镁基原位复合材料及其制备方法

摘要

本发明提供一种成本低而性能良好的复相颗粒增强的镁基原位复合材料及其制备方法。该镁基原位复合材料中的各组分的质量百分含量为：Al 6-7％、Sr 2-5％、Pb 0.9-2％、Mn 0.5-0.6％、V0.001-0.005％、Gd 0.005-0.05％、其余为Mg。其制备方法包括：1)配料；2)在坩埚底部先放入上述配料中Mg锭的一半，然后再放入纯Pb块、纯Al锭、纯Gd条、纯Mn片、Mg-Sr合金，最后把剩余的Mg锭放入，然后撒上占原料总重1-2％的复合处理剂；3)加热温度升至700-720℃，保温15-20分钟；4)先将钢锭模预热至140-160℃，再将步骤3)的合金溶液浇注至钢锭模内，冷却至室温，即得。

权利要求

1.一种镁基原位复合材料，其特征在于，该镁基原位复合材料中各组分的质量百分含量为：Al 6-7％、Sr 2-5％、Pb 0.9-2％、Mn 0.5-0.6％、V0.001-0.005％、Gd

0.005-0.05％、其余为Mg，该镁基原位复合材料的基体上分布有细小的团状化合物。

2.权利要求1所述镁基原位复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将纯Al锭、纯Mg锭、纯Si块、纯Mn片、纯V粉、纯Gd条、Mg-Sr合金按镁基原位复合材料中各成份的质量百分含量进行配料：Al 6-7％、Sr 2-5％、Pb 0.9-2％、Mn 0.5-0.6％、V0.001-0.005％、Gd 0.005-0.05％、其余为Mg，Mg-Sr合金中Sr的质量百分含量为25％；

2)在坩埚底部先放入上述配料中纯Mg锭的一半，然后再放入纯Pb块、纯Al锭、纯V粉、纯Gd条、纯Mn片、Mg-Sr合金，最后把剩余的Mg锭放入，然后撒上占原料总重1-2％的复合处理剂，该复合处理剂中各成分的质量比为：氯化钠∶氯化钡∶氯化铈∶氯化锌＝

1∶2∶0.3∶(0.3-0.5)；

3)对上述原料加热，加热温度升至700-720℃，保温15-20分钟；

4)先将钢锭模预热至140-160℃，再将步骤3)的合金溶液浇注至钢锭模内，冷却至室温，即得到镁基原位复合材料。

说明书

镁基原位复合材料及其制备方法

一、技术领域：

[0001] 本发明涉及一种镁原位复合材料，具体涉及一种复相颗粒增强的镁基原位复合材料，属于材料加工技术领域。二、背景技术：

[0002] 近年来发展的原位制备颗粒增强镁基复合材料，其增强颗粒在基体内原位生成，省去了增强颗粒单独合成和处理工序，从而避免了颗粒表面的污染，改善了增强相与基体合金的润湿性，为简化制备工艺，降低生产成本，获得较高力学性能的镁基复合材料提供了一个有效途径，它将成为21世纪镁基复合材料研究和发展的主要方向。

[0003] CN01128168.5涉及一种制备颗粒增强镁基复合材料的新工艺。颗粒增强基复合材料的制备方法，工艺过程包括反应预制块的制备、反应预制块的预处理和熔炼三个阶段。

[0004] CN03116167.7一种制备镁基复合材料的工艺属于材料领域。工艺步骤为：配制增强相反应体系粉末；采用机械球磨对反应体系粉末进行活化处理，通过控制球磨时间、转速、球料比来控制颗粒大小和储能，再将球磨处理的反应体系粉末压制成预制块；进行镁基体材料的熔炼；选取合适的熔体温度，将球磨反应体系粉末预制块熔解到镁熔体中，球磨粉末在镁熔体中发生原位反应形成增强相，再借助搅拌技术使颗粒分散均匀，进行反应体系的熔解反应过程；将熔体静置后浇注，铸造成型。

[0005] CN03116166.9提出反应球磨制备原位增强镁基复合材料的工艺：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；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。

[0006] CN200710173276.X公开一种制备原位颗粒混合增强镁基复合材料的方法，步骤为：将Al粉、Ti粉和B4C粉配制混合，Al粉含量为粉末总量的0wt％-50wt％，B原子和C原子之和与Ti原子的原子比在2.8-3.2之间；将混合配制好的粉末进行球磨；把经过球磨后的粉末压制成预制块；将压制得到的预制块和Mg合金锭放入真空加热装置中，反应室内抽真空后通入惰性气体，首先升温，保温，再次加热，保温；将反应得到的熔体进行搅拌，搅拌后，静置，浇注成型。

