但是該專利制備過程中需要攪拌，這對鎂合金熔體的保護(hù)造成困難，并且該專利在制備過程中為防止鎂合金的燃燒而加入Ca和Be，從而改變了合金的成分，對合金的性能有影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述技術(shù)或方法存在的缺點，提供一種通過選用硼和鈦的氧化物的反應(yīng)體系，利用反應(yīng)物在鎂熔體中反應(yīng)，制備出增強相顆粒細(xì)小、分布彌散的顆粒增強的鎂基復(fù)合材料的固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法。
下面結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明本發(fā)明的實現(xiàn)在于根據(jù)基體和增強相之間晶體學(xué)特征選擇增強相，選用硼、鈦的氧化物、氟鈦酸鉀作為反應(yīng)物，用硼、鈦的氧化物、氟鈦酸鉀兩者中的一種或兩種，形成新的組合反應(yīng)物，利用新的組合反應(yīng)物在基體鎂合金熔體中反應(yīng)，制備出增強相顆粒細(xì)小、分布彌散均勻的不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料。復(fù)合材料中基體合金元素的成分，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)鎂合金牌號中規(guī)定的合金元素成分確定。
本發(fā)明采用硼、鈦的氧化物及其他反應(yīng)物組合形成新的組合反應(yīng)物，而硼、鈦的氧化物來源廣泛，價格低，適于工業(yè)化應(yīng)用。另外，本發(fā)明在應(yīng)用過程中不用進(jìn)行攪拌，消除了由于攪拌帶來的易燃處理和保護(hù)措施，方法簡單，效果良好。制備過程不需要專門的設(shè)備，因此成本低，易于工業(yè)上應(yīng)用。
本發(fā)明的實現(xiàn)還在于制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的固液原位反應(yīng)方法具體步驟如下(1)用B2O3與TiO2，KTiF6中的一個或多個組合，配制組合反應(yīng)物，在鎂合金中反應(yīng)形成TiB2顆粒，作為鎂基合金的增強相，組合反應(yīng)物的重量百分比含量控制在2-15％；對組合反應(yīng)物進(jìn)行烘干預(yù)處理，待用；(2)對基體鎂合金材料進(jìn)行熔煉，在熔煉過程中使用無毒、無環(huán)境污染的熔劑保護(hù)；(3)選取750-850℃的熔煉溫度，將預(yù)處理好的組合反應(yīng)物加入鎂基合金熔體中，反應(yīng)，生成TiB2，保溫；(4)再將經(jīng)步驟(3)處理的鎂熔體精煉，澆入保溫澆口杯靜置后，杯底面澆注成型。
在所有金屬基復(fù)合材料的制備過程中通常存在外加增強顆粒與基體潤濕性差，界面結(jié)合不良的問題，也直接影響到復(fù)合材料的性能。本發(fā)明采用了固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料較好地解決了這個問題，使得應(yīng)用本發(fā)明制備出的復(fù)合材料界面結(jié)合良好，力學(xué)性能優(yōu)良，組織細(xì)小，強度、塑性和沖擊韌性都得到提高。
本發(fā)明的實現(xiàn)還在于在具體的制備步驟(1)中對反應(yīng)物進(jìn)行預(yù)處理時，首先按重量比為1∶1的比例取出一組如B2O3和TiO2為一組，或B2O3和TiO2、KTiF6為一組，或者B2O3和KTiF6為一組，然后在100-500℃的范圍內(nèi)，烘干1-5小時。多種組合均應(yīng)用了B2O3，因其取材廣，成本低。增強相顆粒含量控制在2-15％，本發(fā)明的實現(xiàn)還在于在具體的制備步驟(2)中所述的保護(hù)溶劑，其中含有BaO，CaO，BeO20-40％。其他成分為市售無氯溶劑，以實現(xiàn)該方法的無污染和環(huán)保功能。
