專利名稱：鎂基復(fù)合材料的制備方法及制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法及制備裝置，尤其涉及一種鎂基復(fù) 合材料的制備方法及制備裝置。
背景技術(shù)：
鎂合金是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)金屬材料中最輕的一種，純鎂的密度約為1.74克每 立方厘米，為鋁密度的2/3,鋼密度的1/4。鎂合金的優(yōu)點是密度小，比強度、 比鋼度高，減震性好，同時還具有優(yōu)良的鑄造性能、切削加工性能、導(dǎo)熱性 能和電磁屏蔽性能，被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、航空、航天、光學儀器制造 和國防等領(lǐng)域。
但是，現(xiàn)有技術(shù)中鎂合金的韌性及強度均不能達到工業(yè)上的要求。為了 解決這一問題， 一般采用向鎂合金中加入納米級增強體的方式提高材料的強 度和韌性。納米級增強體是具有納米級晶體的^^細顆粒。納米級增強體均勻 彌散分布于合金基體中可以有效細化合金的晶粒，從而提高合金強度。此類 納米級增強體有碳納米管(CNTs)、碳化硅(SiC)、氧化鋁(八1203)、碳化鈦(TiC) 等。為了使納米級增強體均勻分布于鎂基體中，解決鎂基復(fù)合材料中納米級 增強體納米級增強體的分散問題，通常采用粉末冶金的方法，將納米級增強 體粉體與鎂基金屬粉體混合，進行壓制成型。然而，現(xiàn)有技術(shù)中采用的單純 的粉末冶金法制備的鎂基復(fù)合材料內(nèi)部較為疏松，存在致密度不高等缺陷。 在現(xiàn)有技術(shù)中，為了解決這一問題，通常經(jīng)粉抹冶金法制備的鎂基復(fù)合材料 需要經(jīng)歷一個熱擠壓過程，使鎂合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密化，這一熱擠壓過程增加 了生產(chǎn)工序，進而增加了生產(chǎn)的成本。
高速壓制技術(shù)(HVC)是利用高速的錘頭(2至30米每秒)向充滿模腔的粉 末沖擊，利用粉末在短時間內(nèi)所受的一次或多次沖擊波能量而焊合，再經(jīng)過 燒結(jié)硬化而成形的工藝，是一種制備高密度超大零件的有效手段(請參見， HVC punches PM to new mass production limits, Richard F, MPR, vol 57(9),p26(2002))。并且，高速壓制的坯體在燒結(jié)硬化后不需要經(jīng)過熱擠壓過 程，筒化了工序，能夠使生產(chǎn)成本大大降低。但是，目前尚未有人將此種技 術(shù)應(yīng)用于鎂合金復(fù)合材料的制造，用以提高鎂合金復(fù)合材料的致密度，從而 提高鎂合金復(fù)合材料的強度及韌性。這主要是由于在高速壓制的過程中，由 于沖擊力的作用使粉體之間以及粉體與模具之間由于摩擦導(dǎo)致溫度上升，造 成鎂粉燃燒和爆炸，因此現(xiàn)有技術(shù)中所用的高速壓制機不適于應(yīng)用于鎂基粉 沫冶金過程中。
有鑒于此，確有必要提供一種鎂基復(fù)合材料的制備方法及一種高速壓制 裝置，使用該高速壓制裝置制備的鎂基復(fù)合材料中的納米級增強體均勻分 散，且該鎂基復(fù)合材料具有高致密性的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種鎂基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟提供大量鎂 基金屬粉體和大量納米級增強體；將鎂基金屬粉體與納米級增強體混合；以 及將混合后的粉體高速壓制，形成鎂基復(fù)合材料。本發(fā)明還涉及一種制備鎂 基復(fù)合材料的高速壓制裝置，包括一壓制錘頭、 一模具及一通氣設(shè)備，所述 壓制錘頭位于模具正上方，所述的高速壓制裝置進一步包括一密封腔體，通 氣設(shè)備位于密封腔體外部，并與密封腔體連接，壓制錘頭與模具位于密封腔 體中。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，利用本發(fā)明提供的高速壓制裝置可以將高速壓制原 理應(yīng)用于鎂基復(fù)合材料的制造領(lǐng)域，拓展了高速壓制法的應(yīng)用范圍。