[0007] CN200710173275.5公开一种复合材料技术领域的原位制备TiC颗粒增强镁基复合材料的方法，步骤为：将Al粉、Ti粉和C粉配制混合，将配制混合好的粉末进行球磨；把经过球磨后的粉末压制成预制块；将压制得到的预制块和镁合金锭放入真空加热装置中，反应室内抽真空后通入惰性气体，加热并保温；将反应得到的熔体进行搅拌，搅拌后静置，浇注成型。

[0008] CN03116169.3涉及一种混合盐法制备原位增强镁基复合材料工艺。该发明首先根据标准镁合金牌号中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，配制混合盐体系，将混合盐体系进行预处理，然后进行镁基体材料的熔炼，再选取熔体温度，将处理好的混合盐加入镁熔体中，进行搅拌，最后将熔体静置后浇注，铸造成型。

[0009] CN200710047943.X一种复合材料技术领域的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法，步骤为：将K2TiF6，KBF4和Na3AlF6粉末混合均匀，放入烘干炉中烘干，得到无水粉末，在电阻炉中将Al锭熔化，并保温均匀化；将经过烘干的无水粉末分批加入得到熔融Al熔体液面上，并用石墨圆盘搅拌，搅拌结束后静置，除去熔体表面的浮渣，得到TiB2-Al中间合金；镁合金在SF6和CO2混合气体的保护下熔炼，并加入阻燃元素铍；将TiB2-Al中间合金缓慢加入到得到的镁合金熔液中，搅拌，静置，浇注。以上专利的共同缺点为增强相颗粒的数量取决于混合盐和金属的界面反应，因此增强相颗粒的数量无法稳定控制。

[0010] CN200710047944.4一种原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料及其制备方法，所述复合材料中含有AlN和Mg2Si两相陶瓷颗粒。在SF6+CO2混合气体保护条件下，将镁铝合金原材料完全熔化；把用铝箔包好的Si3N4粉末压入镁铝熔体中；加入Si3N4粉末后，升温并保温；保温完成后降温并保温，并用石墨圆盘搅拌熔体后，捞去表面的浮渣，并浇铸于金属模具凝固后得到复合材料。

[0011] CN200710047945.9一种原位自生氮化铝增强镁基复合材料及其制备方法：将镁铝合金原材料完全熔化；然后把用铝箔包好的Mg3N2粉末压入镁铝熔体中；在熔体中加入Mg3N2粉末后，保温，保证Mg3N2粉末与熔体中Al完全反应。保温完成后用石墨圆盘搅拌熔体后，捞去表面的浮渣，并浇铸于金属模具凝固后得到所述材料。以上专利的共同缺点为需要在液态金属中加入固态的Si3N4，通过固态的Si3N4与液体的反应原位生成颗粒，因此产物的数量也十分不稳定。

[0012] CN200710053784.4一种原位自生Mg2Si/AM60复合材料的制备方法。

[0013] CN200810155895.0涉及一种原位颗粒增强镁基复合材料的制备方法，将镁铝合金原材料完全熔化；然后把Al-Si中间合金压入镁铝熔体中，升温并保温，以保证Si与镁铝合金熔体中的Mg完全反应，同时将超声探头插入熔体中进行处理；处理完成后升温，捞去表面的浮渣，并浇铸于金属模具中，得到原位Mg2Si颗粒增强镁基复合材料。

[0014] CN200810136303.0一种原位AM60镁基复合材料半固态的制备方法，属金属材料制备领域，其特征是将AM60镁合金置于熔炼炉中，在覆盖剂和氩气的保护下，将AM60镁合金熔化，温度达到780-800℃时保温，再将重量百分比为0.8-1.2％的结晶Si粉末加入熔体当中，反应10-20min后对熔体搅拌5-10min，再保温20-30min，然后将合金液冷却到半固态温度区间，搅拌速度300-600rpm，搅拌5-8min。以上专利的的共同缺点是为打碎Mg2Si需要在液态金属中插入搅拌器或超声变辐杆，大大增加了镁合金熔制时的难度，存在如降低合金温度、器件和液体剧烈高温反应及增大熔制保护复杂性等问题。以上现有技术存在的问题主要是工艺难度大，因此增强相颗粒的数量无法稳定控制。三、发明内容：

