專利名稱：：鎂基復(fù)合材料和鎂基復(fù)合材料零件的成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體涉及一種鎂基復(fù)合材料和鎂基復(fù)合材料零件的制備方法。
背景技術(shù)：
：鎂合金由純鎂加入合金元素制成，鎂合金中常用的合金元素有鋁、鋅、錳、鋯及稀土元素等。鎂合金具有比重小、比強(qiáng)度髙的特殊優(yōu)異性能。但作為結(jié)構(gòu)材料，其硬度、剛度和耐磨性不夠理想，使其應(yīng)用受到一定的限制。而通過在鎂合金中添加硬質(zhì)顆粒則可制備出非連續(xù)增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料，在這種復(fù)合材料中，鎂合金為基體，硬質(zhì)顆粒為增強(qiáng)體(也稱增強(qiáng)相或第二相)，鎂基復(fù)合材料的硬度、剛度以及耐磨性等性能均有顯著的提高，并且鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量也有一定的提髙。鎂基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料的一種。金屬基復(fù)合材料的成形方法通?？梢院唵蔚胤譃槿N。第一種是液相成形法，又稱鑄造法，采用該方法制備金屬基復(fù)合材料時(shí)容易產(chǎn)生增強(qiáng)相偏聚、基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生有害的界面反應(yīng)、組織粗大、成分不均勻、易吸入氣體和雜質(zhì)等缺點(diǎn)，而且增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)較低，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低。第二種是固相成形法，又稱粉末冶金法，采用該方法能較好地避免鑄造法中的一些缺陷，如體積分?jǐn)?shù)可控，組織細(xì)小、成分均勻等，但粉末冶金工藝過程復(fù)雜，容易污染，材料尺寸小，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低，這些使其廣泛應(yīng)用受到一定的限制。例如中國專利文獻(xiàn)CN100376703C公開了一種鎂合金復(fù)合材料及其制備方法，該方法將碳化物或氧化物的納米顆粒和鎂合金粉末混合均勻，再經(jīng)過熱壓燒結(jié)和熱擠壓的工藝，得到顆粒增強(qiáng)鎂合金復(fù)合材料。該制備方法需要在真空的環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，進(jìn)行熱擠壓時(shí)要求壓制壓力髙，條件苛刻，過程復(fù)雜，使得制備的復(fù)合材料的尺寸受到限制。第三種是噴射共沉積法，采用噴射沉積法制備鎂基復(fù)合材料時(shí)工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高，投入大，成本高。金屬熔體在鑄造凝固過程中需要有良好的流動性以確保充型，然而流動性與熔體中初生相的形態(tài)、尺寸和體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，于是人們開發(fā)出了半固態(tài)成形技術(shù)。利用半固態(tài)成形技術(shù)可以生產(chǎn)出高性能合金零部件。對于塊狀金屬來說，半固態(tài)成形是在塊狀金屬熔化后的凝固過程中，對金屬熔體施加強(qiáng)烈攪拌而形成一種含有固相顆粒的固液混合漿料后所進(jìn)行的成形。如果將合金半固態(tài)成形與塑料注射成形相結(jié)合，則構(gòu)成通常所說的注射成形。中國專利文獻(xiàn)CN1817512A公開了一種鎂合金半固態(tài)注射成形方法和裝置，其方法是在通入保護(hù)氣體下對金屬粉末進(jìn)行混合，將金屬粉末定量送入金屬套筒中，采用螺旋輸送桿對金屬套筒中的金屬粉末施以剪切力，通過溫度調(diào)整，將金屬粉末轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃夯旌蠣顟B(tài)的漿料，最后利用注射機(jī)將半固態(tài)的槳料射出至一模具內(nèi)成形而形成半固態(tài)注射成形產(chǎn)品。這種方法所得到的產(chǎn)品為鎂合金產(chǎn)品，而不屬于金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品。再有，采用對金屬粉末進(jìn)行直接加熱的方式，這樣容易在加熱過程中導(dǎo)致粉末氧化，從而影響材料的性能。