專利名稱：一種阻尼耐磨鎂合金材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料領域，具體涉及一種鋼絲和碳纖維復合增強阻尼耐磨鎂合金 材料及其制備方法。
背景技術：
在金屬材料領域中，阻尼耐磨鎂合金作為耐磨材料一直受到普遍重視。全俊等鑄造技術于2010年第9期研究鎂合金AZ31的鎂合金組織和性能。趙旭等 材料工程雜志2008年第5期發表了對鎂合金AZ31的磨損性能研究。鑄態鎂合金AZ31由 基體相α-Mg和第二相Mg17Al12組成，第二相含量較少，呈粒狀分布在基體中。試樣的磨損 質量損失在不同的載荷下均隨磨損時間的增加而呈線性增加。在不同的載荷區間，磨損質 量損失的變化速率不同，其中50 75Ν區間磨損質量損失的速率較低，75 100Ν區間的磨 損質量損失的速率最大。載荷增加使磨損質量損失更加顯著，磨損形式發生由氧化磨損到 磨粒磨損再到剝落磨損轉變，磨損越來越嚴重。普通鎂合金的耐磨性不高。CN200910023238. 5涉及一種含準晶增強相的高阻尼鎂合金及其制備方法，其合金 成分及其重量百分比為0. 9% 1.0%的鋅，0. 15% 0.2%的釔，0.6%的鋯。鎂、鋅均為 工業純鎂和工業純鋅；合金元素釔、鋯分別采用鎂-30%釔，鎂-30%鋯中間合金形式加入； 通過預熱、熔煉和成型，制備出含準晶增強相的高阻尼鎂合金。但是材料耐磨性能不足。
發明內容
本發明的目的就是針對上述技術缺陷，提供一種鋼絲和碳纖維復合增強阻尼耐磨 鎂合金材料。本發明的另一目的是提供一種鋼絲和碳纖維復合增強阻尼耐磨鎂合金材料的制 備方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種阻尼耐磨鎂合金材料，該材料以鎂合金為基體，在基體中分布著鋼絲團和碳纖維； 所述鋼絲團直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面規格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm ；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分 比為20 40% ；鎂合金基體的化學成分的重量百分含量A1為10% 12%，Sr為0. 2% 0. 5%，Si 為 2% 3%，Zr 為 0. 2% 0. 8% ,Fe 為 2% ,Gd 為 0. 5% 1%，Ho 為 0. 01% 0. 03%，其余為Mg;鋼絲的化學成分的重量百分含量為c為0. 45% 0. 65%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為 0. 25% 0. 35%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 500:1。上述基體中還分布M&Ni和Ni3Al顆粒。一種阻尼耐磨鎂合金材料的制備方法，它包括以下步驟鍍鎳鋼絲團和碳纖維的準備取截面為矩形，且規格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm、成 分為 C 為 0. 45% 0. 65%, Si 為 0. 2% 0. 3%, Mn 為 0. 25% 0. 35%, P<0. 02%, S <0. 025%, 其余為狗的鋼絲，以及直徑為7微米、長徑比為100 500:1的T300碳纖維；所述鋼絲和 碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者體積共占材料的體積百分比為20 40% ； 取鋼絲按清潔球生產的常規方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為10 15cm，并按 常規方法在其表面鍍鎳得到鍍鎳鋼絲團，所述鍍鎳層的厚度為50 ΙΟΟμπι;鍍鎳鋼絲團粘附碳纖維的制備將鍍鎳鋼絲團浸入水玻璃溶液，水玻璃溶液的濃度為 1. 3 1. 5 g/cm3，模數為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維揉撒 到帶有水玻璃溶液的鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若干粘 有碳纖維的鋼絲團放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比 決定，且保證鋼絲團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待鎂合金 水澆注；鎂合金基體的準備按重量百分含量Al為10% 12%，Sr為0.2% 0.5%，Si為 2% 3%，Zr 為 0. 2% 0. 8%，Fe 為 2%，Gd 為 0. 5% 1%，Ηο 為 0. 01% 0. 03%，其余為Mg進行配料；將鎂合金基體在感應電爐中熔化得到鎂合金水，熔化溫度為 700-720 0C ；將上述鎂合金水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態鎂合金水進入鋼絲團間 隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以鎂合金為基體的其中分布有碳纖維和鋼絲 團的材料。本發明相比現有技術的有益效果如下(1)本發明材料中鋼絲自身具有相當的強度和較高的韌性。因鐵和鎂相互之間有一定 的溶解度，因此鋼絲和鎂合金很容易結合起來，形成很好的冶金結合。這樣，鋼絲分布在鎂 合金中，對材料具有很好的增強增韌作用，同時鋼絲含碳量較高，具有耐磨作用。(2)材料中分布有碳纖維，碳纖維不僅具有減摩作用，而且和鋼絲共同作用，增強 材料的韌性和強度，因此有利于合金耐磨性能提高。(3)材料成型過程中，當鎂合金水進入鑄型型腔與鍍鎳鋼絲接觸后，鋼絲表面的 鎳熔于鎂合金水中形成Mg2Ni,鎂合金水中的Al和鋼絲表面的Ni反應形成少量硬度高的 Ni3Al的特殊化合物，兩種化合物彌散分布于基體中，進一步提高了材料的耐磨性。(4)另外，材料中的鋼絲截面為矩形，而且含有細小的碳纖維，因此合金中界面多， 表面積大，該材料具有很好的阻尼減振性能；且鋼絲制成鋼絲團呈球形，利于鋼絲和其上附 著的碳纖維在材料中均勻分布。(6)合金材料中用鐵代替了部分鎂，材料成本低，制備工藝簡便，生產成本低，生產 的合金材料性能好，而且非常便于工業化生產。(7)本發明材料中P、S為雜質，控制在允許的范圍內。本發明的合金性能見表1。
