純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料、制備及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料、制備及其應(yīng)用，純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料由芯層和包覆層組成，芯層為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，包覆層為純鋁，純鋁包覆層的單邊厚度為2-6mm，芯層SiC顆粒均勻分散在鎂基復(fù)合材料中，SiC顆粒的體積為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料總體積的5％-20％，SiC顆粒直徑尺寸≤10μm，制備步驟包括：(1)制備SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，(2)制備純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，本發(fā)明還提供了純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在制備型材中的應(yīng)用。本發(fā)明提供的材料具有良好的可加工性、成形性、裝飾性和耐蝕性。
【專利說明】純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料、制備及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料、制備及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]實用金屬材料中，鎂合金密度最低，是自然界中能夠使用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。但鎂合金的低模量、低強(qiáng)度、低的磨損抗力、高的熱膨脹系數(shù)和較差的高溫性能等限制了鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)上的應(yīng)用范圍。
[0003]在鎂合金中加入SiC顆粒制得鎂基復(fù)合材料，可顯著增強(qiáng)鎂合金的耐磨性能。同鎂合金相比，鎂基復(fù)合材料具有較高的比模量、比強(qiáng)度、磨損抗力和較低的熱膨脹系數(shù)，在航空航天及汽車工業(yè)等領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。鑄態(tài)鎂基復(fù)合材料存在晶粒粗大、縮孔和疏松等缺陷，為了減少鎂基復(fù)合材料的鑄造缺陷并提高其力學(xué)性能，需對其進(jìn)行熱加工。而同鎂合金相比，鎂基復(fù)合材料的塑韌性較差，在熱加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋缺陷，因此，限制了鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料、制備及其應(yīng)用，改善SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的可加工性、成形性、裝飾性和耐蝕性。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0005]純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，由芯層和包覆層組成，芯層為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，包覆層為純鋁，純鋁包覆層的單邊厚度為2-6mm，芯層SiC顆粒均勻分散在鎂基復(fù)合材料中，SiC顆粒的體積為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料總體積的5% -20%，SiC顆粒直徑尺寸(10 μ m。
[0006]純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0007](I)制備SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料；
[0008](2)制備純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
[0009]其中步驟(I)制備SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，可參考本專利 申請人:在申請?zhí)枮?201210236226.2的“一種鎂合金摻雜SiC顆粒的增強(qiáng)方法”所述的方法，特別的要求是:依據(jù)鎂合金的質(zhì)量，SiC顆粒的體積為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料總體積的5% -20%，確定SiC顆粒的質(zhì)量，選用SiC顆粒直徑的尺寸< 10 μ m。
[0010]將得到的SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料鑄錠經(jīng)過車床和磨床的加工，獲得光亮整潔的表面，便于純鋁包覆，將上述制得的復(fù)合材料棒和純鋁塊使用蒸餾水清洗干凈，然后烘干備用。
[0011]其中步驟(2)制備純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，又包括如下步驟:
[0012]A、將步驟(I)制得的SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料錠置于圓筒形模具內(nèi)，并用鋁箔封住模具口，然后將模具置于加熱爐中進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度400°C ±5°C，[0013]B、清理坩堝:將坩堝置于電阻爐爐膛，開啟熔煉坩堝加熱器將坩堝加熱至700 0C ± 5°C，使用清理工具將坩堝內(nèi)壁清理干凈，并將殘余的物質(zhì)倒出，
