專利名稱：一種鎂合金復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于復合材料領域，特別涉及一種顆粒分布和基體組織細小、均勻、塑性優良的鎂合金復合材料及其制備該鎂合金復合材料的方法。
背景技術：
鎂合金具有低密度、高比強度和抗沖擊性能好等優點。但作為結構材料使用時，其硬度、剛度和耐磨性不夠理想，使其廣泛應用受到限制。通過在基體中添加增強相，如硬質顆粒或纖維制備出鎂基復合材料，可以顯著改善上述硬度、剛度和耐磨性等性能，提高其強度、耐磨性和彈性模量等性能。
用于制備鎂基復合材料的增強相顆粒主要有氧化物、碳化物、氮化物等硬質陶瓷顆粒。目前，所用的顆粒的粒徑基本上是微米級的，雖然能改善復合材料的硬度、剛度和耐磨性等性能，提高其強度、耐磨性和彈性模量等，但是其性能仍然不能滿足生產加工的需要。
常用的鎂基復合材料的制備工藝主要有鑄造法、粉末冶金法和噴射沉積法等。其中鑄造法制備的鎂基復合材料組織粗大、基體與增強相之間易發生有害的界面反應、增強相的體積分數不高、鑄造過程中易引入氣體和雜質、增強相易偏聚、且基體相的化學成分也由于鑄造固有的特點易出現成分偏析，這些缺點使其制品的力學性能較低。噴射沉積制備鎂基復合材料工藝、設備復雜，成本較高。
粉末冶金法可以制得基體合金組織微細、增強相顆粒的分數可調、具有良好強韌性的鎂基復合材料。在已有的粉末冶金制備鎂基復合材料的工藝技術中，所用增強相顆粒多為微米級，影響了材料性能的進一步提高。納米硬質顆粒比表面積很大，具有獨特的性能而受到廣泛關注。采用納米硬質顆粒作為增強體有望制備出強度和塑性優異的鎂基復合材料。H.Ferkel等采用粉末冶金法制備了含納米顆粒的復合材料(Materials Science and Engineering A，2001，Vol 298；Materials Science and Engineering A，1997，Vol 234-236)，但其基體金屬為純鎂而不是鎂合金，導致復合材料的強度不高，使用范圍受到一定限制。Jie Lan等制備了納米顆粒增強鎂基復合材料，但采用的是鑄造技術而不是粉末冶金技術(Materials Science and Engineering A，2004，Vol 386)，易導致增強顆粒偏聚，復合材料組織粗大等缺陷。
發明內容
本發明的目的在于提供一種復合鎂合金材料，該材料顆粒分布和基體組織細小均勻織細小、基體與增強納米顆粒之間的結合緊密、納米顆粒分布均勻，增強相不偏聚、基體相的化學成分不偏析。
本發明的另一個目的在于提供一種復合鎂合金材料的制備方法，用本方法制備的鎂合金材料具有優良強塑性，并且設備簡單，成本較低。
實現本發明目的的技術方案是組成復合材料基體為金屬粉末和碳化物、氧化物納米顆粒，其中金屬粉末配方復合材料的合金粉末為(以下為重量份計)Al2～10份；Zn0.1～1份；Mn0.02～0.4份；Mg88.60～97.88份。碳化物、氧化物納米顆粒的加入量為復合材料合金粉末質量的0.5～10.0％，顆粒尺寸小于100nm。納米顆粒的種類包括SiC、TiC、Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgO等。
納米顆粒的含量可根據不同的要求進行調整。當復合材料要求有良好的塑性變形性能時，納米顆粒的加入量為0.5～6.0％；當復合材料要求良好的剛度和耐磨性時，納米顆粒的加入量為6.0～10.0％。
本發明復合材料的制備方法是1.配料在氬氣保護下按合金重量百分比將純鎂粉(＞99.9％)、純鋁粉(＞99.9％)、純鋅粉(＞99.9％)、純錳粉(＞99.9％)再加入合金質量的0.5～10.0％納米顆粒，充分混合。
2.球磨在氬氣保護下將上述混合粉末球磨10～40小時，球磨機的轉速為100～300r/min。球磨采用尼龍罐和剛玉球，目的是為了不污染粉末。
3.熱壓燒結在真空操作箱內，將球磨后的混料裝入規格為40～80×100～200mm的低碳鋼模型內，并用環氧樹脂將模型密封，防止模型在搬運過程中混料的氧化和污染。
然后將裝有混料的模型放入熱壓燒結爐中，在真空或在氬氣保護下燒結10～60min，燒結溫度為300～420℃，燒結壓力為0.5～20MPa。
4.熱擠壓燒結后的坯體在500～2500噸的擠壓機上擠壓加工為棒材或管材或型材。
本發明的積極效果1.本發明由于在鎂合金基體重加入硬質納米顆粒，可以顯著提高鎂合金材料的強度和塑性，加入SiC、TiC、Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgO，可以大幅度提高納米顆粒的含量，提高復合材料的剛度和耐磨性；2.制備本復合材料采用在氬氣保護下的球磨方式，使納米顆粒與基體合金的粉末均勻混合，避免了常規鑄造工藝導致的基體成分偏析和增強顆粒的偏聚，而且避免了粉末氧化；3.熱壓燒結后，鎂合金復合材料致密、基體與增強納米顆粒之間的結合緊密、納米顆粒分布均勻，因此本復合材料的強度和塑性優良；4.由于燒結溫度較低，基體金屬鎂不與納米顆粒發生有害的界面反應；5.擠壓過程中可以使基體金屬晶粒發生動態再結晶，基體材料的組織細化，進一步提高復合材料的力學性能。擠壓后材料的室溫抗拉強度可達到260MPa以上，延伸率大于14％。復合材料具有優良的變形性能。