圖1為本發明實施例一制得的鋼絲和碳纖維復合增強的阻尼耐磨鎂合金材料的 金相組織。圖1可以看到在鎂合金與鋼絲結合良好。
具體實施例方式以下各實施例僅用作對本發明的解釋說明，其中的重量百分比均可換成重量g、kg 或其它重量單位。各實施例中的鋼絲和碳纖維均為市購，鍍鎳層自制。實施例一鎂合金基體的化學成分的重量百分含量Al為10%，Sr為0.2%，Si為2%，^ 為 0. 2%，Fe 為 1%，Gd 為 0. 5%，Ho 為 0. 01%，其余為 Mg。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 45%，Si為0. 2%,Mn為0. 25%，P<0. 02%, S<0. 025% ；鋼絲的截面為矩形，且規格為0. ImmXO. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為100:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 20%。取鋼絲按清潔球生產的常規方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為10cm， 并按常規方法在其表面鍍鎳得到鍍鎳鋼絲團，所述鍍鎳層的厚度為50 μ m。制備過程如下將鍍鎳鋼絲團浸入水玻璃溶液，水玻璃溶液的濃度為1. 3 g/cm3, 模數為2. 6 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維揉撒到帶有水玻璃溶液的鋼 絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若干粘有碳纖維的鋼絲團放入 鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比決定，且保證鋼絲團正 好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待鎂合金水澆注；將鎂合金基體在感應電爐中熔化得到鎂合金水，熔化溫度為705-715 ； 將上述鎂合金水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態鎂合金水進入鋼絲團間 隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以鎂合金為基體的其中分布有碳纖維和鋼絲 團的材料。實施例二鎂合金基體的化學成分的重量百分含量Al為12%，Sr為0.5%，Si為3%，^ 為 0. 8%，Fe 為 2%，Gd 為 1%，Ho 為 0. 03%，其余為 Mg。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 65%，Si為0. 3%,Mn為0. 35%,P<0. 02%, S<0. 025% ；鋼絲的截面為矩形，且規格為0. 4mmX 1. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為400:1。鋼絲和碳纖維的重量比為30:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 40%。取鋼絲按清潔球生產的常規方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為15cm， 并按常規方法在其表面鍍鎳得到鍍鎳鋼絲團，所述鍍鎳層的厚度為100 μ m。制備過程同實施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 5 g/cm3，模數為3. 0。實施例三鎂合金基體的化學成分的重量百分含量A1為11%，Sr為0. 3%，Si為2. 5%，^ 為 0. 5%, Fe 為 1. 5%, Gd 為 0. 7%, Ho 為 0. 02%，其余為 Mg。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 5%，Si為0. 25%，Mn為0. 3%，P<0. 02%, S<0. 025% ；鋼絲的截面為矩形，且規格為0. 3mmX0. 7mm。
碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為190:1。鋼絲和碳纖維的重量比為27:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 35%。取鋼絲按清潔球生產的常規方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為12cm， 并按常規方法在其表面鍍鎳得到鍍鎳鋼絲團，所述鍍鎳層的厚度為70 μ m。制備過程同實施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 4 g/cm3，模數為2. 8。對比實施例四鎂合金基體的化學成分的重量百分含量A1為8%，Sr為0. l%，Si為1%, 為0. 1%， Fe 為 0. 5%，Gd 為 0. 3%，Ho 為 0. 005%，其余為 Mg。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 3%，Si為0. 1%，Mn為0. 2%，P<0. 02%, S<0. 025% ；鋼絲的截面為圓形，且半徑為0. 1mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為50:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 10%。取鋼絲按清潔球生產的常規方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為10cm， 鋼絲表面不鍍鎳。制備過程同實施例一。對比實施例五鎂合金基體的化學成分的重量百分含量Al為13%，Sr為0.6%，Si為4%，^ 為 0. 9%, Fe 為 3%，Gd 為 2%，Ho 為 0. 04%，其余為 Mg。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 7%，Si為0. 4%，Mn為0. 4%，P<0. 02%, S<0. 025% ；鋼絲的截面為矩形，且規格為0. 