CN101880788B - 一种镁铝合金的SiC颗粒碾磨增强方法 - Google Patents
一种镁铝合金的SiC颗粒碾磨增强方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种镁铝合金的SiC颗粒碾磨增强方法，以有色轻金属镁铝合金为基体，以碳化硅颗粒为增强掺杂剂，通过熔炼、碾磨剪切、浇铸、热处理，最终制成镁铝合金+碳化硅合金锭复合材料，镁铝合金+碳化硅合金锭的力学性能、抗拉强度、屈服强度、弹性模量大幅度提高，抗拉强度可提高32％，屈取强度可提高40％，弹性模量可提高70％，金相组织致密性好，颗粒分布均匀，增强相与基体间界面结合紧密，此增强方法先进合理，工艺流程短，可进行工业化连续生产，是十分理想的制备增强型有色金属复合材料的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁铝合金的SiC颗粒碾磨增强方法，属有色金属合金增加强度，提高力学性能的技术领域。
背景技术
有色金属合金中的镁铝合金，是最常用的有色轻金属合金材料，镁铝合金比重小、密度小、重量轻，常在军事工业、汽车工业、电子工业、航空航天工业领域得到应用；但由于它的轻金属结构特性，尤其是它的高温力学性能和热性能较低，极大的限制了它的应用范围。
为了改变镁铝合金的金相结构，使镁铝合金既具备低密度、低热膨胀系数，又具备高强度、高模量，必须对镁铝合金进行增强处理。
镁铝合金的增强方法也有多种形式，例如熔铸法，即旋涡搅拌法，虽然工艺简单，但旋涡会使材料的吸气量增加，只适合较大的金相颗粒，即50-100μm颗粒；例如液态金属搅拌法，是在真空条件下，用多级叶片组成的搅拌器进行搅拌混合，搅拌时液面只产生很小的旋涡，避免了气体的卷入，但该方法存在增强相颗粒成团和偏聚问题，也没有完全解决增强颗粒与金属液之间的浸润问题，而且该方法设备复杂，只适用于直径大于10μm颗粒；例如专利号200510011526.0专利，即真空机械双熔铸法，存在增强相均匀分散问题，涡流搅拌及气体送粉引起的吸气、增强相与基体的不浸润性，增强相的团聚问题仍未解决；以前的制备方法往往只注重增强相的均匀分散性，而对增强相与基体间的界面结合状况考虑较少；事实是金属基与增强相之间的界面担负着将载荷从基体传递至增强相的作用，是影响材料性能、制约材料应用的重要因素。
发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的不足，采用一种新的增强技术，将增强相碳化硅颗粒碾磨于镁铝合金中，在碾磨釜内，在加热熔化、充二氧化碳+六氟化硫气体状态下，对其进行碾磨、剪切，使镁铝合金与增强相碳化硅颗粒熔为一体，均匀分散并紧密结合，以大幅度提高镁铝合金的强度和力学性能，从而扩大其在工业上的应用范围。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：镁铝合金块、碳化硅粉、水玻璃、白垩粉、去离子水、二氧化碳气体、六氟化硫气体、细砂，其组合用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
镁铝合金块：AZ61mgAl 10000g±50g
碳化硅粉：SiC 4000g±50g
水玻璃：Na2S2O4 100g±1g
白粉：Ca(HCO3)2 20g±1g
去离子水：H2O 2000ml±100ml
二氧化碳气体：CO2 4000000cm3±100cm3
六氟化硫气体：SF6 400000cm3±100cm3
细砂：5000g
增强方法如下：
(1)精选化学物质材料
对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
镁铝合金块：固态固体AZ61镁93％，铝6％，锌1％
碳化硅粉：固态固体 99.8％
