專利名稱:一種鎂鋁合金的SiC顆粒碾磨增強方法
技術領域:
本發明涉及一種鎂鋁合金的SiC顆粒碾磨增強方法,屬有色金屬合金增加強度, 提高力學性能的技術領域。
背景技術:
有色金屬合金中的鎂鋁合金,是最常用的有色輕金屬合金材料,鎂鋁合金比重小、 密度小、重量輕,常在軍事工業、汽車工業、電子工業、航空航天工業領域得到應用;但由于 它的輕金屬結構特性,尤其是它的高溫力學性能和熱性能較低,極大的限制了它的應用范 圍。為了改變鎂鋁合金的金相結構,使鎂鋁合金既具備低密度、低熱膨脹系數,又具備 高強度、高模量,必須對鎂鋁合金進行增強處理。鎂鋁合金的增強方法也有多種形式,例如熔鑄法,即旋渦攪拌法,雖然工藝簡單, 但旋渦會使材料的吸氣量增加,只適合較大的金相顆粒,即50-100 μ m顆粒;例如液態金屬 攪拌法,是在真空條件下,用多級葉片組成的攪拌器進行攪拌混合,攪拌時液面只產生很小 的旋渦,避免了氣體的卷入,但該方法存在增強相顆粒成團和偏聚問題,也沒有完全解決增 強顆粒與金屬液之間的浸潤問題,而且該方法設備復雜,只適用于直徑大于IOym顆粒;例 如專利號200510011526. 0專利,即真空機械雙熔鑄法,存在增強相均勻分散問題,渦流攪 拌及氣體送粉引起的吸氣、增強相與基體的不浸潤性,增強相的團聚問題仍未解決;以前 的制備方法往往只注重增強相的均勻分散性,而對增強相與基體間的界面結合狀況考慮較 少;事實是金屬基與增強相之間的界面擔負著將載荷從基體傳遞至增強相的作用,是影響 材料性能、制約材料應用的重要因素。
發明內容
發明目的本發明的目的就是針對背景技術的不足,采用一種新的增強技術,將增強相碳化 硅顆粒碾磨于鎂鋁合金中,在碾磨釜內,在加熱熔化、充二氧化碳+六氟化硫氣體狀態下, 對其進行碾磨、剪切,使鎂鋁合金與增強相碳化硅顆粒熔為一體,均勻分散并緊密結合,以 大幅度提高鎂鋁合金的強度和力學性能,從而擴大其在工業上的應用范圍。技術方案本發明使用的化學物質材料為鎂鋁合金塊、碳化硅粉、水玻璃、白堊粉、去離子 水、二氧化碳氣體、六氟化硫氣體、細砂,其組合用量如下以克、毫升、厘米3為計量單位鎂鋁合金塊AZ6ImgAlIOOOOg士 50g碳化硅粉SiC4000g 士 50g水玻璃=Na2S2O4IOOg士 Ig白粉Ca(HCO3)220g士 Ig去離子水H202000ml 士 IOOml
二氧化碳氣體C02 4000000cm3士 IOOcm3六氟化硫氣體SF6400000cm3士 IOOcm3細砂5000g增強方法如下(1)精選化學物質材料對制備所需的化學物質材料要進行精選,并進行質量純度控制鎂鋁合金塊固態固體AZ61鎂93 %,鋁6 %,鋅1 %碳化硅粉固態固體99.8%水玻璃固態固體98%白堊粉固態固體98%去離子水液態液體99.9%二氧化碳氣體氣態氣體 98%六氟化硫氣體氣態氣體 99.5%細砂固態固體砂粒粒徑 < 0.1mm(2)研磨、過篩碳化硅粉①將碳化硅粉置于球磨機內,進行研磨,成細粉;②用625目篩網過篩;③研磨、過篩反復進行,成碳化硅細粉,細粉顆粒直徑< 0. 