[0014]C、熔煉:將純鋁塊置于熔煉坩堝中，開啟熔煉坩堝加熱器，使坩堝內(nèi)溫度逐漸升至700 0C ±5°C，使純鋁塊熔化，
[0015]D、包覆澆鑄:將熔煉液對準(zhǔn)裝有SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料錠的模具型腔進(jìn)行澆注，然后靜置冷卻，成純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠，
[0016]E、加壓凝固:當(dāng)純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠冷卻至600°C ±5°C時，將模具及純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠置于壓力機(jī)上，進(jìn)行壓制，壓強(qiáng)為lOOMPa，在加壓過程中冷卻至420°C ±5°C，
[0017]F、打開開合架，取出鑄錠，使鑄錠在空氣中自然冷卻至室溫，
[0018]G、熱處理:將純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠在370°C ±5°C保溫此±0.5h，然后將溫度升至420°C ±5°C，并保溫24h±2h。目的是消除鋁鎂層間的硬脆相，并使鎂-鋁在界面處能夠充分?jǐn)U散，以提高界面結(jié)合強(qiáng)度，
[0019]H、機(jī)械切制、清理
[0020]將熱處理后的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的底端未被包覆部分和頂端的純鋁機(jī)械切掉，然后用砂紙打磨，以便獲得光亮整潔的表面。
[0021]通過以上方法便可以制得界面結(jié)合良好的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
[0022]純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在制作型材中的應(yīng)用，通過以下步驟制成純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料型材:
[0023]A、將制得的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料線切割制樣，擠壓料長度為50mm，
[0024]B、將擠壓設(shè)備及型材擠壓模具進(jìn)行組裝，并預(yù)先調(diào)試，
[0025]C、將模具及擠壓料分別放入加熱爐中，將爐溫設(shè)定為350°C，到溫度后，保溫30min，
[0026]D、將擠壓料從加熱爐中取出并放入型材擠壓模具中，開啟擠壓設(shè)備進(jìn)行擠壓，
[0027]E、擠壓完成后，斷開電源開關(guān)，升起壓力機(jī)，從擠壓模具中取出擠壓出的型材。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有:
[0029]1、由于純鋁表面光亮且抗腐蝕，而鎂基復(fù)合材料易氧化、耐蝕性差，因此制得的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料具有良好的裝飾性和耐蝕性。
[0030]2、純鋁的塑性好，包覆在外層的純鋁能有效地抑制復(fù)合材料成形時裂紋的產(chǎn)生，純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料比單純的SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料易于成形，能更好地應(yīng)用于生產(chǎn)實際。
[0031]3、制作的材料表面塑韌性好、心部強(qiáng)度高，其硬度值從表面至心部呈增加的趨勢，因此同單純的SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料相比，本專利制得的材料具有良好的抗沖擊性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料橫截面示意圖
[0033]圖2包覆壓力鑄造示意圖
[0034]圖3熱擠壓裝置示意圖
[0035]圖4本發(fā)明一個擠壓實施例棒材硬度測試的壓痕顯微圖片[0036]圖5本發(fā)明一個擠壓實施例棒材橫截面硬度值分布圖
[0037]圖中:I芯層，2包覆層，3壓頭，4模具，5純鋁層，6SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，7定位圈，8壓頭，9擠壓墊塊，10擠壓套筒，11待加工棒材，12擠壓凹模，13界面。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0039]純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，由芯層I和包覆層2組成，芯層I為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，包覆層2為純鋁，純鋁包覆層的單邊厚度為2-6_，具體實施例中純鋁包覆層的單邊厚度為4mm，芯層SiC顆粒均勻分散在鎂基復(fù)合材料中，SiC顆粒的體積為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料總體積的5% -20%，具體實施例中SiC顆粒的體積為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料總體積的10%，SiC顆粒直徑尺寸< 10 μ m，具體實施例中SiC顆粒直徑約為5 μ m。
[0040]本發(fā)明純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法如下:
[0041](I) SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備
[0042]制備SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，可參考本專利 申請人:在申請?zhí)枮?201210236226.2的“一種鎂合金摻雜SiC顆粒的增強(qiáng)方法”所述的方法，
