一種氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的制備方法
【專利摘要】本發明涉及的是一種有色金屬合金技術領域的制備方法，特別是一種氮化鎂?碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的制備方法。碳納米管粉末和氮化鎂粉末照質量1：1配比混合均勻，將制得的氮化鎂?碳納米管混合物顆粒經過球磨24小時獲得超細氮化鎂?碳納米管混合物粉末，通過氬氣將超細碳納米管?氮化鎂粉末吹入鎂基合金熔體中，生成增強鎂基合金熔體，再經過機械化混合攪拌、變質處理、精煉、澆注，即獲得氮化鎂?碳納米管顆粒增強鎂基合金材料。氮化鎂?碳納米管顆粒反應增強鎂基合金材料的耐磨性、強度和性顯著提高，同時組織穩定性好，導電和導熱性能得到有效提高。
【專利說明】
一種氮化鏌-碳納米管顆粒増強鏌基合金材料的制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及的是一種金屬合金技術領域的制備方法，特別是涉及通過氮化鎂-碳納米管顆粒反應增強鎂基合金材料的方法。【背景技術】
[0002]鎂及鎂合金是迄今在工程應用中最輕的金屬結構材料，近年來變形鎂合金的塑性成形技術已經成為世界鎂工業的重要研究領域，鎂基合金在能源短缺的未來將占有更加重要的地位。目前，鎂基合金在航空航天、汽車、電子產品、建筑工業以及日常生活中都是不可或缺的重要材料。但是鎂基合金在應用廣泛的同時也存在著自身的弱點，如硬度、強度較低，同時熔點也比鋼等常用金屬低。如何提高鎂合金的塑性成形能力已成為鎂合金研究的熱點，因此，尋求有良好的硬度、強度的同時，又具有高的比強度和比剛度，具有重要的學術與工業應用價值。近年來隨著開發高端其產、機電產品的要求，對鎂基合金的力學性能的要求需要進一步提高，采用顆粒增強鎂基合金材料能夠同時發揮鎂基合金基體與增強相的優勢，顯著提高鎂基合金的強度、彈性模量、硬度及耐磨性。同時顆粒增強鎂基合金材料因其成本低廉，強度、剛度高，在先進制造等現代工業化生產領域有廣泛的應用前景。
[0003]基于上述目的，采用在鎂基合金中添加無毒、無污染的氮化鎂-納米管顆粒來增強鎂基合金材料的強度，獲得良好的韌性和硬度，同時，導電和導熱性能得到有效提高。本發明基體材料鎂基合金的化學成分及質量分數為:鎂Mg: 90-98，剩余成份為鋁A1。針對鎂基合金性能提高的專利，我國現有的鎂基合金在專利200880017616.2中，通過添加銦、鈧、釔等貴金屬和2-3%的稀土金屬，熔煉完畢后試樣晶粒尺寸小于或等于3微米，該發明添加貴金屬元素含量較多=高，制造成本高昂。在專利201210324168.9中，選擇具有提高Mg合金非晶化形成能力的(Er，Cu，Ag)作為合金化元素，選用普通恪鑄和熱擠壓方法制備該合金材料，再經過熔鑄和擠壓獲得鎂基合金。上述合金均有稀有金屬的添加，雖然能提高鎂基合金材料的韌性、硬度和耐磨性，但是增加了鎂基合金的熔煉成本，同時，要達到更高的強度和耐磨性，需要進一步進行深入研究。本發明提出了一種加工工藝穩定、生產成本低廉、無污染排放、可在常規熔煉條件下組織生產的氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的制備方法， 較傳統的鎂基合金材料的強度、韌性、硬度和耐磨性大幅提升。因此，在本發明中通過添加氮化鎂_碳納米管顆粒反應增強鎂基合金材料力學性能的目的。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是:在于克服上述現有技術不足，提供一種加工工藝穩定、生產成本低廉、無污染排放、可在常規熔煉條件下組織生產的氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的制備方法，較傳統的鎂基合金材料的強度、韌性、硬度和耐磨性大幅提升。
[0005]本發明專利的技術方案是:本發明是一種氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的制備方法。