另外鎂合金粉末的活性很髙，這樣還會有爆炸的危險(xiǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述問題，提供一種工藝過程簡單、成本低的鎂基復(fù)合材料和鎂基復(fù)合材料零件的成形方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的半固態(tài)成形方法，具有以下步驟①在保護(hù)氣體的氛圍下，通過攪拌將鎂合金粉末與增強(qiáng)相粉末混合均勻，得到混合粉末。②將步驟①得到的混合粉末加入到具有規(guī)則內(nèi)腔的冷壓器具中進(jìn)行冷壓，得到與冷壓器具的內(nèi)腔形狀相對應(yīng)的復(fù)合材料的坯體。③將步驟②得到的復(fù)合材料的坯體放入加熱裝置中進(jìn)行加熱而成為半固態(tài)的固液混合物。④將步驟③得到的固液混合物注射填充到模具的型腔內(nèi)，得到相應(yīng)形狀的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料的零件。上述步驟①中所述的增強(qiáng)相粉末的化學(xué)成分為SiC、TiC或者Al203。增強(qiáng)相粉末是由相應(yīng)成分的塊狀或顆粒狀增強(qiáng)相物質(zhì)通過機(jī)械球磨后過篩得到，粉末粒子的平均粒徑為10jun80nm。上述步驟①中所述的鎂合金粉末的成分為MgaMb;其中a、b為重量份數(shù)，a+b=100，75《a《95，5《b《25;M為Al和Zn兩種金屬元素的組合，或者是Mn、Si和Cu三種元素的組合。鎂合金粉末是由所述塊狀或顆粒狀鎂合金通過機(jī)械球磨后過篩得到，粉末粒子的平均粒徑為20nm100nm。上述步驟②中冷壓壓力為280MPa320Mpa。冷壓時(shí)保壓時(shí)間為5min20min。冷壓時(shí)的環(huán)境溫度為0'C50r。上述步驟③中對坯體進(jìn)行加熱使其成為半固態(tài)的固液混合物時(shí)，其溫度為300'C650X:，保溫10min30min。上述步驟④中的旨壓力為180MPa220MEa。本發(fā)明具有的積極效果(1)本發(fā)明所采用的成形方法中，在原料成為半固態(tài)之前，先用冷壓壓制的方式制備復(fù)合材料的坯體，這樣可以大幅度降低金屬粉末中氣體的存在，有效避免在半固態(tài)加熱過程中材料的氧化和其他污染，安全性髙，從而在半固態(tài)成形時(shí)，使增強(qiáng)相粒子的組織細(xì)小、成分均勻，增強(qiáng)相粒子與鎂合金粉末粒子之間結(jié)合緊密，使所得到的鎂基復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合性能。(2)本發(fā)明在對金屬粉末加熱使其成為半固態(tài)以及保溫的過程中，不需要半固態(tài)成形常用的具有較大剪切力的機(jī)械攪拌裝置以及電磁攪拌裝置等復(fù)雜設(shè)備，使得工藝過程大大簡化、成本較低。(3)本發(fā)明的方法中，復(fù)合材料的坯體在半固態(tài)加熱保溫一定時(shí)間后直接進(jìn)行注射成形，不需要粉末冶金方法中粉末燒結(jié)的工序，提髙了效率，降低了成本，而且避免了在較高溫度下的長時(shí)間加熱，減少了氧化和其他污染的可能。同時(shí)由于半固態(tài)成形時(shí)溫度較低，避免了鎂合金基體與增強(qiáng)相粒子之間的反應(yīng)，界面無污染。(4)本發(fā)明的方法是金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域中的一次創(chuàng)新，所得到的成形的成品，根據(jù)第二模具的型腔形狀的不同，可以得到各種形狀的鎂基復(fù)合材料的零件，也可以制成鎂基復(fù)合材料的棒材、板材等，以適用于不同的需求。具體實(shí)施例方式(實(shí)施例l)本實(shí)施例的鎂基復(fù)合材料的半固態(tài)成形方法的步驟如下①將1.8kg的AZ91鎂合金粉末與0.2kg的SiC粉末經(jīng)混料器攪拌混合均勻，攪拌時(shí)充入惰性氣體Ar進(jìn)行保護(hù)。AZ91鎂合金粉末是由塊狀或顆粒狀的AZ91鎂合金通過機(jī)械球磨成粉末并過200目篩，得到平均粒徑為60fim的合金粉末。AZ91鎂合金的成分為8.59.5%A1，0.450.9%Zn，0.150.3%Mn,0.20%Si，0.01%Ni。其余為Mg。AZ91鎂合金也符合通式MgaMb,AZ91鎂合金中，由于其它元素M中Al和Zii為主要成分，所以，AZ91鎂合金中的M為Al和Zii兩種金屬的組合。SiC粉末是由塊狀或顆粒狀的SiC通過機(jī)械球磨后過400目篩,得到平均粒徑約為30fim的粉末粒子。②將步驟①得到的混合均勻的粉末加入到具有規(guī)則內(nèi)腔的冷壓器具中，在25'C的溫度下進(jìn)行冷壓壓制，冷壓壓力為300MPa，保壓時(shí)間為5min，得到與冷壓器具的內(nèi)腔形狀相對應(yīng)的復(fù)合材料的坯體。③將步驟②得到的復(fù)合材料的坯體放入加熱裝置中加熱到半固態(tài)溫度400'C，保溫10min后得到固液混合物。