[0043]特殊的要求是:
[0044]選材:選用SiC顆粒直徑尺寸< 10 μ m,依據(jù)鎂合金的質(zhì)量,確定SiC顆粒需要的
質(zhì)量，
[0045]鎂合金與增強(qiáng)相SiC顆粒的質(zhì)量之間的關(guān)系符合下面的公式:
[0046]Mp=Vf/(1-Vf) * P p/ P ,Mni
[0047]式中:Vf——SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)(％ )；
[0048]Mp, Mm——分別為SiC顆粒和鎂合金的質(zhì)量(g)；
[0049]Pp, P m——分別為SiC顆粒和鎂合金的密度(g/cm3)。
[0050]本次制備過程取鎂合金的質(zhì)量為657.9g，鎂合金的密度為1.81 g/cm3, SiC顆粒的密度為3.19g / cm3，SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)(％)為10%，經(jīng)計算可得SiC顆粒的質(zhì)量為128.8g。
[0051]實施例中，SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的半徑尺寸為20mm。
[0052]將得到的SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料鑄錠經(jīng)過車床和磨床的加工，獲得光亮整潔的表面，加工完成后SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的半徑尺寸為16mm，將上述制得的復(fù)合材料棒和純鋁塊使用蒸餾水清洗干凈，然后烘干備用。
[0053](2)制備純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料
[0054]A、將步驟(I)制得的SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料錠置于圓筒形模具內(nèi)，并用鋁箔封住模具口，然后將模具置于加熱爐中進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度400°C ±5°C，
[0055]B、清理坩堝:將坩堝置于電阻爐爐膛，開啟熔煉坩堝加熱器將坩堝加熱至700 0C ± 5°C，使用清理工具將坩堝內(nèi)壁清理干凈，并將殘余的物質(zhì)倒出，
[0056]C、熔煉:將純鋁塊置于熔煉坩堝中，開啟熔煉坩堝加熱器，使坩堝內(nèi)溫度逐漸升至700 0C ±5°C，使純鋁塊熔化，
[0057]D、包覆澆鑄:將熔煉液對準(zhǔn)裝有SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料錠的模具型腔進(jìn)行澆注，然后靜置冷卻，成純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠，[0058]E、加壓凝固:當(dāng)純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠冷卻至600°C ±5°C時，將模具及純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠置于壓力機(jī)上，進(jìn)行壓制，壓強(qiáng)為lOOMPa，在加壓過程中冷卻至420°C ±5°C，實施例中純鋁包覆復(fù)合材料后棒材的半徑規(guī)格為20mm，包覆層單邊厚度為4mm，包覆壓力鑄造如圖2所示，主要包括壓頭3，模具4，純鋁5，SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料6，定位圈7，
[0059]F、打開開合架，取出鑄錠，使鑄錠在空氣中自然冷卻至室溫，
[0060]G、熱處理:將純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠在370°C ±5°C保溫2h±0.5h，然后將溫度升至420°C ±5°C，并保溫24h±2h。目的是消除鋁鎂層間的硬脆相，并使鎂-鋁在界面處能夠充分?jǐn)U散，以提高界面結(jié)合強(qiáng)度，
[0061]H、機(jī)械切制、清理
[0062]將熱處理后的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的底端未被包覆部分和頂端的純鋁機(jī)械切掉，然后用砂紙打磨，以便獲得光亮整潔的表面。
[0063]通過以上方法便可以制得界面結(jié)合良好的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
[0064]純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在制作型材中的應(yīng)用，通過以下步驟制成純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料型材:
[0065]A、將制得的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料線切割制樣，擠壓料長度為50mm，
[0066]B、將擠壓設(shè)備及型材擠壓模具進(jìn)行組裝，并預(yù)先調(diào)試，
[0067]C、將模具及擠壓料分別放入加熱爐中，將爐溫設(shè)定為350°C，到溫度后，保溫30min，
[0068]D、將擠壓料從加熱爐中取出并放入型材擠壓模具中，開啟擠壓設(shè)備進(jìn)行擠壓，擠壓裝置如圖3所示:主要包括壓頭8，擠壓墊塊9，擠壓套筒10，待加工棒材11，擠壓凹模12，
[0069]E、擠壓完成后，斷開電源開關(guān)，升起壓力機(jī)，從擠壓模具中取出擠壓出的型材。
[0070]實施例中純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在制作型材中被加工成半徑為5mm的棒材。