利用本 發(fā)明所提供的鎂基復(fù)合材料的制備方法，采用對粉體進行高速壓制的方法制 備鎂基復(fù)合材料，大大提高了所制備工件的致密性，從而改善了鎂合金的綜 合力學性能，所生產(chǎn)工件密度高、均勻度好。并且，本發(fā)明不需要經(jīng)過傳統(tǒng) 的粉末冶金法所必需的熱擠壓過程就能夠生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)致密的鎂基復(fù)合材料， 簡化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成低，提高了效率，可經(jīng)濟的形成大尺寸零件。


圖i是本技術(shù)方案鎂基復(fù)合材料的制備方法的流程示意圖。
圖2是本技術(shù)方案制備鎂基復(fù)合材料的高速壓制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖及具體實施例，對本技術(shù)方案提供的鎂基復(fù)合材料的制 備方法及一種高速壓制裝置作進一步的詳細說明。
請參閱圖1，本技術(shù)方案實施例提供了一種鎂基復(fù)合材料的制備方法，
其具體包括以下步驟
(一) 提供大量鎂基金屬粉體和大量納米級增強體。
本實施方式所提供之鎂基金屬粉體可以是純鎂粉也可以是鎂合金粉。當 所提供之鎂基金屬粉體為鎂合金粉時，該鎂合金粉組成元素除鎂外，還包含 鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、鈣等合金元素的一種或多種，其中鎂粉占總 質(zhì)量百分比80%以上，其它金屬元素粉體占質(zhì)量百分比20%以下。本實施例 中采用的鎂合金材料粉體的混合比例為鎂粉88.5-97.89份；鋁粉2-10份； 鋅粉0.1-1份；錳粉0.01-0.5份。鎂合金材料粉體的粒度小于200目。納米 級增強體加入量為總質(zhì)量的0.01-30%。該納米級增強體的種類可以為碳納米 管(CNTs)、碳化硅(SiC)納米顆粒、氧化鋁(Al203)納米顆粒及碳化鈦(TiC)納 米顆粒等以及它們的混合體，尺寸為1納米(nm)至10微米(pm)。本實施例 中采用的納米級增強體為市場上銷售的普通碳納米管，直徑為l-150nm,長 度為l-10nm。
提到的元素種類和比例，可以根據(jù)產(chǎn)品的不同需求進行調(diào)整。當復(fù)合材料要 求有良好的塑性變形能力時可以選用有利于提高鎂合金形變性能之元素種 類，如鋅、錳、鋁等；當復(fù)合材料要求有良好的剛度時可以選用有利于提高 鎂合金鑄造性能之元素種類和比例，如銅、硅等。
(二) 將鎂基金屬粉體與納米級增強體混合。
按上述比例將鎂基金屬粉體加入立式球磨機，在保護氣氛下球磨。根據(jù) 磨料量及納米級增強體加入量的不同，球磨0.5至24小時，球磨才幾轉(zhuǎn)速為 100至300轉(zhuǎn)每分鐘。球磨采用尼龍罐和剛玉球，目的是為了不污染粉末。 保護性氣體可以為氬氣、氮氣或氮氣與氫氣的混合氣體。球磨的目的是將鎂 基金屬粉體與納米級增強體混合均勻，并且不會使納米級增強體在鎂基金屬 粉體中產(chǎn)生團聚。
(三) 將混合后的粉體高速壓制。
將混合后的粉體高速壓制的步驟為在一高速壓制裝置100中進行。 請參閱圖2，本發(fā)明提供了一種鎂基復(fù)合材料的高速壓制裝置100，其 包括一密封腔體110、 一通氣設(shè)備120、 一壓制錘頭130及一模具140。所述 通氣設(shè)備120設(shè)置于密封腔體IIO外部，并與密封腔體110連接，通過通氣 設(shè)備120向密封腔體110中通入保護性氣體。保護性氣體為氬氣、氮氣或氮 氣與氫氣的混合氣體。本實施例中通氣設(shè)備120可進一步包括一真空泵、一 氣壓計、 一壓縮氣瓶，其中氣壓計所測壓力為密封腔體內(nèi)的氣壓。所述壓制 錘頭130與模具140位于密封腔體110之中。所述壓制錘頭130位于模具140 的正上方，沿軸向進動并具有一壓制速度。該壓制錘頭130可進一步通過液 壓閥門和控制系統(tǒng)(圖中未示出)控制其壓制速度。該壓制速度可以達到2 至30米每秒(m/s)。模具140具有一模腔150,及一位于模具140頂端的通 孔160。通孔160的形狀與壓制錘頭130的形狀嚴密配合，使壓制錘頭130 可以通過通孔160對才莫腔150中的粉體進行壓制。
本實施例中，將混合后的粉體在上述高速壓制裝置100中進行壓制包括 以下步驟