[0006]首先制備碳納米管粉末是將下列金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁A1、鎳Ni和鈷與水H20的硝酸鹽溶液，各成分按照質量1:1:1:1:1:1:11配比，將上述硝酸鹽溶液、硝酸含量為60%的水溶液和氫氧化鈉含量為40%的水溶液按質量I: 1:1比例混合均勻，將沉淀物進行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550°C，煅燒18小時，然后在球磨機中球磨為20μπι的超細粉末為反應催化劑，將上述方法制備的粉末置于鋼反應器中，向鋼反應器中吹入體積比為9: I的丙烯和氮氣的混合氣體，體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量為0.4 m3/Min，氮氣為稀釋劑，用于調節反應速度及粉末生長速度。反應溫度為660°C，反應時間為60 Min，制得碳納米管干粉，將干粉經過球磨24小時獲得超細碳納米管干粉。
[0007]其次制備氮化鎂粉末，將鎂粉與碳酰胺⑶(NH2)2按照質量為1:1的比例混合均勻，在氬氣保護下采用機械化球磨法24小時，使鎂粉與碳酰胺發生反應，制備出氮化鎂產物粉末。
[0008]最后，一種氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的制備方法，其特征是碳納米管粉末和氮化鎂粉末照質量1:1配比混合均勻，將制得的氮化鎂-碳納米管混合物顆粒經過球磨24小時獲得超細氮化鎂-碳納米管混合物粉末，通過氬氣將超細碳納米管-氮化鎂粉末吹入鎂基合金熔體中，生成增強鎂基合金熔體，再經過機械化混合攪拌、變質處理、精煉、澆注，即獲得氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料。
[0009]上述制備方法中金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁Al、鎳Ni和鈷與水H2O的硝酸鹽溶液，各成分按照質量1:1:1:1:1:1:11配比。
[0010]上述制備方法中硝酸鹽溶液、硝酸和氫氧化鈉水溶液按照質量I: 1:1比例混合均勻，將沉淀物進行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550°C，煅燒18小時，然后在球磨機中球磨為20ym的超細粉末為反應催化劑。
[0011 ]上述制備方法中的氣體為氬氣，氣體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量0.02-
0.15m3/Min。氬氣為稀釋劑，用于調節反應速度及顆粒生長速度。
[0012]氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的制備方法，鎂基合金熔體的溫度700-800°C。反應生成增強粉末的時間為10-60分鐘，粉末含量要求越高反應生成增強粉末的時間越長。
[0013](I)反應增強相為熔體狀態下合成的碳納米管-氮化鎂顆粒，在熔體狀態下與鎂基合金恪體充分反應與結合。
[0014]增強顆粒的尺寸為0.1-1μπι。通過對反應時間、反應溫度、混合氣體的組成等進行相關調節，可以控制反應生成增強粉末的組成、粉末尺寸、數量及分布，從而滿足不同部位的使用要求。
[0015]鎂基合金的基體材料的化學成分的質量分數為:鎂Mg:90_98，剩余成份為鋁Al。可以通過上述成分要求進行熔煉。在鎂基合金基體材料在電阻加熱坩禍爐內熔煉，最終可獲得強度、韌性和硬度大幅提升的鎂基合金材料。
[0016]該氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料無需專用設備(無需采用真空熔煉爐、高溫高壓等設備)，在常規鎂基合金廠即可組織生產，將熔煉后的錫金屬熔體直接澆入預先制備好的鑄型內，冷卻后制成假牙，本發明投資少，見效快，能快速收回投資成本。
[0017]與現有鎂基合金技術相比，氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的制備方法具有如下優點:
(I)耐磨性、強度和性顯著提高，間隔2小時澆注試樣的力學性能差小于6%，這將有利于大批量、小尺寸材料的穩定生產。增強粉末尺寸細小，分布均勻，組織穩定性高，表面無污染，與在鎂基合金基體結合良好。材料的室溫力學性能和耐磨性能顯著提高，尤其適合于航空航天、汽車、電子產品、建筑工業以及日常生活等方面的應用。
[0018](2)組織穩定性好，導電和導熱性能得到有效提高，同時，不會分解有毒氣體或溶解物，本發明因增強粉末是在是在鎂基合金熔體中反應生成，解決了外加粉末與鎂基合金基體潤濕性差、易發生界面反應以及組織穩定性差等問題。因生成的粉末尺寸小，因比重差導致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生產的工藝穩定性高。【附圖說明】
[0019]下面是結合附圖和實施例對本發明的具體實施方案進行詳細地說明。
