專利名稱：一種納米晶態(tài)多晶鎂材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能鎂合金或鎂基復(fù)合材料，所制備材料基體晶粒尺寸處于納米級(jí)，材料具有高強(qiáng)韌特征，屬于新材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
地球上的鎂資源儲(chǔ)量十分豐富，大約占地殼質(zhì)量的2%，占海水質(zhì)量的0. 14%，同時(shí)鎂合金及其復(fù)合材料具有比剛度、比強(qiáng)度高、抗振性能好等性能優(yōu)勢(shì)，輕量化、強(qiáng)韌化是當(dāng)代機(jī)電產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，首先表現(xiàn)在汽車、飛機(jī)和航天器等遠(yuǎn)載工具制造業(yè)上，隨著這些行業(yè)的發(fā)展，對(duì)鎂基合金的強(qiáng)韌化提出了更高要求，因此認(rèn)為高強(qiáng)韌鎂材在先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料方面頗有發(fā)展?jié)摿?。然而在?shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，鎂材并沒有得到廣泛應(yīng)用，原因是鎂的強(qiáng)韌性尚且達(dá)不到常規(guī)結(jié)構(gòu)材料的使用要求，因此探索一條行之有效的提高鎂材強(qiáng)韌度的途徑是非常必要的。前期文獻(xiàn)顯示，提高材料強(qiáng)韌性的主要途徑有
第一細(xì)化基體晶粒，晶粒細(xì)化到一定程度時(shí)可以保證多晶鎂合金具備充分的延性轉(zhuǎn)變能力
細(xì)晶方法一是用擠壓技術(shù)促進(jìn)材料變形，專利01^8128. 6提供一種制備超細(xì)晶粒組織變形鎂合金的方法，其特征在于將鎂合金在330 370°C，固溶處理1 2小時(shí)；再在 130 160°C時(shí)效8 10小時(shí)；最后在330 370°C下，一次等溫變形，變形量彡75%，該發(fā)明將變形溫度調(diào)高到固溶溫度區(qū)，從而使得大變形量可以一次性完成，因而從根本上避免了，由于反復(fù)多道次軋制過程中間的軟化處理對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響。細(xì)晶方法二 是在凝固過程中加入晶粒細(xì)化劑。專利02135921.0提供一種鎂合金晶粒細(xì)化劑及其制備方法，該細(xì)化劑的化學(xué)成分包括72. 50-99. 80%鋁，0. 02-20. 00%碳， 0. 00-10. 00%鎂，細(xì)化劑的制備方法是將鋁粉、石墨粉和鎂粉混和均勻、烘干、壓塊，然后在真空或惰性氣體保護(hù)下，于700-1000°C保溫不少于25分鐘，該方法所得細(xì)化劑為金屬塊體，向鎂合金熔體中添加方便，易于控制加入量和成分含量，以微量加入可達(dá)到高效細(xì)化的目的，同時(shí)不易受處理溫度和時(shí)間及工藝條件的影響。細(xì)晶方法三是采用合金化方法，即在鎂合金中加入稀土、Li合金。細(xì)晶方法四是采用快速凝固技術(shù)，可制備多晶和非晶鎂基合金。但是以上方法只是在一定程度上促進(jìn)了鎂合金的細(xì)化，與納米晶態(tài)仍有一定差距。第二種方法是制備鎂基復(fù)合材料。復(fù)合方法一是用外加增強(qiáng)相法，可選用的增強(qiáng)相有小尺寸SiC顆粒、碳納米管等，因?yàn)橥饧酉喑叽缧。