首先，將混合后的粉體填入高速壓制裝置100中模具140的模腔150內(nèi)。 其次，向高速壓制裝置IOO的密閉腔體110中通入保護性氣體。 將密封腔體110密封，通過通氣設(shè)備120的真空泵將密封腔體110內(nèi)部 抽成真空，從壓縮氣瓶中向密封腔體110內(nèi)部通入保護性氣體，此保護性氣 體可以為氬氣、氮氣或氮氣與氫氣的混合氣體，待氣壓計顯示為一個大氣壓 時停止通氣。
再次，壓制錘頭130通過模具140上表面的通孔160緩緩壓下，排出模 具中的多余氣體，并將粉體壓實。
通過控制系統(tǒng)開啟壓制錘頭130的液壓閥門，使壓制錘頭130緩緩壓下， 從模具140頂端的通孔160中進入模腔150內(nèi)部，排出模腔150中粉體縫隙 間的多余氣體，將粉體壓實。
最后，壓制錘頭130通過模具140上表面的通孔160反復(fù)高速沖擊模腔 150中的粉體，形成鎂基復(fù)合材料。
壓制錘頭130以2至30m/s的速度反復(fù)多次沖擊才莫腔150中的粉體，以 得到密度更高的鎂基復(fù)合材料。本實施例中當壓制速度為7m/s時，鎂基復(fù)
合材料的密度為1.77克每立方厘米(g/cm3)。
由于在高速壓制的過程中，壓力由靜壓變成動壓，粉體不僅受到靜壓力 的作用，還受到動量(質(zhì)量x速度)的作用，速度越大，動量越大，因此作 用在粉體上的力比單純使用靜態(tài)壓制法的力更大，從而提高了鎂基復(fù)合材料 的密度。并且，壓制錘頭120在高速運行的過程中撞擊粉體，產(chǎn)生強烈的沖 擊波。在粉體受到多次壓制的過程中，粉體密度逐次提高。并且，由于沖擊 力的作用使粉體之間以及粉體與模具之間由于摩擦導(dǎo)致溫度上升， 一般這個 溫度可以達到200°C。由于這一高速壓制的過程是在保護性氣氛下進行的， 并且，在第一次壓制時采用較慢的速度壓實粉體，因此在此后的高速壓制過 程中，升高的溫度不會引起鎂粉的燃燒。
可以理解，這一高速壓制的過程并不限于在上述高速壓制裝置100中進 行，其實質(zhì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)在保護氣氛下2至30m/s速度范圍多次動態(tài)壓制。 因此，依據(jù)本發(fā)明精神對本發(fā)明所述壓制裝置做其它非實質(zhì)性變化，都應(yīng)包 含在本發(fā)明所要求的保護范圍內(nèi)。
(四)將壓制后的鎂基復(fù)合材料在保護氣氛下燒結(jié)。
其中，將壓制后的鎂基復(fù)合材料在保護氣氛下燒結(jié)為在一燒結(jié)爐中進 行。保護氣氛為氬氣、氮氣或氮氣與氫氣的混合氣體。根據(jù)鎂基復(fù)合材料的 不同，燒結(jié)溫度為400至690。C之間，燒結(jié)時間在0.5至1小時之間。通過 燒結(jié)的過程，使鎂合金基體與納米顆粒增強體之間緊密結(jié)合。
本實施例所得到的鎂基復(fù)合材料密度為1.77g/cm3,接近理論密度，比 采用靜壓壓制的鎂基復(fù)合材料具有顯著提高。由于密度較高，因此在燒結(jié)之 后不需進行熱擠壓過程，能夠直接形成預(yù)定形狀的零件，提高了生產(chǎn)效率， 降低了成本。
可以理解，本發(fā)明所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法并不只限于上述的制 備步驟，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，當然，這些依 據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種鎂基復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟提供大量鎂基金屬粉體和大量納米級增強體；將鎂基金屬粉體與納米級增強體混合；以及將混合后的粉體在保護性氣體中高速壓制，形成鎂基復(fù)合材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的鎂基金 屬粉體為純鎂粉或鎂合金粉。
3. 如權(quán)利要求2所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的鎂基金 屬粉體的粒度小于200目。
4. 如權(quán)利要求1所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的納米級 增強體為碳納米管(CNTs)、碳化硅(SiC)納米顆粒、氧化鋁(Al203)納米顆粒、 碳化鈦(TiC)納米顆粒，或它們的混合體。
