一种新型镁合金复合材料的制备方法

摘要

本发明设计了一种新型镁合金复合材料的制备方法，其特征是：新型镁合金复合材料由铝、锌、锰、钕、铈、镁按比例混合，在镁合金熔体中加入镍包覆纳米SiC颗粒，同时施加电磁场，电磁模拟微重力使镍包覆纳米SiC颗粒在熔体中均匀分散，浇铸后对铸锭施加电场细化晶粒，最后对新型镁合金复合材料进行等径角挤压变形。该新型镁合金复合材料中钕元素具有弥散强化作用，形成金属化合物可阻止晶界滑移；铈元素可改善合金组织，细化晶粒；微重力场使镍包覆纳米SiC颗粒在熔体中分散均匀；电场可增加熔体的过冷度，降低形核势垒，使得晶粒细化；等径角挤压变形可以进一步细化晶粒，提高复合材料的综合力学性能。

权利要求

1.一种新型镁合金复合材料的制备方法，其特征是：步骤如下：将铝、锌、锰、钕、铈、镁按比例混合，经熔融后得镁合金熔体，在镁合金熔体中加入镍包覆纳米SiC颗粒，同时施加电磁场，所述电磁场的磁感应强度为0.6-0.8T，励磁电流为40-60A；电磁模拟微重力使镍包覆纳米SiC颗粒在熔体中均匀分散，浇铸后对铸锭施加电场细化晶粒，所述电场的电流密度为1500-3000A/cm2，频率为1200-2500Hz，脉冲宽度为40-80μs；最后对新型镁合金复合材料进行等径角挤压变形；等径角挤压模具内角Φ＝120°-140°，挤压前镁合金复合材料铸锭加热至150-250℃；

所述铝、锌、锰、钕、铈、镁、镍包覆纳米SiC颗粒的用量比例为：铝：12-15wt.％、锌：2-

4wt.％、锰：1-3wt.％、钕：0.5-1.0wt.％、铈：0.5-1.0wt.％、镍包覆纳米SiC颗粒：4.0-

5.0wt.％，余量为镁。

2.根据权利要求1所述的一种新型镁合金复合材料的制备方法，其特征是，所述浇铸温度为840-920℃。

3.一种新型镁合金复合材料，其特征是，是通过权利要求1～2中任一项所述制备方法制得的，所得的镁合金复合材料中化学成分及质量分数为：铝：12-15wt.％、锌：2-4wt.％、锰：1-3wt.％、钕：0.5-1.0wt.％、铈：0.5-1.0wt.％、镍包覆纳米SiC颗粒：4.0-5.0wt.％，余量为镁，其中，镍包覆纳米SiC颗粒直径为50-70nm。

说明书

一种新型镁合金复合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料领域，具体是一种新型镁合金复合材料的制备方法。

背景技术

[0002] 镁合金具有比模量和比强度高、减震且易于成型加工等优良性能，广泛应用于汽车、电子、航空航天等领域，是一种极具潜力的工程材料。然而镁合金耐蚀和耐磨性能差、硬度低，限制了镁合金的使用范围，因此，研制耐蚀和耐磨性能强、硬度高的新型镁合金复合材料已成为镁合金的重要发展方向。

[0003] 镁合金复合材料在铸造成型加工过程中离不开搅拌，传统的机械搅拌不仅难以使增强相分布均匀，而且还会造成表面质量差、皮下气孔严重、成分偏析大等不足。利用电磁模拟微重力环境，可以使镁合金复合材料熔体处于准失重状态，从而使增强体颗粒在熔体中分布均匀。此外，浇铸后对铸锭施加电场，可起到细化晶粒的作用。

[0004] 纳米SiC颗粒目前广泛应用于铝合金等金属基复合材料中最为增强体，提高了金属基体材料的性能。将纳米SiC颗粒添加到镁合金中，能提高镁合金的力学性能和耐磨性能，但是纳米SiC颗粒在镁合金中的应用较少，主要原因是镁较为活泼，纳米SiC颗粒与镁会发生界面反应，导致颗粒增强效果减弱。