嬖诓蝗菀追稚⒑筒蝗菀诐?rùn)濕的關(guān)鍵問題，而且對(duì)強(qiáng)度韌性提高的幅度很有限，當(dāng)對(duì)外加相表面進(jìn)行涂覆處理后能在一定程度上克服團(tuán)簇，但仍存在材料組織不穩(wěn)定的問題；同時(shí)使用納米管等增強(qiáng)提高了材料制備成本。復(fù)合方法二是用原位內(nèi)生方法。通過非晶晶化或部分晶化，在非晶鎂合金基體中得到自生納米顆粒，將會(huì)非常顯著提高鎂基合金的強(qiáng)韌性。本發(fā)明提供的方法是通過深冷-低熱循環(huán)處理鎂合金或鎂基復(fù)合材料，鎂材基體晶粒度尺寸在納米級(jí)，材料強(qiáng)韌度提高，與現(xiàn)有文獻(xiàn)相比，該法可實(shí)現(xiàn)“高效率、高質(zhì)量、低成本、低污染”地制備高強(qiáng)韌鎂材。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容是將鑄態(tài)或變形態(tài)鎂合金或鎂基復(fù)合材料，進(jìn)行深冷-低熱循環(huán)處理，通過控制過程參數(shù)，制備出一種具有基體納米晶態(tài)的鎂材。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
第一步是原料準(zhǔn)備對(duì)于鑄造鎂合金或鎂基復(fù)合材料，通過熔煉-鑄造方式制備鎂材；對(duì)于變形鎂合金，需再經(jīng)過均質(zhì)處理、擠壓變形、固溶時(shí)效處理后續(xù)處理。第二步是深冷低熱處理將固態(tài)鎂材置入深冷處理箱，從室溫降低到液氮溫度-196°C，冷卻速度控制在4(T80°C /s，隨試樣尺寸增大而減小，目的在于防止因急冷造成表面裂紋，造成樣品損壞，冷處理時(shí)間2(Tl20min，隨樣品尺寸增加而增加，冷處理結(jié)束后取出樣品，準(zhǔn)備進(jìn)行低熱處理；低熱處理溫度與鎂材性質(zhì)有關(guān)對(duì)于鑄造鎂合金或鎂基復(fù)合材料，可直接置于室溫環(huán)境(-5 35°C均可)，對(duì)于變形鎂合金或鎂基復(fù)合材料，加熱到低于時(shí)效溫度5°C的低熱環(huán)境中；低熱處理時(shí)間與鎂材性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于變形鎂合金或鎂基復(fù)合材料，時(shí)間和鎂合金或鎂基復(fù)合材料的基體鎂合金的時(shí)效處理時(shí)間相同，并在熱處理后置于空氣中冷卻；對(duì)于鑄造鎂合金或鎂基復(fù)合材料，時(shí)間設(shè)定為6(Tl20min，處理時(shí)間隨鎂材尺寸增加而增加；第三步循環(huán)冷熱處理將一次冷熱處理后的樣品，重復(fù)第二步操作，進(jìn)行第二次深冷低熱處理；按照同樣操作方法，進(jìn)行第三次深冷低熱處理直至第N次深冷低熱處理，對(duì)于變形鎂合金或鎂基復(fù)合材料后一次的低熱處理溫度應(yīng)比前一次的低熱處理溫度低5°C ；綜合考慮樣品處理周期、實(shí)驗(yàn)成本等因素，循環(huán)次數(shù)設(shè)定為(Γ3次，所述0次指只進(jìn)行1次深冷低熱處理，依此類推，所述3次指進(jìn)行了 4次深冷低熱處理，在該范圍內(nèi)，循環(huán)次數(shù)越多，納米晶態(tài)特征就越明顯。與其他文獻(xiàn)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)