水玻璃：固态固体 98％
白垩粉：固态固体 98％
去离子水：液态液体 99.9％
二氧化碳气体：气态气体 98％
六氟化硫气体：气态气体 99.5％
细砂：固态固体砂粒粒径 ≤0.1mm
(2)研磨、过筛碳化硅粉
①将碳化硅粉置于球磨机内，进行研磨，成细粉；
②用625目筛网过筛；
③研磨、过筛反复进行，成碳化硅细粉，细粉颗粒直径≤0.005mm；
(3)制备开合式模具
①用不锈钢材料制作开合式模具；
②模具型腔为山字形，各腔为矩形体；
(4)熔炼镁铝合金
①熔炼镁铝合金在熔炼炉中进行；
②切制镁铝合金块，成10×10×50mm块体；
③将镁铝合金块加入熔炼炉中；
④开启混合气体阀，向熔炼炉中输入CO2+SF6混合气体，气体输入速度440cm3/min；
⑤开启熔炼炉加热器，使温度升至650℃±2℃，恒温保温30min±2min，使镁铝合金块熔化，成：镁铝合金液，待用；
(5)机械碾磨镁铝合金液+碳化硅颗粒，成复合熔液
①预热碳化硅颗粒
将碳化硅颗粒置于烘烤炉内，进行预热，预热温度620℃±2℃，预热时间600min±5min；
②机械碾磨镁铝合金液+碳化硅颗粒是在加热碾磨釜中进行的；加热碾磨釜内中间为加热碾磨罐，加热碾磨罐内设置机械碾磨机、搅拌器；碾磨釜侧部联通CO2+SF6气体箱、顶部联通加粉漏斗、镁铝合金液输液管，并伸入加热碾磨罐中；熔炼炉、抽液泵、碾磨罐通过导线与电控箱联接并控制；
③开启CO2+SF6气体，气体比例为：CO2气体为99.5％、SF6气体为0.5％；输入速度为1000cm3/min；
④开启碾磨加热器，使罐内温度由20℃升至650℃+2℃，升温速度20℃/min，并在此温度恒温保温30min，开启罐内底部搅拌器，搅拌转数60r/min；
开启抽液泵，将熔炼炉内的镁铝合金熔液，经过滤网抽至碾磨机内，抽液速度100ml/min；
将碳化硅粉经加粉漏斗加入碾磨机内，碳化硅粉加入速度20g/min，镁铝合金液与碳化硅粉的质量比为2.5∶1；
⑤开启出气孔、排出釜内多余气体；
⑥开启机械碾磨机，碾磨机转数为1000r/min，碾磨时间20min±1min；
⑦观察窗观察碾磨状态；
⑧镁铝合金液+碳化硅颗粒碾磨完成后，关闭碾磨机，停止碾磨，关闭抽液泵，关闭加粉漏斗，继续加热、搅拌5min±1min，防止沉淀；
(6)浇铸成锭
①预热开合式模具，预热温度420℃±2℃，预热时间120min；
②配制涂覆剂；将白垩粉100g、水玻璃20g、去离子水300ml置于不锈钢容器中，搅拌均匀，成糊状；
③在模具型腔内均匀刷涂涂覆剂，涂覆剂厚度为0.5mm；
④关闭碾磨罐加热器；
关闭CO2+SF6气体，停止输气；
关闭搅拌器；
⑤开启浇铸口，对准预热的开合式模具浇铸口、滤网，进行浇铸，浇满为止；
⑥冷却、开模、脱模
浇铸后，将模具置于自然空气中冷却，当温度冷却至300℃时，打开开合式模具，取出镁铝合金+碳化硅合金锭；
⑦细砂冷却
将镁合金+碳化硅合金锭埋入细砂中，继续冷却至20℃±2℃；
⑧取出镁铝合金+碳化硅合金锭；
(7)切锭成型
将镁铝合金+碳化硅合金锭用机械切制成型，成：150×50×50mm，即：镁铝合金+碳化硅合金锭；
(8)真空热处理
①将切制的镁铝合金+碳化硅合金锭置于热处理炉内，并关闭；
②抽取炉内真空，真空度10-2Pa；
③开启加热器，使温度升至420℃±2℃，在此温度恒温保温600min±10min；
④热处理后，关闭加热器，使其随炉冷却至20℃±2℃；
⑤取出镁铝合金+碳化硅合金锭，即成品；
(9)检测、分析、表征
对增强的镁铝合金+碳化硅合金锭的型貌、色泽、金相组织、强度、弹性模量、硬度进行检测、分析、表征；
用金相显微镜进行金相组织分析；
用AG-25TA电子万能试验机进行力学性能分析；
用JEM-200CK透射电子显微镜进行界面分析；
结论：产品为银灰色镁铝合金+碳化硅合金锭复合材料；