005mm ;(3)制備開合式模具①用不銹鋼材料制作開合式模具;②模具型腔為山字形,各腔為矩形體;(4)熔煉鎂鋁合金①熔煉鎂鋁合金在熔煉爐中進行;②切制鎂鋁合金塊,成10 X 10 X 50mm塊體;③將鎂鋁合金塊加入熔煉爐中;④開啟混合氣體閥,向熔煉爐中輸入C02+SF6混合氣體,氣體輸入速度440cm3/ min ;⑤開啟熔煉爐加熱器,使溫度升至650°C 士2°C,恒溫保溫30min士2min,使鎂鋁合 金塊熔化,成鎂鋁合金液,待用;(5)機械碾磨鎂鋁合金液+碳化硅顆粒,成復合熔液①預熱碳化硅顆粒將碳化硅顆粒置于烘烤爐內,進行預熱,預熱溫度620°C 士2°C,預熱時間 600min士5min ;②機械碾磨鎂鋁合金液+碳化硅顆粒是在加熱碾磨釜中進行的;加熱碾磨釜內中 間為加熱碾磨罐,加熱碾磨罐內設置機械碾磨機、攪拌器;碾磨釜側部聯通C02+SF6氣體箱、 頂部聯通加粉漏斗、鎂鋁合金液輸液管,并伸入加熱碾磨罐中;熔煉爐、抽液泵、碾磨罐通過 導線與電控箱聯接并控制;③開啟C02+SF6氣體,氣體比例為C02氣體為99. 5%、SF6氣體為0. 5%;輸入速度 為 1000cm3/min ;
④開啟碾磨加熱器,使罐內溫度由20°C升至650°C +2°C,升溫速度20°C /min,并在 此溫度恒溫保溫30min,開啟罐內底部攪拌器,攪拌轉數60r/min ;開啟抽液泵,將熔煉爐內的鎂鋁合金熔液,經過濾網抽至碾磨機內,抽液速度 100ml/min ;將碳化硅粉經加粉漏斗加入碾磨機內,碳化硅粉加入速度20g/min,鎂鋁合金液與 碳化硅粉的質量比為2. 5 1 ;⑤開啟出氣孔、排出釜內多余氣體;⑥開啟機械碾磨機,碾磨機轉數為lOOOr/min,碾磨時間20min士 Imin ;⑦觀察窗觀察碾磨狀態;⑧鎂鋁合金液+碳化硅顆粒碾磨完成后,關閉碾磨機,停止碾磨,關閉抽液泵,關 閉加粉漏斗,繼續加熱、攪拌5min士 lmin,防止沉淀;(6)澆鑄成錠①預熱開合式模具,預熱溫度420°C 士2°C,預熱時間120min ;②配制涂覆劑;將白堊粉100g、水玻璃20g、去離子水300ml置于不銹鋼容器中,攪 拌均勻,成糊狀;③在模具型腔內均勻刷涂涂覆劑,涂覆劑厚度為0. 5mm ;④關閉碾磨罐加熱器;關閉C02+SF6氣體,停止輸氣;關閉攪拌器;⑤開啟澆鑄口,對準預熱的開合式模具澆鑄口、濾網,進行澆鑄,澆滿為止;⑥冷卻、開模、脫模澆鑄后,將模具置于自然空氣中冷卻,當溫度冷卻至300°C時,打開開合式模具,取 出鎂鋁合金+碳化硅合金錠;⑦細砂冷卻將鎂合金+碳化硅合金錠埋入細砂中,繼續冷卻至20°C 士2°C ;⑧取出鎂鋁合金+碳化硅合金錠;(7)切錠成型將鎂鋁合金+碳化硅合金錠用機械切制成型,成150X 50X 50mm,即鎂鋁合金+ 碳化硅合金錠;(8)真空熱處理①將切制的鎂鋁合金+碳化硅合金錠置于熱處理爐內,并關閉;②抽取爐內真空,真空度ICT2Pa ;③開啟加熱器,使溫度升至420°C 士2°C,在此溫度恒溫保溫600min士 IOmin ;④熱處理后,關閉加熱器,使其隨爐冷卻至20°C 士2°C ;⑤取出鎂鋁合金+碳化硅合金錠,即成品;(9)檢測、分析、表征對增強的鎂鋁合金+碳化硅合金錠的型貌、色澤、金相組織、強度、彈性模量、硬度 進行檢測、分析、表征;用金相顯微鏡進行金相組織分析;