本發(fā)明的實現(xiàn)還在于在進(jìn)行步驟(3)中保溫時，其保溫時間為15～50分鐘。
本發(fā)明的實現(xiàn)還在于進(jìn)行步驟(4)是將經(jīng)步驟(3)處理的鎂熔體精煉，并澆入保溫澆口杯靜置后，杯底面澆注成型。其保溫澆口杯溫度保持在720-800℃，靜置時間為2-15分鐘，澆注可以采用壓力鑄造、金屬型或砂型。
由于本發(fā)明采用了來源廣泛，價格低的硼的氧化物與鈦的氧化物、氟鈦酸鉀形成新的組合反應(yīng)物，適于工業(yè)上應(yīng)用，發(fā)明了固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的新方法，不用進(jìn)行攪拌工藝，也消除了由于攪拌帶來的易燃處理和保護(hù)措施，方法簡單，易行。用本發(fā)明制備的鎂基復(fù)合材料界面結(jié)合良好，力學(xué)性能優(yōu)良，組織細(xì)小，強度、塑性和沖擊韌性都得到提高，還可以減少鎂合金的夾雜含量，減少鎂合金熔煉的勞動強度，也減少對空氣的污染。


圖1是純鎂的晶相組織照片；圖2是同樣比例下應(yīng)用本發(fā)明的TiB2增強純鎂復(fù)合材料的晶相組織照片；圖3是AZ51的晶相組織照片；
圖4是同樣比例下應(yīng)用本發(fā)明TiB2增強AZ51復(fù)合材料的晶相組織照片；圖5是AZ91的顯微組織照片圖6是同樣比例下應(yīng)用本發(fā)明TiB2/AZ91的顯微組織照片。
具體實施例方式本發(fā)明采用固液原位反應(yīng)法制備了不連續(xù)增強的鎂基復(fù)合材料，復(fù)合材料中的增強相顆粒細(xì)小，大約在10～100nm左右，而且在基體中分布均勻，復(fù)合材料也具有良好力學(xué)性能。
實施例1用純鎂作為基體材料，見圖1，具體制備步驟如前所述，采用B2O3，和TiO2作為反應(yīng)物，730℃靜置5min后澆鑄，制備成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2％的TiB2顆粒增強純鎂復(fù)合材料。該材料的鑄態(tài)抗拉強度為184MPa，延伸率為11％。由于TiB2的引入，致使該材料部分晶粒變小，其晶粒尺寸為未增強的(1/2～1/4)。
實施例2步驟同實施例1，采用純鎂作為基體材料，B2O3，和KTiF6作為反應(yīng)物，750℃靜置5min后澆鑄，制備質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4％的TiB2顆粒增強純鎂復(fù)合材料。該材料的鑄態(tài)抗拉強度為220MPa，延伸率為10.5％。附圖1是純鎂的晶相組織照片，附圖2是TiB2增強純鎂復(fù)合材料的晶相組織照片?？梢钥闯?，由于TiB2的引入，致使該材料晶粒變小，其晶粒尺寸為未增強的(1/4～1/6)。
實施例3步驟同實施例1，用AZ51作為基體材料，B2O3，和KTiF6、TiO2作為反應(yīng)物，730℃靜置5min后澆鑄，制備質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4％的TiB2原位增強AZ51復(fù)合材料。該材料的抗拉強度為274MPa，延伸率為9％。附圖3是AZ51的晶相組織照片，圖4是TiB2增強AZ51復(fù)合材料的晶相組織照片?？梢钥闯?，由于TiB2的引入，致使該材料的第二相(Mg17Al12)分布更均勻，更細(xì)小。
實施例4步驟同實施例1，用AZ91作為基體材料，如圖5所示。采用B2O3，和TiO2作為組合反應(yīng)物，730℃靜置5min后澆鑄，制備質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4％的TiB2增強AZ91復(fù)合材料，見圖6，顆粒更細(xì)小，分布更均勻。該材料的鑄態(tài)抗拉強度為225MPa，延伸率為4.2％。
實施例5步驟同實施例1，耐熱鎂合金WE43作為基體材料，B2O3，和TiO2作為反應(yīng)物，780℃靜置5min后澆鑄，制備質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4％的TiB2顆粒增強的鎂基復(fù)合材料。該材料的鑄態(tài)抗拉強度為275MPa，延伸率為5％。