下面通過實施例對本發明做進一步的說明。
具體實施例方式
實施例中的基體金屬粉末加入量為每份10克。
實施例1取基體金屬粉末20g Al，5g Zn，1g Mn，974g Mg。將基體金屬配置好以后，加入納米顆粒，納米顆粒的加入量為基體金屬質量的0.1％即1g，顆粒平均尺寸為10nm，納米顆粒的種類為TiC。
將按上述配方配制的5kg混料球磨20小時后，在氬氣保護下裝入80×100mm的低碳鋼模型，用環氧樹脂密封，在420℃和10MPa的壓力下真空燒結。燒結坯體在500噸擠壓機上擠壓為棒材。
將棒材機加工為國家標準試樣進行室溫拉伸實驗，結果材料的抗拉強度為260MPa，延伸率為18％。
實施例2取基體金屬粉末40g Al，5g Zn，1g Mn，954g Mg。將基體金屬配置好以后，加入納米顆粒，納米顆粒的加入量為基體金屬質量的0.5％即5g，顆粒平均尺寸為30nm，納米顆粒的種類為SiC。
將按上述配方配制的5kg混料球磨30小時后，在氬氣保護下裝入50×150mm的低碳鋼模型，用環氧樹脂密封，在350℃和15MPa的壓力下真空燒結。燒結坯體在500噸擠壓機上擠壓為棒材。
將棒材機加工為國家標準試樣進行室溫拉伸實驗，結果材料的抗拉強度為270MPa，延伸率為17％。
實施例3取基體金屬粉末60g Al，5g Zn，1g Mn，934g Mg。將基體金屬配置好以后，加入納米顆粒，納米顆粒的加入量為基體金屬質量的0.7％即7g，顆粒平均尺寸為50nm，納米顆粒的種類為Al2O3。
將按上述配方配制的5kg混料球磨25小時后，在氬氣保護下裝入80×100mm的低碳鋼模型，用環氧樹脂密封，在300℃和20MPa的壓力下真空燒結。燒結坯體在800噸擠壓機上擠壓為棒材。
將棒材機加工為國家標準試樣進行室溫拉伸實驗，結果材料的抗拉強度為290MPa，延伸率為16％。
實施例4取基體金屬粉末90g Al，8g Zn，1g Mn，901g Mg。將基體金屬配置好以后，加入納米顆粒，納米顆粒的加入量為基體金屬質量的4.0％即40g，顆粒平均尺寸為60nm，納米顆粒的種類為ZrO2。
將按上述配方配制的5kg混料球磨40小時后，在氬氣保護下裝入80×100mm的低碳鋼模型，用環氧樹脂密封，在300℃和20MPa的壓力下真空燒結。燒結坯體在2500噸擠壓機上擠壓為棒材。
將棒材機加工為國家標準試樣進行室溫拉伸實驗，結果材料的抗拉強度為320MPa，延伸率為16％。
權利要求
1.一種鎂合金復合材料，其特征在于所述鎂合金復合材料由合金粉末和碳化物或氧化物納米顆粒組成，其中(1)復合材料的合金粉末為(以下為重量份計)Al2～10份；Zn0.1～1份；Mn0.02～0.4份；Mg88.60～97.88份；(2)碳化物或氧化物納米顆粒的加入量為復合材料合金粉末質量的0.5～10.0％。
2.根據權利要求1所述的鎂合金復合材料，其特征在于納米顆粒的尺寸小于100nm。
3.根據權利要求1所述的鎂合金復合材料，其特征在于鋁、鎂、鋅、錳均為粉末狀，純度均＞99.9％。
4.根據權利要求1所述的鎂合金復合材料，其特征在于碳化物納米顆粒為SiC或TiC，氧化物納米顆粒為Al2O3或SiO2或TiO2或ZrO2或MgO。
5.制備如權利要求1所述的鎂合金復合材料的方法，其特征在于包括以下步驟配料在氬氣保護條件下，按照權利要求1所述的配比取合金及納米顆粒，充分混合；在氬氣保護下將上述混合粉末球磨10～40小時；在真空操作箱內，將球磨后的混料裝入模型內，并用環氧樹脂將模型密封；將裝有混料的模型放入熱壓燒結爐中，在真空或在氬氣保護下燒結10～60min，燒結溫度為300～420℃，燒結壓力為0.5～20Mpa，即得所述的鎂合金復合材料。
全文摘要
本發明公開了一種鎂合金復合材料，其特征在于所述鎂合金復合材料由合金粉末和碳化物或氧化物納米顆粒組成，其中(1)復合材料的合金粉末為(以下為質量份計)Al為2～10份；Zn為0.1～1份；Mn為0.02～0.4份；Mg為88.60～97.88份；(2)碳化物或氧化物納米顆粒的加入量為復合材料合金粉末質量的0.5～10.0％。本發明材料顆粒分布和基體組織細小均勻織細小、基體與增強納米顆粒之間的結合緊密、納米顆粒分布均勻，增強相不偏聚、基體相的化學成分不偏析。其制備方法所得的鎂合金材料具有優良強塑性，并且設備簡單，成本較低。
文檔編號B22F9/02GK1837392SQ200610054190
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月3日 優先權日2006年4月3日
發明者蔣斌, 王健, 歐忠文 申請人:重慶大學