用AG-25TA電子萬能試驗機進行力學性能分析;用JEM-200CK透射電子顯微鏡進行界面分析;結論產品為銀灰色鎂鋁合金+碳化硅合金錠復合材料;鎂鋁合金+碳化硅合金錠強度400Mpa、彈性模量70Gpa ;(10)儲存對制備的增強的鎂鋁合金+碳化硅合金錠,用軟質材料包裝,置于干燥、潔凈環 境,要防水、防潮、防酸堿鹽侵蝕,儲存溫度20°C 士2°C,相對濕度彡10%。所述的鎂鋁合金+碳化硅復合材料熔液的制備是在加熱碾磨釜中進行的,碾磨釜 1的下部為釜座5、上部為釜蓋6,由開合架24開合;碾磨釜1的內部中間位置設置碾磨罐 2,碾磨罐2下部為罐座22、上部為罐蓋23、提手21、氣孔28,左側下部為澆鑄口 18、右上部 為觀察窗20,碾磨罐2內中部為碾磨機4、下部為攪拌器17,碾磨罐2外部為加熱器3,碾磨 罐2內的碾磨機4下部為鎂鋁合金+碳化硅復合材料熔液27 ;碾磨釜1左上部聯通氣體管 15,氣體管15聯通氣體閥16、氣體箱14,氣體箱14聯通SF6氣體瓶34、C02氣體瓶35,并向 碾磨釜1、熔煉爐8內輸送混合氣體25 ;在釜蓋6右上部設有加粉漏斗7,并插入釜內的碾 磨罐2內;釜蓋6上左部設有輸液管12,輸液管12向下插入碾磨罐2內、外部聯接輸液閥 13、輸液泵11,輸液泵11下部聯接吸液管9、濾網10,并插入熔煉爐8內,鎂鋁合金液26通 過濾網10、吸液管9、輸液泵11、輸液閥13、輸液管12輸入至碾磨釜1內的碾磨罐2內;碾 磨釜1右部設置電控箱30,電控箱30上設有顯示屏31、指示燈32、控制開關33,并通過導 線29與碾磨機4、加熱器3、攪拌器17、輸液泵11、熔煉爐8聯接,碾磨罐2內的碾磨機4碾 磨后的鎂鋁合金+碳化硅復合溶液27經澆鑄口 18對準澆鑄模具進行澆鑄成錠。有益效果本發明與背景技術相比具有明顯的先進性,采用有色輕金屬材料鎂鋁合金摻雜 碳化硅顆粒,通過熔煉、碾磨剪切、澆鑄、熱處理,最終制成鎂鋁合金+碳化硅錠復合材料, 使鎂鋁合金復合材料的力學性能、強度、硬度、彈性模量得到大幅度提高,抗拉強度可提高 32 %,屈服強度可提高40 %,彈性指量可提高70 %,金相結織結構致密性好,顆粒分布均 勻,此碾磨增強方法先進合理,工藝流程短,可進行工業化連續生產,是十分理想的制備增 強型有色輕金屬復合材料的方法。
圖1為機械碾磨鎂鋁合金+碳化硅狀態2為開合式模具結構3為鎂鋁合金+碳化硅合金錠橫切面金相組織結構4為鎂鋁合金+碳化硅合金錠界面結構5為鎂鋁合金+碳化硅合金錠增強前后力學性能對比表圖中所示,附圖標記清單如下1、碾磨釜,2、碾磨罐,3、加熱器,4、碾磨機,5、釜座,6、釜蓋,7、加粉漏斗,8、熔煉 爐,9、吸液管,10、濾網,11、輸液泵,12、輸液管,13、輸液閥,14、氣體箱,15、氣體管,16、氣體 閥,17、攪拌器,18、澆鑄口,19、出氣口,20、觀察窗,21、提手,22、罐座,23、罐蓋,24、開合架, 25、混合氣體,26、鎂鋁合金液,27、鎂鋁合金+碳化硅復合熔液,28、氣孔,29、導線,30、電控箱,31、顯示屏,32、指示燈,33、控制開關,34、SF6氣體瓶,35、CO2氣體瓶,36、混合氣體閥。