④將步驟③得到的固液混合物在200MPa的壓力下注射填充到模具的型腔內(nèi)，保持壓力為50MPa,保壓時(shí)間為20min，脫模取出即可得到相應(yīng)形狀的鎂基復(fù)合材料。本發(fā)明的鎂合金材料除了上述實(shí)施例中所采用的AZ91鎂合金(屬于A1、Zn兩種金屬組合)以外，還包括其他符合MgaMb的鎂合金，例如，還可以是Mn、Si、Cu三種金屬的組合。(實(shí)施例2實(shí)施例6)各實(shí)施例的鎂基復(fù)合材料的半固態(tài)成形方法與實(shí)施例1基本相同，不同之處見表1。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1、一種鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于采用半固態(tài)的成形方法，具有以下步驟①在保護(hù)氣體的氛圍下，通過攪拌將鎂合金粉末與增強(qiáng)相粉末混合均勻，得到混合粉末；②將步驟①得到的混合粉末加入到具有規(guī)則內(nèi)腔的冷壓器具中進(jìn)行冷壓，得到與冷壓器具的內(nèi)腔形狀相對應(yīng)的復(fù)合材料的坯體；③將步驟②得到的復(fù)合材料的坯體放入加熱裝置中進(jìn)行加熱而成為半固態(tài)的固液混合物；④將步驟③得到的固液混合物注射填充到模具的型腔內(nèi)，得到相應(yīng)形狀的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料的零件。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于步驟①中所述的增強(qiáng)相粉末的化學(xué)成分為SiC、TiC或者A1203。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于步驟①中所述的增強(qiáng)相粉末是由相應(yīng)成分的塊狀或顆粒狀增強(qiáng)相物質(zhì)通過機(jī)械球磨后過篩得到，粉末粒子的平均粒徑為10fim80jun。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于步驟①中所述的鎂合金粉末的成分為MgaMb;其中a、b為重量份數(shù)，a+b=100，75《a《95,5《b《25;M為Al和Zn兩種金屬元素的組合，或者是Mn、Si和Cu三種元素的組合。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于步驟①中所述的鎂合金粉末是由所述塊狀或顆粒狀鎂合金通過機(jī)械球磨后過篩得到，粉末粒子的平均粒徑為20nm100nm。6、根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于步驟②中冷壓壓力為280MPa320Mpa。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于步驟②中，冷壓時(shí)保壓時(shí)間為5min20min。8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于-步驟②中，冷壓時(shí)的環(huán)境溫度為0'C50'C。9、根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于步驟③中對坯體進(jìn)行加熱使其成為半固態(tài)的固液混合物時(shí)，其溫度為3001C650'C,保溫10min30min。10、根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的成形方法，其特征在于步驟④中的注射壓力為180MPa220MPa。全文摘要本發(fā)明公開了一種鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料零件的半固態(tài)成形方法，在保護(hù)氣體的氛圍下，通過攪拌將鎂合金粉末與增強(qiáng)相粉末混合均勻，得到混合粉末。將混合粉末加入到具有規(guī)則內(nèi)腔的冷壓器具中進(jìn)行冷壓，得到與冷壓器具的內(nèi)腔形狀相對應(yīng)的復(fù)合材料的坯體。將復(fù)合材料的坯體放入加熱裝置中進(jìn)行加熱而成為半固態(tài)的固液混合物。將固液混合物注射填充到模具的型腔內(nèi)，得到相應(yīng)形狀的鎂基復(fù)合材料或鎂基復(fù)合材料的零件。本發(fā)明的方法有效避免了氧化和其他污染，安全性高，并且工藝過程簡單，成本較低。文檔編號B22F3/12GK101439405SQ20081024398公開日2009年5月27日申請日期2008年12月19日優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日發(fā)明者李小平申請人:江蘇技術(shù)師范學(xué)院