[0020]圖1獲得氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的試樣的光學微觀組織照片；圖2獲得氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的試樣的應力-應變曲線。
[0021]從圖1所示的氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金光學照片可以看出氮化鎂-碳納米管顆粒均勻的分布在試樣中，在鎂基合金的基體中包含著均勻的氮化鎂-碳納米管顆粒， 能夠顯著提高鎂基合金的力學性能和導電性能。從圖2所示的氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金試樣拉伸應力-應變曲線，可以看出，強度較傳統試樣提高25%。【具體實施方式】
[0022]下面給出本發明的最佳實施例:根據化學成分范圍，在電阻加熱坩堝爐內熔煉本發明鎂基合金。本發明鎂基合金的基體材料的化學成分及質量分數為:鎂Mg:96.5,剩余成份為鎂Mg。待其融化并過熱到245°C，扒渣，變質、精煉、澆注鑄型;將金屬熔體加熱到750°C， 用氬氣將超細氮化鎂-碳納米管顆粒粉末吹入鎂基合金熔體中，氣體壓力〇.1Mpa，氣體流量 0.05 m3/Min，時間10分鐘，混合粉末加入量為鎂基合金熔體重量的5%，再進行變質處理和精煉處理，澆注鑄型，再保溫，并分別于20分、80分澆注鑄型。然后進行T6處理，并進行性能測試。實驗結果表明氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料抗拉強度為325.15Mpa，布氏硬度144,腐蝕性能:失重比例為0.01725%，成本為3元/Kg。如保溫80分鐘后室溫抗拉強度 315.16 Mpa，布氏硬度140,腐蝕性能:失重比例為0.01725%，成本為3元/Kg。由此可見同時本發明氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的價格雖然略高于傳統鎂基合金，但是本發明材料的抗拉強度，耐磨性、尤其硬度和組織穩定性都顯著提高，而且生產工藝穩定性好，便于大批量生產。
【主權項】
1.一種氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料的制備方法，其特征是碳納米管粉末和氮化鎂粉末按照質量1:1配比混合均勻，將制得的氮化鎂-碳納米管混合物顆粒經過球磨24小時獲得超細氮化鎂-碳納米管及鎂粉混合物粉末，通過氬氣將超細碳納米管-氮化鎂粉末吹入鎂基合金熔體中，生成增強鎂基合金熔體，再經過機械化混合攪拌、變質處理、精煉、澆注，即獲得氮化鎂-碳納米管顆粒增強鎂基合金材料； (1)鎂基合金的基體材料的化學成分及質量分數為:鎂Mg:90-98，剩余成份為鋁Al; (2)吹入鎂基合金熔體中的氣體為氬氣，氣體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量0.02-0.15m3/Min，氬氣為稀釋劑，用于調節反應速度及顆粒生長速度； (3)氮化鎂粉末是由鎂粉與碳酰胺CO(NH2)2按照質量為1:1的比例混合均勻，在氬氣保護下采用機械化球磨法24小時，使鎂粉與碳酰胺發生反應，制備出氮化鎂產物粉末； (4)碳納米管粉末是將下列金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁Al、鎳Ni和鈷與水H2O的硝酸鹽溶液，各成分按照質量I:1:1:1:1:1:11配比，將上述硝酸鹽溶液、硝酸含量為60%的水溶液和氫氧化鈉含量為40%的水溶液按質量1:1:1比例混合均勻，將沉淀物進行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550°C，煅燒18小時，然后在球磨機中球磨為20μπι的超細粉末為反應催化劑，將上述方法制備的粉末置于鋼反應器中，向鋼反應器中吹入體積比為9:1的丙烯和氮氣的混合氣體，體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量為0.4 m3/Min，氮氣為稀釋劑，用于調節反應速度及粉末生長速度，反應溫度為660°C，反應時間為60 Min，制得碳納米管干粉。
【文檔編號】C22C32/00GK106011568SQ201610474622
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】徐淑波, 聞萍, 廖雪, 徐愛青
【申請人】山東建筑大學