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明做進一步說明圖1所示,為機械碾磨鎂鋁合金+碳化硅顆粒狀態圖,各部位置,聯接關系要正確, 安裝牢固,協調使用操作。制備使用的化學物質材料是按預先設置的量值范圍確定的,以克、毫升、厘米3為 計量單位,當工業化制備時,以千克、升、米3為計量單位。以碾磨釜為主體,左部配置熔煉爐、C02+SF6氣體箱、右部配制電控箱,并通過導線 聯接,由電控箱控制各部功能。熔煉爐熔煉的鎂鋁合金液,通過管路輸入碾磨釜的碾磨罐內,碳化硅粉由加粉漏 斗加入碾磨罐內,然后由碾磨機碾壓,要嚴格控制鎂鋁合金液與碳化硅粉的質量比例為
2 · 5 · 1 ο鎂鋁合金+碳化硅顆粒碾壓是在液態、加熱、高轉數下進行的,是在SF6+C02氣體保 護下完成的,要嚴格控制速度、溫度、時間,以保證安全。圖2所示,為開合式模具結構圖,用不銹鋼材料制作,內腔為山字形,澆鑄口設有 濾網,澆鑄成型后可制成四個矩形體鎂鋁合金+碳化硅合金錠。圖3所示,為鎂鋁合金+碳化硅合金錠的金相組織結構圖,碳化硅顆粒尺寸 ^ 0. 005mm,分布均勻,無明顯的團聚。圖4所示,為鎂鋁合金+碳化硅合金錠橫切面金相組織透射電位圖譜,可見鎂鋁 合金與碳化硅界面緊密結合,界面上沒有反應產物。圖5所示,為鎂鋁合金+碳化硅合金錠增強前后力學性能對比表,表中可知增強 后的抗拉強度、屈取強度、彈性模量比增強前明顯提高。
權利要求
一種鎂鋁合金的SiC顆粒碾磨增強方法,其特征在于化學物質材料為鎂鋁合金塊、碳化硅粉、水玻璃、白堊粉、去離子水、二氧化碳氣體、六氟化硫氣體、細砂,其組合用量如下以克、毫升、厘米3為計量單位鎂鋁合金塊AZ61mgAl 10000g±50g碳化硅粉SiC 4000g±50g水玻璃Na2S2O4100g±1g白粉Ca(HCO3)220g±1g去離子水H2O 2000ml±100ml二氧化碳氣體CO2 4000000cm3±100cm3六氟化硫氣體SF6 400000cm3±100cm3細砂5000g增強方法如下(1)精選化學物質材料對制備所需的化學物質材料要進行精選,并進行質量純度控制鎂鋁合金塊固態固體AZ61鎂93%,鋁6%,鋅1%碳化硅粉固態固體99.8%水玻璃固態固體 98%白堊粉固態固體 98%去離子水液態液體99.9%二氧化碳氣體氣態氣體98%六氟化硫氣體氣態氣體99.5%細砂固態固體砂粒粒徑≤0.1mm(2)研磨、過篩碳化硅粉①將碳化硅粉置于球磨機內,進行研磨,成細粉;②用625目篩網過篩;③研磨、過篩反復進行,成碳化硅細粉,細粉顆粒直徑≤0.005mm;(3)制備開合式模具①用不銹鋼材料制作開合式模具;②模具型腔為山字形,各腔為矩形體;(4)熔煉鎂鋁合金①熔煉鎂鋁合金在熔煉爐中進行;②切制鎂鋁合金塊,成10×10×50mm塊體;③將鎂鋁合金塊加入熔煉爐中;④開啟混合氣體閥,向熔煉爐中輸入CO2+SF6混合氣體,氣體輸