[0005] 此外，传统加工镁合金存在强度偏低、延展性小、耐磨性能差，疲劳寿命短等缺陷。

发明内容

[0006] 为克服上述缺陷，本发明设计了一种新型镁合金复合材料的制备方法，发明主要解决传统镁合金耐磨性能差，硬度低，强韧性差的问题。

[0007] 一种新型镁合金复合材料，其中化学成分及质量分数为：铝：12-15 wt.%、锌：2-4 wt.%、锰：1-3 wt.%、钕：0.5-1.0 wt.%、铈：0.5-1.0 wt.%、镍包覆纳米SiC颗粒：4.0-5.0 wt. %，余量为镁；所述镍包覆纳米SiC颗粒直径为50-70 nm。

[0008] 为实现上述目的，本发明还提出了一种新型镁合金复合材料的制备方法，步骤如下：将铝、锌、锰、钕、铈、镁按比例混合，经熔融后得镁合金熔体，在镁合金熔体中加入镍包覆纳米SiC颗粒，同时施加电磁场，电磁模拟微重力使镍包覆纳米SiC颗粒在熔体中均匀分散，浇铸后对铸锭施加电场细化晶粒，最后对新型镁合金复合材料进行等径角挤压变形。

[0009] 所述铝、锌、锰、钕、铈、镁、镍包覆纳米SiC颗粒的用量比例为：铝：12-15 wt.%、锌：2-4 wt.%、锰：1-3 wt.%、钕：0.5-1.0 wt.%、铈：0.5-1.0 wt.%、镍包覆纳米SiC颗粒：4.0-
5.0 wt. %，余量为镁。

[0010] 所述电磁场的磁感应强度为0.6-0.8 T，励磁电流为40-60 A。

[0011] 所述浇注温度为840-920℃。

[0012] 所述电场的电流密度为1500-3000 A/cm2，频率为1200-2500 Hz，脉冲宽度为40-80μs。

[0013] 所述等径角挤压模具内角Φ=120°-140°，挤压前镁合金复合材料铸锭加热至150-250℃。

[0014] 电磁模拟微重力场的作用机制:

[0015] 普通条件下，纳米SiC颗粒在镁合金熔体中会发生偏聚现象，降低颗粒增强效果。镁合金熔体在电磁场中会产生电磁容积力，作用于熔体的单元体上，对重力有抵消的效果。
纳米 SiC 颗粒作为弥散粒子分布在基体中，经金属包覆后，可受电磁场作用，并改善界面结合质量。通过调整磁感应强度和电流密度，使SiC 颗粒和基体的电磁容积力相等，从而使熔体整体处于微重力状态，实现纳米 SiC 颗粒的均匀分布。

[0016] 本发明的有益效果：

[0017] 采用本发明制备的镁合金复合材料，在镁合金中添加镍包覆纳米SiC颗粒，使用电磁场+电场+等径角挤压变形加工方法制备新型镁合金复合材料。该新型镁合金复合材料中钕元素具有弥散强化作用，形成金属化合物可阻止晶界滑移；铈元素可改善合金组织，细化晶粒；电磁模拟微重力场可使镍包覆纳米SiC颗粒在熔体中分散均匀；电场可增加熔体的过冷度，降低形核势垒，使得晶粒细化；等径角挤压变形可以进一步细化晶粒，提高复合材料的综合力学性能。

具体实施方式

[0018] 结合实施例进一步说明本发明。

[0019] 实施例1

[0020] 新型镁合金复合材料的化学成分为，铝：12.0 %、锌：2.1 %、锰：1.2 %、钕：0.5 %、铈：0.5 %、余量为镁。在熔融的镁合金材料中加入直径为55 nm镍包覆纳米SiC颗粒，添加量为4.0 wt. %，加入电磁场的磁感应强度为0.6 T，励磁电流为40 A。浇铸后对铸锭施加电场细化晶粒，浇注温度840 ℃，电场的电流密度为1600 A/cm2，频率为1200 Hz，脉冲宽度为45μs。然后对新型镁合金复合材料进行等径角挤压变形，等径角挤压模具内角Φ=120°。