5. 如權(quán)利要求4所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的納米級 增強體的尺寸為1納米至IO微米。
6. 如權(quán)利要求1所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的納米級 增強體的添加量為總質(zhì)量的0.01%至30%。
7. 如權(quán)利要求1所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的壓制步 驟在一高速壓制裝置中進行，包括以下步驟 將混合后的粉體填入高速壓制裝置模具的模腔內(nèi)；向高速壓制裝置的密閉腔體中通入保護性氣體；壓制錘頭通過^t具上表面的通孔緩緩壓下，排出模具中的多余氣體，并將粉 體壓實；壓制錘頭通過模具上表面的通孔反復(fù)高速沖擊模具中的粉體，形成鎂基復(fù)合 材料。
8. 如權(quán)利要求1所述的4tt復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的將鎂基 金屬粉體與納米級增強體混合的步驟進一步包括一在保護氣氛下的球磨過程。
9. 如權(quán)利要求8所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述球磨過程 的時間為0.5至24小時。
10. 如權(quán)利要求1所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，形成鎂基復(fù)合 材料后進一步包括一保護氣氛下的燒結(jié)步^L
11. 如權(quán)利要求IO所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的燒結(jié)步驟為在一燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，其燒結(jié)溫度為400至680°C，燒結(jié)時間為0.5 至1小時。
12. 如權(quán)利要求l、 8或IO所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述 的保護氣氛為氬氣、氮氣或氮氣與氫氣的混合氣體。
13. —種制備鎂基復(fù)合材料的高速壓制裝置，包括一壓制錘頭、 一模具及一通氣 設(shè)備，所述壓制錘頭位于模具正上方，其特征在于，所述的高速壓制裝置進 一步包括一密封腔體，通氣設(shè)備位于密封腔體外部，并與密封腔體連接，壓 制錘頭與模具位于密封腔體中。
14. 如權(quán)利要求13所述的制^4tt復(fù)合材料的高速壓制裝置，其特征在于，所 述模具具有一模腔和一位于模具頂端的通孔，且該通孔的形狀與壓制錘頭的 形狀嚴密配合。
15. 如權(quán)利要求13所述的制備4美基復(fù)合材料的高速壓制裝置，其特征在于，壓 制錘頭的壓制速度為2至30米每秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎂基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟提供大量鎂基金屬粉體和大量納米級增強體；將鎂基金屬粉體與納米級增強體混合；以及將混合后的粉體高速壓制，形成鎂基復(fù)合材料。本發(fā)明還涉及一種制備鎂基復(fù)合材料的高速壓制裝置，包括一壓制錘頭、一模具及一通氣設(shè)備，所述壓制錘頭位于模具正上方，所述的高速壓制裝置進一步包括一密封腔體，通氣設(shè)備位于密封腔體外部，并與密封腔體連接，壓制錘頭與模具位于密封腔體中。采用本發(fā)明提供的制備裝置及方法，提高了所制備工件的致密性，簡化了鎂基復(fù)合材料粉末冶金法的生產(chǎn)步驟，可廣泛地應(yīng)用于3C產(chǎn)品、汽車零部件、航天航空零部件等方面。
文檔編號C22C23/00GK101386926SQ20071007711
公開日2009年3月18日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者李文珍, 杜青春, 陳正士, 陳錦修 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司