入速度440cm3/min;⑤開啟熔煉爐加熱器,使溫度升至650℃±2℃,恒溫保溫30min±2min,使鎂鋁合金塊熔化,成鎂鋁合金液,待用;(5)機械碾磨鎂鋁合金液+碳化硅顆粒,成復合熔液①預熱碳化硅顆粒將碳化硅顆粒置于烘烤爐內,進行預熱,預熱溫度620℃±2℃,預熱時間600min±5min;②機械碾磨鎂鋁合金液+碳化硅顆粒是在加熱碾磨釜中進行的;加熱碾磨釜內中間為加熱碾磨罐,加熱碾磨罐內設置機械碾磨機、攪拌器;碾磨釜側部聯通CO2+SF6氣體箱、頂部聯通加粉漏斗、鎂鋁合金液輸液管,并伸入加熱碾磨罐中;熔煉爐、抽液泵、碾磨罐通過導線與電控箱聯接并控制;③開啟CO2+SF6氣體,氣體比例為CO2氣體為99.5%、SF6氣體為0.5%;輸入速度為1000cm3/min;④開啟碾磨加熱器,使罐內溫度由20℃升至650℃+2℃,升溫速度20℃/min,并在此溫度恒溫保溫30min,開啟罐內底部攪拌器,攪拌轉數60r/min;開啟抽液泵,將熔煉爐內的鎂鋁合金熔液,經過濾網抽至碾磨機內,抽液速度100ml/min;將碳化硅粉經加粉漏斗加入碾磨機內,碳化硅粉加入速度20g/min,鎂鋁合金液與碳化硅粉的質量比為2.5∶1;⑤開啟出氣孔、排出釜內多余氣體;⑥開啟機械碾磨機,碾磨機轉數為1000r/min,碾磨時間20min±1min;⑦觀察窗觀察碾磨狀態;⑧鎂鋁合金液+碳化硅顆粒碾磨完成后,關閉碾磨機,停止碾磨,關閉抽液泵,關閉加粉漏斗,繼續加熱、攪拌5min±1min,防止沉淀;(6)澆鑄成錠①預熱開合式模具,預熱溫度420℃±2℃,預熱時間120min;②配制涂覆劑;將白堊粉100g、水玻璃20g、去離子水300ml置于不銹鋼容器中,攪拌均勻,成糊狀;③在模具型腔內均勻刷涂涂覆劑,涂覆劑厚度為0.5mm;④關閉碾磨罐加熱器;關閉CO2+SF6氣體,停止輸氣;關閉攪拌器;⑤開啟澆鑄口,對準預熱的開合式模具澆鑄口、濾網,進行澆鑄,澆滿為止;⑥冷卻、開模、脫模澆鑄后,將模具置于自然空氣中冷卻,當溫度冷卻至300℃時,打開開合式模具,取出鎂鋁合金+碳化硅合金錠;⑦細砂冷卻將鎂合金+碳化硅合金錠埋入細砂中,繼續冷卻至20℃±2℃;⑧取出鎂鋁合金+碳化硅合金錠;(7)切錠成型將鎂鋁合金+碳化硅合金錠用機械切制成型,成150×50×50mm,即鎂鋁合金+碳化硅合金錠;(8)真空熱處理①將切制的鎂鋁合金+碳化硅合金錠置于熱處理爐內,并關閉;②抽取爐內真空,真空度10-2Pa;③開啟加熱器,使溫度升至420℃±2℃,在此溫度恒溫保溫600min±10min;④熱處理后,關閉加熱器,使其隨爐冷卻至20℃±2℃;⑤取出鎂鋁合金+碳化硅合金錠,即成品;(9)檢測、分析、表征對增強的鎂鋁合金+碳化硅合金錠的型貌、色澤、金相組織、強度、彈性模量、硬度進行檢測、分析、表征;用金相顯微鏡進行金相組織分析;用AG-25TA電子萬能試驗機進行力學性能分析;用JEM-200CK透射電子顯微鏡進行界面分析;結論產品為銀灰色鎂鋁合金+碳化硅合金錠復合材料;鎂鋁合金+碳化硅合金錠強度400Mpa、彈性模量70Gpa;(10)儲存對制備的增強的鎂鋁合金+碳化硅合金錠,用軟質材料包裝,置于干燥、潔凈環境,要防水、防潮、防酸堿鹽侵蝕,儲存溫度20℃±2℃,相對濕度≤10%。