[0021] 结果表明：与传统方法铸造的镁合金相比，新型镁合金复合材料的抗拉强度达到285MPa，屈服强度达到97 MPa，伸长率达到12%，布氏硬度达到92，磨损量为0.36%。

[0022] 实施例2

[0023] 新型镁合金复合材料的化学成分为，铝：13.0 %、锌：2.4 %、锰：1.5 %、钕：0.6 %、铈：0.7 %、余量为镁。在熔融的镁合金材料中加入直径为60 nm的镍包覆纳米SiC颗粒，添加量为4.5 wt. %，加入电磁场的磁感应强度为0.7 T，励磁电流为43 A。浇铸后对铸锭施加电场细化晶粒，浇注温度870 ℃，电场的电流密度为1800 A/cm2，频率为1600 Hz，脉冲宽度为50μs。然后对新型镁合金复合材料进行等径角挤压变形，等径角挤压模具内角Φ=130°。

[0024] 结果表明：与传统方法铸造的镁合金相比，新型镁合金复合材料抗拉强度达到291MPa，屈服强度达到104 MPa，伸长率达到13%，布氏硬度达到95，磨损量为0.30%。

[0025] 实施例3

[0026] 新型镁合金复合材料的化学成分为，铝：14.0 %、锌：3.3 %、锰：2.0 %、钕：0.7 %、铈：0.7 %、余量为镁。在熔融的镁合金材料中加入直径为65 nm的镍包覆纳米SiC颗粒，添加量为4.5 wt. %，加入电磁场的磁感应强度为0.75 T，励磁电流为52 A。浇铸后对铸锭施加电场细化晶粒，浇注温度900 ℃，电场的电流密度为2200 A/cm2，频率为1300 Hz，脉冲宽度为64μs。然后对新型镁合金复合材料进行等径角挤压，等径角挤压模具内角Φ=135°。

[0027] 结果表明：与传统方法铸造的镁合金相比，新型镁合金复合材料抗拉强度达到304MPa，屈服强度达到112 MPa，伸长率达到15 %，布氏硬度达到103，磨损量为0.28%。

[0028] 实施例4

[0029] 新型镁合金复合材料的化学成分为，铝：14.0 %、锌：3.5%、锰：2.4 %、钕：0.9 %、铈：0.8 %、余量为镁。在熔融的镁合金材料中加入直径为62 nm的镍包覆纳米SiC颗粒，添加量为5.0 wt. %，加入电磁场的磁感应强度为0.8 T，励磁电流为58 A。浇铸后对铸锭施加电场细化晶粒，浇注温度900 ℃，电场的电流密度为2500 A/cm2，频率为2400 Hz，脉冲宽度为70μs。然后对新型镁合金复合材料进行等径角挤压变形，等径角挤压模具内角Φ=130°。

[0030] 结果表明：与传统方法铸造的镁合金相比，新型镁合金复合材料的抗拉强度达到310MPa，屈服强度达到119 MPa，伸长率达到15%，布氏硬度达到108，磨损量为0.24%。

[0031] 实施例5

[0032] 新型镁合金复合材料的化学成分为，铝：15.0 %、锌：3.8 %、锰：2.8 %、钕：1.0 %、铈：1.0 %、余量为镁。在熔融的镁合金材料中加入直径为59 nm镍包覆纳米SiC颗粒，添加量为5.0 wt. %，加入电磁场的磁感应强度为0.6 T，励磁电流为45 A。浇铸后对铸锭施加电场细化晶粒，浇注温度920 ℃，电场的电流密度为2800 A/cm2，频率为1900 Hz，脉冲宽度为57μs。然后对新型镁合金复合材料进行等径角挤压变形，等径角挤压模具内角Φ=130°。

[0033] 结果表明：与传统方法铸造镁合金相比，新型镁合金复合材料抗拉强度达到324MPa，屈服强度达到121 MPa，伸长率达到16%，布氏硬度达到112，磨损量为0.09%。