(1)成效明顯，與加入細(xì)化劑和擠壓變形細(xì)晶等方法相比，冷熱循環(huán)處理的細(xì)晶效果更明顯，可以將晶粒細(xì)化到納米尺度，鎂材基體晶粒處于納米級(jí)，具有納米晶組織的鎂材，其強(qiáng)度比未處理基體的強(qiáng)度高3(Γ50%，其延伸率較未處理基體的延伸率高2(Γ40% ；
(2)成本低，與擠壓變形細(xì)化鎂材晶粒的專利和方法相比，冷熱循環(huán)處理需要的裝備簡(jiǎn)單，實(shí)施成本低；
(3)效率高，現(xiàn)有文獻(xiàn)中，擠壓變形是鎂材晶粒細(xì)化效果最好的途徑，但晶粒細(xì)化尺度達(dá)不到納米級(jí)，深冷低熱循環(huán)處理方法能較穩(wěn)定地將鎂材基體晶粒度控制在納米級(jí)；
(4)操作簡(jiǎn)單，容易掌握，與細(xì)化劑和變形細(xì)晶方法相比，本發(fā)明采用的深冷低熱循環(huán)處理具有操作簡(jiǎn)單，過程不可控因素少，容易掌握的優(yōu)點(diǎn)，易于工業(yè)推廣和普及。


圖1 ΑΖ91變形鎂合金一次深冷低熱處理后的透射組織圖； 圖2 ΑΖ31鑄造鎂合金兩次深冷低熱循環(huán)處理后的組織圖；圖3 Mg2Si強(qiáng)化AZ91鎂基復(fù)合材料三次深冷低熱循環(huán)處理后的組織圖； (a)納米晶形貌(b)納米晶衍射環(huán)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不是以任何方式來限制本發(fā)明。實(shí)施例一 AZ91變形鎂合金的“納米基體晶態(tài)組織”的深冷低熱循環(huán)處理 將半連續(xù)鑄造得到的AZ91D鎂合金經(jīng)過均質(zhì)處理、擠壓變形、固溶時(shí)效處理后制成
10*10*20的塊體。一次深冷低熱處理將樣品置入深冷處理箱中，冷卻速度控制在80°C /s,直到液氮溫度-196°C，冷處理時(shí)間30min，取出后放入石墨粉內(nèi)，防止低熱處理時(shí)氧化，置入熱處理爐，低熱時(shí)效溫度195°C，S卩比常規(guī)時(shí)效溫度200°C低5°C，時(shí)效時(shí)間4h，結(jié)束后進(jìn)行組織測(cè)試，結(jié)果如圖1所示，晶粒尺寸40-50nm。實(shí)施例二 AZ31鑄造鎂合金的“納米基體晶態(tài)組織”的深冷低熱循環(huán)處理 熔煉好的AZ31鑄造鎂合金通過重力鑄造成型，制備成2(^20*40的塊體。第一次深冷低熱處理將試樣置入深冷處理箱，冷卻速度控制在60°C /s,直到液氮溫度-196°C，冷處理時(shí)間80min，取出后放入空氣中，放置時(shí)間80min ；
第一次深冷低熱循環(huán)處理再置入深冷處理箱，冷卻速度控制在60°C /s，直到液氮溫度-196°C，冷處理時(shí)間80min，取出后放入空氣中，放置時(shí)間80min，結(jié)束后進(jìn)行組織測(cè)試， 結(jié)果如圖2所示，晶粒尺寸30-40nm。實(shí)施例三=Mg2Si強(qiáng)化AZ91變形鎂基復(fù)合材料的“納米基體晶態(tài)組織”的深冷低熱循環(huán)處理
AZ91熔煉過程中加入Si，制備Mg2Si顆粒強(qiáng)化AZ91鎂基復(fù)合材料，將半連續(xù)鑄造得到的AZ91D鎂基復(fù)合材料經(jīng)過均質(zhì)處理、擠壓變形、固溶時(shí)效處理后制成30*30*60的塊體。第一次深冷低熱處理將試樣置入深冷處理箱中，冷卻速度控制在40°C /s，直到液氮溫度_196°C，冷處理時(shí)間120min ；取出后放入石墨粉內(nèi)(防止低熱處理時(shí)氧化)置入熱處理爐，低熱時(shí)效溫度195°C，時(shí)效時(shí)間4h。