2.根據權利要求1所述的一種鎂鋁合金的SiC顆粒碾磨增強方法,其特征在于所述 的鎂鋁合金+碳化硅復合材料熔液的制備是在加熱碾磨釜中進行的,碾磨釜(1)的下部為 釜座(5)、上部為釜蓋(6),由開合架(24)開合;碾磨釜(1)的內部中間位置設置碾磨罐 (2),碾磨罐(2)下部為罐座(22)、上部為罐蓋(23)、提手(21)、氣孔(28),左側下部為澆鑄 口(18)、右上部為觀察窗(20),碾磨罐(2)內中部為碾磨機(4)、下部為攪拌器(17),碾磨 罐(2)外部為加熱器(3),碾磨罐(2)內的碾磨機(4)下部為鎂鋁合金+碳化硅復合材料熔 液(27);碾磨釜(1)左上部聯通氣體管(15),氣體管(15)聯通氣體閥(16)、氣體箱(14), 氣體箱(14)聯通SF6氣體瓶(34)、CO2氣體瓶(35),并向碾磨釜(1)、熔煉爐⑶內輸送混 合氣體(25);在釜蓋(6)右上部設有加粉漏斗(7),并插入釜內的碾磨罐(2)內;釜蓋(6) 上左部設有輸液管(12),輸液管(12)向下插入碾磨罐(2)內、外部聯接輸液閥(13)、輸液 泵(11),輸液泵(11)下部聯接吸液管(9)、濾網(10),并插入熔煉爐(8)內,鎂鋁合金液(26)通過濾網(10)、吸液管(9)、輸液泵(11)、輸液閥(13)、輸液管(12)輸入至碾磨釜(1) 內的碾磨罐⑵內;碾磨釜⑴右部設置電控箱(30),電控箱(30)上設有顯示屏(31)、指 示燈(32)、控制開關(33),并通過導線(29)與碾磨機(4)、加熱器(3)、攪拌器(17)、輸液 泵(11)、熔煉爐(8)聯接,碾磨罐(2)內的碾磨機(4)碾磨后的鎂鋁合金+碳化硅復合溶液(27)經澆鑄口(18)對準澆鑄模具進行澆鑄成錠。
3.根據權利要求1所述的一種鎂鋁合金的SiC顆粒碾磨增強方法,其特征在于鎂鋁 合金溶液與碳化硅粉的質量比為2. 5 1。
4.根據權利要求1所述的一種鎂鋁合金的SiC顆粒碾磨增強方法,其特征在于鎂鋁 合金+碳化硅顆粒在碾磨機內的碾磨轉數lOOOr/min,碾磨時間為20min士 lmin。
全文摘要
本發明涉及一種鎂鋁合金的SiC顆粒碾磨增強方法,以有色輕金屬鎂鋁合金為基體,以碳化硅顆粒為增強摻雜劑,通過熔煉、碾磨剪切、澆鑄、熱處理,最終制成鎂鋁合金+碳化硅合金錠復合材料,鎂鋁合金+碳化硅合金錠的力學性能、抗拉強度、屈服強度、彈性模量大幅度提高,抗拉強度可提高32%,屈取強度可提高40%,彈性模量可提高70%,金相組織致密性好,顆粒分布均勻,增強相與基體間界面結合緊密,此增強方法先進合理,工藝流程短,可進行工業化連續生產,是十分理想的制備增強型有色金屬復合材料的方法。
文檔編號C22C23/02GK101880788SQ20101019301
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月2日 優先權日2010年6月2日
發明者張竹霞, 張金玲, 李明照, 樊建鋒, 許并社 申請人:太原理工大學