镁铝合金+碳化硅合金锭强度400Mpa、弹性模量70Gpa；
(10)储存
对制备的增强的镁铝合金+碳化硅合金锭，用软质材料包装，置于干燥、洁净环境，要防水、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±2℃，相对湿度≤10％。
所述的镁铝合金+碳化硅复合材料熔液的制备是在加热碾磨釜中进行的，碾磨釜1的下部为釜座5、上部为釜盖6，由开合架24开合；碾磨釜1的内部中间位置设置碾磨罐2，碾磨罐2下部为罐座22、上部为罐盖23、提手21、气孔28，左侧下部为浇铸口18、右上部为观察窗20，碾磨罐2内中部为碾磨机4、下部为搅拌器17，碾磨罐2外部为加热器3，碾磨罐2内的碾磨机4下部为镁铝合金+碳化硅复合材料熔液27；碾磨釜1左上部联通气体管15，气体管15联通气体阀16、气体箱14，气体箱14联通SF6气体瓶34、CO2气体瓶35，并向碾磨釜1、熔炼炉8内输送混合气体25；在釜盖6右上部设有加粉漏斗7，并***釜内的碾磨罐2内；釜盖6上左部设有输液管12，输液管12向下***碾磨罐2内、外部联接输液阀13、输液泵11，输液泵11下部联接吸液管9、滤网10，并***熔炼炉8内，镁铝合金液26通过滤网10、吸液管9、输液泵11、输液阀13、输液管12输入至碾磨釜1内的碾磨罐2内；碾磨釜1右部设置电控箱30，电控箱30上设有显示屏31、指示灯32、控制开关33，并通过导线29与碾磨机4、加热器3、搅拌器17、输液泵11、熔炼炉8联接，碾磨罐2内的碾磨机4碾磨后的镁铝合金+碳化硅复合溶液27经浇铸口18对准浇铸模具进行浇铸成锭。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，采用有色轻金属材料镁铝合金掺杂碳化硅颗粒，通过熔炼、碾磨剪切、浇铸、热处理，最终制成镁铝合金+碳化硅锭复合材料，使镁铝合金复合材料的力学性能、强度、硬度、弹性模量得到大幅度提高，抗拉强度可提高32％，屈服强度可提高40％，弹性指量可提高70％，金相结织结构致密性好，颗粒分布均匀，此碾磨增强方法先进合理，工艺流程短，可进行工业化连续生产，是十分理想的制备增强型有色轻金属复合材料的方法。
附图说明
图1为机械碾磨镁铝合金+碳化硅状态图
图2为开合式模具结构图
图3为镁铝合金+碳化硅合金锭横切面金相组织结构图
图4为镁铝合金+碳化硅合金锭界面结构图
图5为镁铝合金+碳化硅合金锭增强前后力学性能对比表
图中所示，附图标记清单如下：
1、碾磨釜，2、碾磨罐，3、加热器，4、碾磨机，5、釜座，6、釜盖，7、加粉漏斗，8、熔炼炉，9、吸液管，10、滤网，11、输液泵，12、输液管，13、输液阀，14、气体箱，15、气体管，16、气体阀，17、搅拌器，18、浇铸口，19、出气口，20、观察窗，21、提手，22、罐座，23、罐盖，24、开合架，25、混合气体，26、镁铝合金液，27、镁铝合金+碳化硅复合熔液，28、气孔，29、导线，30、电控箱，31、显示屏，32、指示灯，33、控制开关，34、SF6气体瓶，35、CO2气体瓶，36、混合气体阀。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为机械碾磨镁铝合金+碳化硅颗粒状态图，各部位置，联接关系要正确，安装牢固，协调使用操作。
制备使用的化学物质材料是按预先设置的量值范围确定的，以克、毫升、厘米3为计量单位，当工业化制备时，以千克、升、米3为计量单位。
以碾磨釜为主体，左部配置熔炼炉、CO2+SF6气体箱、右部配制电控箱，并通过导线联接，由电控箱控制各部功能。
熔炼炉熔炼的镁铝合金液，通过管路输入碾磨釜的碾磨罐内，碳化硅粉由加粉漏斗加入碾磨罐内，然后由碾磨机碾压，要严格控制镁铝合金液与碳化硅粉的质量比例为2.5∶1。