第一次深冷低熱循環(huán)處理將第一次處理后試樣置入深冷處理箱中，冷卻速度控制在40°C /s，直到液氮溫度_196°C，冷處理時(shí)間120min ；取出后放入石墨粉內(nèi)(防止低熱處理時(shí)氧化)置入熱處理爐，低熱時(shí)效溫度190°C，時(shí)效時(shí)間4h。第二次深冷低熱循環(huán)處理將第二次處理后試樣置入深冷處理箱中，冷卻速度控制在40°C /s，直到液氮溫度_196°C，冷處理時(shí)間120min ；取出后放入石墨粉內(nèi)(防止低熱處理時(shí)氧化)置入熱處理爐，低熱時(shí)效溫度185°C，時(shí)效時(shí)間4h。結(jié)束后進(jìn)行組織測(cè)試，結(jié)果如圖3所示，納米晶尺寸30nm左右。
權(quán)利要求
1.一種納米晶態(tài)多晶鎂材的制備方法，所述鎂材指鎂合金或鎂基復(fù)合材料，其特征在于將鑄造或變形后的固態(tài)鎂材進(jìn)行深冷-低熱循環(huán)處理，通過控制深冷溫度、冷卻速度、 冷處理時(shí)間、低熱溫度、熱處理時(shí)間和冷熱循環(huán)次數(shù)使得處理后鎂材具有納米晶的微觀組幺口 /Ν O
2.如權(quán)利要求1所述的一種納米晶態(tài)多晶鎂材的制備方法，其特征在于所述深冷-低熱循環(huán)處理是指將固態(tài)鎂材置入深冷處理箱，從室溫降低到液氮溫度-196°C，冷卻速度控制在4(T80°C /s，冷處理時(shí)間2(Tl20min，冷處理結(jié)束后取出樣品，準(zhǔn)備進(jìn)行低熱處理；對(duì)于鑄造鎂合金或鎂基復(fù)合材料，直接置于室溫環(huán)境，對(duì)于變形鎂合金或鎂基復(fù)合材料，加熱到低于時(shí)效溫度5°C的低熱環(huán)境中；對(duì)于變形鎂合金或鎂基復(fù)合材料，低熱處理時(shí)間和鎂合金或鎂基復(fù)合材料的基體鎂合金的時(shí)效處理時(shí)間相同，并在熱處理后置于空氣中冷卻；對(duì)于鑄造鎂合金或鎂基復(fù)合材料，低熱處理時(shí)間設(shè)定為6(Tl20min ；第三步循環(huán)冷熱處理將一次冷熱處理后的樣品，重復(fù)第二步操作，進(jìn)行第二次深冷低熱處理；按照同樣操作方法，進(jìn)行第三次深冷低熱處理直至第N次深冷低熱處理，對(duì)于變形鎂合金或鎂基復(fù)合材料后一次的低熱處理溫度應(yīng)比前一次的低熱處理溫度低5°C ；循環(huán)次數(shù)設(shè)定為(Γ3次，在該范圍內(nèi)，循環(huán)次數(shù)越多，納米晶態(tài)特征就越明顯。
3.如權(quán)利要求2所述的一種納米晶態(tài)多晶鎂材的制備方法，其特征在于所述室溫指-5 35 °C。
全文摘要
本發(fā)明涉及高性能鎂合金或鎂基復(fù)合材料，所制備材料基體晶粒尺寸處于納米級(jí)，材料具有高強(qiáng)韌特征，屬于新材料制備領(lǐng)域。即將將鑄態(tài)或變形態(tài)鎂合金或鎂基復(fù)合材料進(jìn)行深冷-低熱循環(huán)處理，控制深冷溫度、冷處理時(shí)間、冷熱循環(huán)次數(shù)、低熱溫度和熱處理時(shí)間等重要參數(shù)，處理后鎂材具有納米晶的微觀組織，對(duì)應(yīng)高強(qiáng)高韌的力學(xué)性能，是一種制備高性能鎂材的“高性能、高效率、低成本、低污染”方法。
文檔編號(hào)C22F1/06GK102296257SQ20111028173
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者張勛寅, 李桂榮, 王宏明, 趙玉濤 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)