[0071]圖4為本發(fā)明提供的擠壓實施例棒材硬度測試的壓痕顯微圖片，圖5為本發(fā)明提供的擠壓實施例棒材橫截面硬度值分布圖，從圖中可以看出制作的棒材表面塑韌性好、心部強(qiáng)度高，其硬度值從表面至心部呈增加的趨勢，因此同單純的SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料相比，本專利制得的材料具有良好的抗沖擊性，有利于加工成形。
[0072]需要說明的是，具體實施例中純鋁包覆層的單邊厚度為4mm，SiC顆粒的體積為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料總體積的10%，顯而易見可以通過調(diào)整實施例中所述的設(shè)備和原料的用量可以使制得的材料的純鋁包覆層的單邊厚度為2-6mm，SiC顆粒的體積為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料總體積的5% -20%，由純鋁和SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能可以知道棒材表面塑韌性好、心部強(qiáng)度高，其硬度值從表面至心部呈增加的趨勢，因此本專利制得的材料具有良好的抗沖擊性，有利于加工成形，實施例中純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在制作型材中被加工成半徑為5_的棒材，通過更換擠壓凹?？蓴D壓成各種型材。
[0073]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明，本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方法替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或超越所附權(quán)利要求書定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，其特征在于:由芯層和包覆層組成，芯層為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，包覆層為純鋁，純鋁包覆層的單邊厚度為2-6_，芯層SiC顆粒均勻分散在鎂基復(fù)合材料中，SiC顆粒的體積為SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料總體積的5% -20%, SiC顆粒直徑尺寸< 10 μ m。
2.權(quán)利要求1所述的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:制作過程包含以下步驟: (1)制備SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料； (2)制備純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的步驟(2)制備純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，又包括如下步驟: A、將步驟(I)制得的SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料錠置于圓筒形模具內(nèi)，并用鋁箔封住模具口，然后將模具置于加熱爐中進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度400°C ±5°C， B、清理坩堝:將坩堝置于電阻爐爐膛，開啟熔煉坩堝加熱器將坩堝加熱至700 0C ± 5°C，使用清理工具將坩堝內(nèi)壁清理干凈，并將殘余的物質(zhì)倒出， C、熔煉:將純鋁塊置于熔煉坩堝中，開啟熔煉坩堝加熱器，使坩堝內(nèi)溫度逐漸升至700 0C ±5°C，使純鋁塊熔化， D、包覆澆鑄:將熔煉液對準(zhǔn)裝有SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料錠的模具型腔進(jìn)行澆注，然后靜置冷卻，成純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠， E、加壓凝固:當(dāng)純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠冷卻至600°C±5°C時，將模具及純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠置于壓力機(jī)上，進(jìn)行壓制，壓強(qiáng)為lOOMPa，在加壓過程中冷卻至420°C ±5°C， F、打開開合架，取出鑄錠，使鑄錠在空氣中自然冷卻至室溫， G、熱處理:將純鋁包覆復(fù)合材料鑄錠在370°C±5°C保溫2h±0.5h，然后將溫度升至420 0C ±5°C，并保溫 24h±2h， H、機(jī)械切制、清理 將熱處理后的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的底端未被包覆部分和頂端的純鋁機(jī)械切掉，然后用砂紙打磨。
4.權(quán)利要求1所述的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于，通過以下步驟制成純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料型材: A、將制得的純鋁包覆SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料線切割制樣，擠壓料長度為50mm， B、將擠壓設(shè)備及型材擠壓模具進(jìn)行組裝，并預(yù)先調(diào)試， C、將模具及擠壓料分別放入加熱爐中，將爐溫設(shè)定為350°C，到溫度后，保溫30min， D、將擠壓料從加熱爐中取出并放入型材擠壓模具中，開啟擠壓設(shè)備進(jìn)行擠壓， E、擠壓完成后，斷開電源開關(guān)，升起壓力機(jī)，從擠壓模具中取出擠壓出的型材。
【文檔編號】C22F1/00GK103879085SQ201410108402
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】鄧?yán)だ? 尚拴軍, 李建超, 周珊珊, 石巨巖, 梁偉 申請人:太原理工大學(xué)