[0015] 本发明的目的在于解决现有技术中的缺陷，提供一种成本低而性能良好的复相颗粒增强的镁基原位复合材料。

[0016] 本发明的另一目的是提供上述镁基原位复合材料的制备方法，该工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

[0017] 一种镁基原位复合材料，其特征在于，该镁基原位复合材料中的各组分的质量百分含量为：Al 6-7％、Sr 2-5％、Pb 0.9-2％、Mn 0.5-0.6％、V：0.001-0.005％、Gd0.005-0.05％、其余为Mg。镁基原位复合材料的特征在于，该镁合金的基体上分布有细小的团状化合物。

[0018] 本发明镁基原位复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0019] 1)将纯Al锭、纯Mg锭、纯Si块、纯Mn片、纯V粉、纯Gd条、Mg-Sr合金按镁基原位复合材料中各成份的质量百分含量进行配料：Al 6-7％、Sr 2-5％、Pb 0.9-2％、Mn0.5-0.6％、V：0.001-0.005％、Gd 0.005-0.05％、其余为Mg，Mg-Sr合金中Sr的质量百分含量为25％；

[0020] 2)在坩埚底部先放入上述配料中Mg锭的一半，然后再放入纯Pb块、纯Al锭、纯V粉、纯Gd条、纯Mn片、Mg-Sr合金，最后把剩余的Mg锭放入，然后撒上占原料总重1-2％的复合处理剂，该复合处理剂中各成分的质量比为：氯化钠∶氯化钡∶氯化铈∶氯化锌＝1∶2∶0.3∶(0.3-0.5)；

[0021] 3)对上述原料加热，加热温度升至700-720℃，保温15-20分钟；

[0022] 4)先将钢锭模预热至140-160℃，再将步骤3)的合金溶液浇注至钢锭模内，冷却至室温，即得到镁基原位复合材料。

[0023] 本发明的镁基原位复合材料可用在在汽车、电子、电器、交通、航空航天和国防军事工业领域，具有极其重要的应用价值和广阔的前景。

[0024] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0025] 1.本发明的合金熔炼时，颗粒增强相在合金液中原位内生，改善了增强颗粒与基体合金的润湿性，增强效果显著。使制备复合材料工艺的稳定性、可靠性大大提高。

[0026] 2.增强相颗粒可直接在液体中生成，不需要外加颗粒，简化了生产工艺，大幅度降低了成本。

[0027] 3.增强相颗粒细小，分布均匀，与基体界面结合良好，颗粒增强镁基原位复合材料的机械性能优良。具有轻质、高强、高模量、耐高温等特点。

[0028] 4.本发明的制备方法无三废污染。

[0029] 5、本发明采用的复合处理剂具有聚渣、隔绝空气接触，防止金属氧化的作用。四、附图说明：

[0030] 图1中本发明实施例五制备的镁基原位复合材料的金相组织。

[0031] 由图中可见，白色的MgSrGdV复杂化合物颗粒，黑色的为MgPbGdV复杂化合物颗粒，颗粒细小，两种化合物交叉分布在镁固溶体的基体中。五、具体实施方式：

[0032] 以下各实施例中的份数均为重量份。

[0033] 实施例一：

[0034] 1)配料：取纯Al锭、纯Mg锭、纯Si块、纯Mn片、纯V粉、纯Gd条、Mg-Sr合金，按Al 6份、Sr 2份、Pb 0.9份、Mn 0.5份、V0.005份、Gd 0.005份、Mg 90.590份进行配料，其中g-Sr合金中Sr的质量百分含量为25％；

[0035] 2)在坩埚底部先放入上述配料中Mg锭的一半，然后依次再放入纯Pb块、纯Al锭、纯V粉、纯Gd条、纯Mn片、Mg-Sr合金，最后把剩余的Mg锭放入，然后撒上1.5份的复合处理剂，该复合处理剂中各成分的质量比为：氯化钠∶氯化钡∶氯化铈∶氯化锌＝1∶2∶0.3∶0.4；

[0036] 3)对上述原料加热，加热温度升至710℃，保温18分钟；

[0037] 4)先将钢锭模预热至150℃，再将步骤3)的合金溶液浇注至钢锭模内，冷却至室温，即得到镁基原位复合材料。

[0038] 实施例二：

[0039] 1)配料：取纯Al锭、纯Mg锭、纯Si块、纯Mn片、纯Gd条、Mg-Sr合金，按Al 7份、Sr 5份、Pb 2份、Mn 0.6、V0.001份、Gd 0.05份、Mg 85.349份进行配料，其中Mg-Sr合金中Sr的质量百分含量为25份；