權(quán)利要求
1一種固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)鎂合金牌號中規(guī)定的合金元素成分確定復(fù)合材料中基體合金元素的成分，其特征在于根據(jù)基體和增強相之間晶體學(xué)特征選擇增強相，選用硼、鈦的氧化物、氟鈦酸鉀作為反應(yīng)物，用硼的氧化物與鈦的氧化物、氟鈦酸鉀兩者中的一種或兩種，形成新的組合反應(yīng)物，利用新的組合反應(yīng)物在基體鎂合金熔體中反應(yīng)，制備出增強相顆粒細(xì)小、分布彌散均勻的不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法，其特征是具體步驟如下(1)用B2O3與TiO2，KTiF6中的一個或多個組合，配制組合反應(yīng)物，在鎂合金中反應(yīng)形成TiB2顆粒，作為鎂基合金的增強相，組合反應(yīng)物的重量百分比含量控制在2-15％；對組合反應(yīng)物進(jìn)行烘干預(yù)處理，待用；(2)對基體鎂合金材料進(jìn)行熔煉，在熔煉過程中使用無毒、無環(huán)境污染的熔劑保護(hù)；(3)選取750-850℃的熔煉溫度，將預(yù)處理好的組合反應(yīng)物加入鎂基合金熔體中，反應(yīng)，生成TiB2，保溫；(4)再將經(jīng)步驟(3)處理的鎂熔體精煉，澆入保溫澆口杯靜置后，杯底面澆注成型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法，其特征是步驟(1)中對反應(yīng)物進(jìn)行預(yù)處理時，首先按重量比1∶1的比例取出一組組合反應(yīng)物，即B2O3和TiO2或B2O3和TiO2、KTiF6或者B2O3和KTiF6，然后在100-500℃的范圍內(nèi)，烘干1-5小時。
4根據(jù)權(quán)利要求2所述的固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法，其特征是，步驟(2)中所述的保護(hù)溶劑，其中含有BaO，CaO，BeO20-40％；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法，其特征是，步驟(3)中所述的保溫時間為15～50分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法，其特征是，步驟(4)中所述的保溫澆口杯溫度保持在720-800℃，靜置時間為2-15分鐘，澆注可以采用壓力鑄造、金屬型或砂型。
全文摘要
本發(fā)明是固液原位反應(yīng)制備不連續(xù)增強鎂基復(fù)合材料的方法屬材料領(lǐng)域。采用來源廣，價低的硼、鈦的氧化物、氟鈦酸鉀形成新的組合反應(yīng)物，適于工業(yè)應(yīng)用。在標(biāo)準(zhǔn)鎂合金牌號確定復(fù)合材料的合金元素的成分，增強相顆粒含量控制在2－15％，配制反應(yīng)物和保護(hù)溶劑，預(yù)處理，進(jìn)行鎂基復(fù)合材料的熔煉，選取熔體溫度，將處理好的反應(yīng)物加入，保溫一定時間將熔體精煉澆入保溫澆口杯靜置后，杯底面澆注成型。利用本發(fā)明制備出顆粒細(xì)小，分布均勻，界面結(jié)合良好，強度、塑性和沖擊韌性都得到提高。方法簡單易行，不需專門的制備設(shè)備和攪拌，消除了因此帶來的易燃處理和保護(hù)措施，還可減少鎂合金的夾雜含量，減少勞動強度，是無污染、環(huán)保型的制備鎂基復(fù)合材料的新途徑。摘要附圖為用本發(fā)明制備的TiB
文檔編號C22C1/02GK1584094SQ20041002616
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月24日
發(fā)明者李建平, 楊忠, 楊通, 郭永春, 李高宏, 夏峰, 董晟全, 趙玉厚 申請人:西安工業(yè)學(xué)院