镁铝合金+碳化硅颗粒碾压是在液态、加热、高转数下进行的，是在SF6+CO2气体保护下完成的，要严格控制速度、温度、时间，以保证安全。
图2所示，为开合式模具结构图，用不锈钢材料制作，内腔为山字形，浇铸口设有滤网，浇铸成型后可制成四个矩形体镁铝合金+碳化硅合金锭。
图3所示，为镁铝合金+碳化硅合金锭的金相组织结构图，碳化硅颗粒尺寸≤0.005mm，分布均匀，无明显的团聚。
图4所示，为镁铝合金+碳化硅合金锭横切面金相组织透射电位图谱，可见：镁铝合金与碳化硅界面紧密结合，界面上没有反应产物。
图5所示，为镁铝合金+碳化硅合金锭增强前后力学性能对比表，表中可知：增强后的抗拉强度、屈取强度、弹性模量比增强前明显提高。
Claims (2)
1.一种镁铝合金的SiC颗粒碾磨增强方法，其特征在于：化学物质材料为：镁铝合金块、碳化硅粉、水玻璃、白垩粉、去离子水、二氧化碳气体、六氟化硫气体、细砂，其组合备料用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
镁铝合金块：AZ61 10000g±50g
碳化硅粉： 4000g±50g
水玻璃： 100g±1g
白垩粉： 100g±1g
去离子水： 2000ml±100ml
二氧化碳气体： 4000000cm3±100cm3
六氟化硫气体： 400000cm3±100cm3
细砂： 5000g
增强方法如下：
(1)精选化学物质材料
对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
镁铝合金块：固态固体 AZ61镁93％，铝6％，锌1％
碳化硅粉：固态固体 99.8％
水玻璃：固态固体 98％
白垩粉：固态固体 98％
去离子水：液态液体 99.9％
二氧化碳气体：气态气体 98％
六氟化硫气体：气态气体 99.5％
细砂：固态固体砂粒粒径≤0.1mm
(2)研磨、过筛碳化硅粉
①将碳化硅粉置于球磨机内，进行研磨，成细粉；
②用625目筛网过筛；
③研磨、过筛反复进行，成碳化硅细粉，细粉颗粒直径≤0.005mm；
(3)制备开合式模具
①用不锈钢材料制作开合式模具；
②模具型腔为山字形，各腔为矩形体；
(4)熔炼镁铝合金
①熔炼镁铝合金在熔炼炉中进行；
②切制镁铝合金块，成10×10×50mm块体；
③将镁铝合金块加入熔炼炉中；
④开启混合气体阀，向熔炼炉中输入CO2+SF6混合气体，气体输入速度440cm3/min；
⑤开启熔炼炉加热器，使温度升至650℃±2℃，恒温保温30min±2min，使镁铝合金块熔化，成：镁铝合金液，待用；
(5)机械碾磨镁铝合金液+碳化硅粉，成复合熔液
①预热碳化硅粉
将碳化硅粉置于烘烤炉内，进行预热，预热温度620℃±2℃，预热时间600min±5min；
②机械碾磨镁铝合金液+碳化硅粉是在加热碾磨釜中进行的；加热碾磨釜内中间为加热碾磨罐，加热碾磨罐内设置机械碾磨机、搅拌器；碾磨釜侧部联通CO2+SF6气体箱、顶部联通加粉漏斗、镁铝合金液输液管，并伸入加热碾磨罐中；熔炼炉、抽液泵、碾磨罐通过导线与电控箱联接并控制；
③开启CO2+SF6气体，气体比例为：CO2气体为99.5％、SF6气体为0.5％；输入速度为1000cm3/min；
④开启碾磨加热器，使罐内温度由20℃升至650℃+2℃，升温速度20℃/min，并在此温度恒温保温30min，开启罐内底部搅拌器，搅拌转数60r/min；
开启抽液泵，将熔炼炉内的镁铝合金熔液，经过滤网抽至碾磨机内，抽液速度100ml/min；
将碳化硅粉经加粉漏斗加入碾磨机内，碳化硅粉加入速度20g/min，镁铝合金液与碳化硅粉的质量比为2.5∶1；
⑤开启出气孔、排出釜内多余气体；
⑥开启机械碾磨机，碾磨机转数为1000r/min，碾磨时间20min±1min；
⑦观察窗观察碾磨状态；