5mmX2mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為600:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 60%。取鋼絲按清潔球生產的常規方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為10cm， 并按常規方法在其表面鍍鎳得到鍍鎳鋼絲團，所述鍍鎳層的厚度為200 μ m。制備過程同實施例一。產品性能分析從下表中可以看出，鎂合金材料的Al、Sr、Si、Zr、Fe、Gd、Ho增高利于合金的力學性能 提高；但有些元素如Al、Sr、Si、i^e過多則形成的彌散化合物過多，會削弱合金的耐磨性能。 有些元素如Gd、Ho過多，造成元素浪費。鋼絲成分中的C、Si、Mn增高利于合金的力學性能提高；過多則會削弱合金的耐磨 性能。鋼絲截面為矩形便于粘結碳纖維。截面規格過小，不利于粘結碳纖維；反之，規格 過大，割裂基體傾向增加。碳纖維長徑比太小和太大都不利于與矩形截面鋼絲的粘結。鋼絲和碳纖維體積百分比的增加，利于材料韌性的提高。但是過多，降低了材料的 硬度，因此也降低了材料的耐磨性，如產品5，而且鎂合金水不易包圍鋼絲和碳纖維；反之，鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比太小，則不利于鋼絲和碳纖維作用的發揮。鍍鎳層的厚度增加，利于鎂合金水的合金化；但是厚度過大，鎳不易在短時熔入鎂 合金水中，造成元素的浪費，同時熱處理成本增加；反之，鋼絲的表面的鍍鎳層的厚度太小， 鋼絲硬度降低，并且不利于形成彌散的化合物。表1所得各產品的性能對比
權利要求
1.一種阻尼耐磨鎂合金材料，其特征在于該材料以鎂合金為基體，在基體中分布著 鋼絲團和碳纖維；所述鋼絲團直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面規格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm ；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材 料的體積百分比為20 40% ；鎂合金基體的化學成分的重量百分含量A1為10% 12%，Sr為0.2% 0.5%，Si 為 2% 3%，Zr 為 0. 2% 0. 8% ,Fe 為 2% ,Gd 為 0. 5% 1%，Ho 為 0. 01% 0. 03%，其余為Mg;鋼絲的化學成分的重量百分含量為c為0. 45% 0. 65%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為0.25% 0. 35%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 500:1。
2.根據權利要求1所述的阻尼耐磨鎂合金材料，其特征在于所述基體中還分布Mg2M 和Ni3Al顆粒。
3.—種阻尼耐磨鎂合金材料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟鍍鎳鋼絲團和碳纖維的準備取截面為矩形，且規格為0. 1 0. 4mmΧ0. 5 1. 5mm、成 分為 C 為 0. 45% 0. 65%, Si 為 0. 2% 0. 3%, Mn 為 0. 25% 0. 35%, P<0. 02%, S <0. 025%, 其余為狗的鋼絲，以及直徑為7微米、長徑比為100 500:1的T300碳纖維；所述鋼絲和 碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者體積共占材料的體積百分比為20 40% ； 取鋼絲按清潔球生產的常規方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為10 15cm，并按 常規方法在其表面鍍鎳得到鍍鎳鋼絲團，所述鍍鎳層的厚度為50 ΙΟΟμπι;鍍鎳鋼絲團粘附碳纖維的制備將鍍鎳鋼絲團浸入水玻璃溶液，水玻璃溶液的濃度為=1.3 1. 5 g/cm3，模數為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維揉撒 到帶有水玻璃溶液的鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若干粘 有碳纖維的鋼絲團放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比 決定，且保證鋼絲團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待鎂合金 水澆注；鎂合金基體的準備按重量百分含量Al為10% 12%，Sr為0.2% 0.5%，Si為 2% 3%，Zr 為 0. 2% 0. 8%，Fe 為 2%，Gd 為 0. 5% 1%，Ηο 為 0. 01% 0. 03%， 其余為Mg進行配料；將鎂合金基體在感應電爐中熔化得到鎂合金水，熔化溫度為700 720 0C ；將上述鎂合金水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態鎂合金水進入鋼絲團間 隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以鎂合金為基體的其中分布有碳纖維和鋼絲 團的材料。
全文摘要
本發明公開了一種阻尼耐磨鎂合金材料及其制備方法，該材料以鎂合金為基體，在基體中分布著鋼絲團和碳纖維；所述鋼絲團直徑為10～15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面規格為0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25～30∶1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20～40%。本發明制得的鎂合金材料具有較高的韌性和耐磨性能，且工藝簡單，生產成本低。
文檔編號C22C47/02GK102051535SQ20111000704
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月14日 優先權日2011年1月14日
發明者張詠, 王玲, 趙浩峰 申請人:南京信息工程大學