[0040] 2)在坩埚底部先放入上述配料中Mg锭的一半，然后依次再放入纯Pb块、纯Al锭、纯V粉、纯Gd条、纯Mn片、Mg-Sr合金，最后把剩余的Mg锭放入，然后撒上1份的复合处理剂，该复合处理剂中各成分的质量比为：氯化钠∶氯化钡∶氯化铈∶氯化锌＝1∶2∶0.3∶0.5；

[0041] 3)对上述原料加热，加热温度升至720℃，保温20分钟；

[0042] 4)先将钢锭模预热至160℃，再将步骤3)的合金溶液浇注至钢锭模内，冷却至室温，即得到镁基原位复合材料。

[0043] 实施例三：

[0044] 1)配料：取纯Al锭、纯Mg锭、纯Si块、纯Mn片、纯Gd条、Mg-Sr合金，按Al 6份、Sr 5份、Pb 0.9份、Mn 0.5份、V0.002份、Gd 0.05份、Mg 87.548份进行配料，其中Mg-Sr合金中Sr的质量百分含量为25份；

[0045] 2)在坩埚底部先放入上述配料中Mg锭的一半，然后依次再放入纯Pb块、纯Al锭、纯V粉、纯Gd条、纯Mn片、Mg-Sr合金，最后把剩余的Mg锭放入，然后撒上2份的复合处理剂，该复合处理剂中各成分的质量比为：氯化钠∶氯化钡∶氯化铈∶氯化锌＝1∶2∶0.3∶0.4；

[0046] 3)对上述原料加热，加热温度升至700℃，保温15分钟；

[0047] 4)先将钢锭模预热至140℃，再将步骤3)的合金溶液浇注至钢锭模内，冷却至室温，即得到镁基原位复合材料。

[0048] 实施例四：

[0049] 配料：取纯Al锭、纯Mg锭、纯Si块、纯Mn片、纯Gd条、Mg-Sr合金，按Al 6份、Sr3份、Pb 1.5份、Mn 0.55份、V 0.005份、Gd 0.01份、Mg 88.935份进行配料，其中Mg-Sr合金中Sr的质量百分含量为25份；其它制备过程同实施例一。

[0050] 实施例五：

[0051] 配料：取纯Al锭、纯Mg锭、纯Si块、纯Mn片、纯Gd条、Mg-Sr合金，按Al 6份、Sr5份、Pb 1.3份、Mn 0.5份、V：0.003份、Gd 0.005份、Mg 87.192份进行配料，其中Mg-Sr合金中Sr的质量百分含量为25份；其它制备过程同实施例一。得到的镁基原位复合材料的金相组织如图1所示，由图中可见，白色的MgSrGdV硬质复杂化合物增强颗粒，黑色的为MgPbGdV硬质复杂化合物增强颗粒，颗粒细小，两种化合物交叉分布在镁固溶体的基体中。

[0052] 实验数据

[0053] 下表为不同成份的颗粒增强镁基原位复合材料的指标参数，其中对比材料为CN200710053784.4，产品1-产品4为采用本发明技术所得到的产品。

[0054]抗拉强度
材料编号 复合材料成份 硬度/HB 伸长率/％
/N/mm2
对比合金
Mg2Si/AM60 68.2 197.5 3.5-7.5
CN200710053784.4
产品1 实施例一得到的产品 71 205 13
产品2 实施例一得到的产品g 86 235 10
产品3 实施例一得到的产品 80 230 12
产品4 实施例一得到的产品 79 220 11

[0055] 由上表可见，本发明在颗粒增强镁基原位复合材料中加入Sr、Pb等元素后，合金的硬度提高、抗拉强度增大，伸长率不降低，产品性能良好。随着其中Sr、Pb元素含量升高而硬度提高、抗拉强度增大的原因是Sr、Pb和Mg、V等形成硬质复杂化合物增强颗粒，不仅对材料的硬度有利，而且由于硬质复杂化合物对位错滑移的阻碍作用使材料强度提高。

[0056] 本发明的材料塑性的改善来自稀土Gd对Sr、Pb和Mg、V等形成硬质复杂化合物的细化作用，因此减小了对基体的割裂作用。MgSrGdV硬质复杂化合物增强颗粒和硬质复杂化合物增强颗粒的交错分布可以缓和材料的应力集中，不仅利于强度的提高，更利于塑性的改善。Mn和Al作为常用合金元素对材料起固溶强化的作用。过多的加入Sr、Pb等元素会增大材料的脆性，反而降低材料的性能。