⑧镁铝合金液+碳化硅粉碾磨完成后，关闭碾磨机，停止碾磨，关闭 抽液泵，关闭加粉漏斗，继续加热、搅拌5min±1min，防止沉淀；
(6)浇铸成锭
①预热开合式模具，预热温度420℃±2℃，预热时间120min；
②配制涂覆剂；将白垩粉100g、水玻璃20g、去离子水300ml置于不锈钢容器中，搅拌均匀，成糊状；
③在模具型腔内均匀刷涂涂覆剂，涂覆剂厚度为0.5mm；
④关闭碾磨罐加热器；
关闭CO2+SF6气体，停止输气；
关闭搅拌器；
⑤开启浇铸口，对准预热的开合式模具浇铸口、滤网，进行浇铸，浇满为止；
⑥冷却、开模、脱模
浇铸后，将模具置于自然空气中冷却，当温度冷却至300℃时，打开开合式模具，取出镁铝合金+碳化硅合金锭；
⑦细砂冷却
将镁合金+碳化硅合金锭埋入细砂中，继续冷却至20℃±2℃；
⑧取出镁铝合金+碳化硅合金锭；
(7)切锭成型
将镁铝合金+碳化硅合金锭用机械切制成型，成：150×50×50mm，即：镁铝合金+碳化硅合金锭；
(8)真空热处理
①将切制的镁铝合金+碳化硅合金锭置于热处理炉内，并关闭；
②抽取炉内真空，真空度10-2Pa；
③开启加热器，使温度升至420℃±2℃，在此温度恒温保温600min±10min；
④热处理后，关闭加热器，使其随炉冷却至20℃±2℃；
⑤取出镁铝合金+碳化硅合金锭，即成品；
(9)检测、分析、表征
对增强的镁铝合金+碳化硅合金锭的型貌、色泽、金相组织、强度、弹性模量、硬度进行检测、分析、表征；用金相显微镜进行金相组织分析；
用AG-25TA电子万能试验机进行力学性能分析；
用JEM-200CK透射电子显微镜进行界面分析；
结论：产品为银灰色镁铝合金+碳化硅合金锭复合材料；
镁铝合金+碳化硅合金锭强度400Mpa、弹性模量70Gpa；
(10)储存
对制备的增强的镁铝合金+碳化硅合金锭，用软质材料包装，置于干燥、洁净环境，要防水、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±2℃，相对湿度≤10％。
2.根据权利要求1所述的一种镁铝合金的SiC颗粒碾磨增强方法，其特征在于：所述的镁铝合金+碳化硅复合材料熔液的制备是在加热碾磨釜中进行的，碾磨釜(1)的下部为釜座(5)、上部为釜盖(6)，由开合架(24)开合；碾磨釜(1)的内部中间位置设置碾磨罐(2)，碾磨罐(2)下部为罐座(22)、上部为罐盖(23)、提手(21)、气孔(28)，左侧下部为浇铸口(18)、右上部为观察窗(20)，碾磨罐(2)内中部为碾磨机(4)、下部为搅拌器(17)，碾磨罐(2)外部为加热器(3)，碾磨罐(2)内的碾磨机(4)下部为镁铝合金+碳化硅复合材料熔液(27)；碾磨釜(1)左上部联通气体管(15)，气体管(15)联通气体阀(16)、气体箱(14)，气体箱(14)联通SF6气体瓶(34)、CO2气体瓶(35)，并向碾磨釜(1)、熔炼炉(8)内输送混合气体(25)；在釜盖(6)右上部设有加粉漏斗(7)，并***釜内的碾磨罐(2)内；釜盖(6)上左部设有输液管(12)，输液管(12)向下***碾磨罐(2)内、外部联接输液阀(13)、输液泵(11)，输液泵(11)下部联接吸液管(9)、滤网(10)，并***熔炼炉(8)内，镁铝合金液(26)通过滤网(10)、吸液管(9)、输液泵(11)、输液阀(13)、输液管(12)输入至碾磨釜(1)内的碾磨罐(2)内；碾磨釜(1)右部设置电控箱(30)，电控箱(30)上设有显示屏(31)、指示灯(32)、控制开关(33)，并通过导线(29)与碾磨机(4)、加热器(3)、搅拌器(17)、输液泵(11)、熔炼炉(8)联接，碾磨罐(2)内的碾磨机(4)碾磨后的镁铝合金+碳化硅复合熔液(27)经浇铸口(18)对准浇铸模具进行浇铸成锭。
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