CN111822534A - 一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法 - Google Patents

一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法 Download PDF

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Abstract

一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，本发明涉及金属基复合材料加工技术领域。本发明要解决SiC颗粒增强镁基复合材料在挤压中容易出现开裂的技术问题。方法：一、将SiC/AZ91D镁基铸锭加热处理；二、车削；三、采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压；四、固溶，时效。本方法采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基锭坯进行挤压，在包镁挤压的过程中SiC/AZ91D镁基锭坯没有出现开裂的现象，得到的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材，具有密度低、比强度和比刚度高、物理性能上的各向同性、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果佳等特点。本发明方法用于获得SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材。

Description

一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料加工技术领域。
背景技术
镁及其合金的密度在1.6～1.85g/cm3之间，约为传统钢铁密度的1/4，其比钛合金轻61％，比铝合金的密度小约为67％，是目前最轻的金属结构材料之一，具有密度低、比强度和比刚度高、导热性好、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果佳、零件尺寸稳定和易回收等优点。应用在工程中可大大减轻结构件的质量，进而成为轻量化工程中的结构功能材料，能有效降低能源的消耗。同时镁合金适用于交通运输装备、航空航天装备、军事工业等领域，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。
颗粒增强镁基复合材料改善了镁用作工程材料时弹性模量低、抗拉强度低、抗蠕变性能差和硬度低等诸多不足，同时在制备成本、工艺复杂性上比镁合金材料所需要求低，且物理性能各向同性，这使得颗粒增强镁基复合材料具有用作轻质结构材料的潜能。成为航天、航空对新管材料牵引和需求的主要发展方向之一。但镁合金的滑移系较少，塑性变形较为困难，而添加陶瓷颗粒，由于陶瓷颗粒的脆性，导致陶瓷颗粒增强镁基复合材料的加工更为困难，因此SiC颗粒增强镁基复合材料在挤压中容易出现开裂的现象，本发明有效解决了陶瓷颗粒增强镁基复合材料加工难、易开裂的问题。
发明内容
本发明要解决SiC颗粒增强镁基复合材料在挤压中容易出现开裂的技术问题，而提供的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法。
一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，具体按以下步骤进行：
一、将SiC/AZ91D镁基铸锭加热至350～400℃，保温4～5h，转温至400～450℃，保温25～30h，出炉空冷；
二、将空冷后的SiC/AZ91D镁基铸锭进行车削加工，得到SiC/AZ91D镁基环坯；
三、将SiC/AZ91D镁基环坯加热至380～420℃，保温5～8h，随即采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压，获得预制管材；
四、将预制管材在温度为370～390℃的条件下固溶处理1～3h，再升温至400～420℃，保温20～22h，空冷；然后在温度为160～180℃的条件下，时效处理30～35h，得到一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材。
步骤三中所述采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压的步骤如下：
在SiC/AZ91D镁基环坯的一端焊接一段环状镁合金，然后在380～420℃的温度条件下，保温5～8h，然后以SiC/AZ91D镁基环坯焊接环状镁合金的一端为头部，放入挤压机中，采用锥形模具，控制挤压比为1:(6～8)、挤压筒温度为400～420℃、挤压速度为0.01～0.1mm/s、挤压力为160～240MPa，进行正向挤压。
或者，步骤三中所述采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压的步骤如下：
制作镁合金套筒，采用冲压的方式将镁合金套筒包覆在SiC/AZ91D镁基环坯外，然后在380～420℃的温度条件下，保温5～8h，然后放入挤压机中，采用锥形模具，控制挤压比为1:(6～8)、挤压筒温度为400～420℃、挤压速度为0.01～0.1mm/s、挤压力为150～210MPa，进行正向挤压。
所述挤压机的挤压模具包括挤压筒外套3、挤压筒内套2、挤压上模头1和锥形模具，其中锥形模具包括挤压锥模5和剪切模6，挤压筒外套3套在挤压筒内套2外，环坯4在挤压筒内套2内，环坯4下方设有挤压锥模5和剪切模6，挤压上模头1的挤压针7穿过环坯4和锥形模具。
本发明的有益效果是：
1、本发明一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，分别采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压，并且在包镁挤压的过程中SiC/AZ91D镁基环坯没有出现开裂的现象，解决了镁合金基体的滑移系少，塑性变形困难，陶瓷颗粒增强镁基复合材料加工难、易开裂的问题，突破碳化硅增强镁基复合材料挤压过程中的核心技术。
2、本发明制备得到的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材，质量轻、比强度和比刚度高、物理性能上的各向同性、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果佳等特点，拥有巨大的应用潜力，可用于国防、航空航天和交通运输等领域，支撑了以载人航天为代表的高技术领域对金属基复合材料的迫切需求。
经过测试，本发明方法制备的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的抗拉强度为408MPa，屈服强度为312MPa，延伸率为2.3％，弹性模量为73GPa。
本发明方法用于获得SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材。
附图说明
图1为具体实施方式十所述挤压机的挤压模具的结构示意图，其中1为挤压上模头，2为挤压筒内套，3为挤压筒外套，4为环坯，5为挤压锥模，6为剪切模，7为挤压针；
图2为实施例一制备的SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的照片；
图3为现有方法制备的SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的照片；
图4为现有方法制备的SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的放大照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，具体按以下步骤进行：
一、将SiC/AZ91D镁基铸锭加热至350～400℃，保温4～5h，转温至400～450℃，保温25～30h，出炉空冷；
二、将空冷后的SiC/AZ91D镁基铸锭进行车削加工，得到SiC/AZ91D镁基环坯；
三、将SiC/AZ91D镁基环坯加热至380～420℃，保温5～8h，随即采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压，获得预制管材；
四、将预制管材在温度为370～390℃的条件下固溶处理1～3h，再升温至400～420℃，保温20～22h，空冷；然后在温度为160～180℃的条件下，时效处理30～35h，得到一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材。
本实施方式的有益效果：
1、本实施方式一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压，并且在包镁挤压的过程中SiC/AZ91D镁基环坯没有出现开裂的现象，解决了陶瓷颗粒增强金属基后复合材料使延伸率变低，在挤压中容易开裂的问题，突破碳化硅增强镁基复合材料挤压过程中的核心技术。
2、本实施方式制备得到的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材，其具有密度低、比强度和比刚度高、物理性能上的各向同性、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果佳等特点，拥有巨大的应用潜力，可用于国防、航空航天和交通运输等领域，支撑了以载人航天为代表的高技术领域对金属基复合材料的迫切需求。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的SiC/AZ91D镁基铸锭是采用半固态搅拌法铸造的，具体铸造工艺如下：将AZ91D镁合金升温至700～750℃，加入SiC颗粒，然后降温至580～595℃，进行搅拌，控制搅拌速度为800～1000r/min，搅拌时间为30～40min；再升温至730～750℃，控制搅拌速度为200～300r/min，搅拌15～25min，获得熔体，将熔体注入模具内进行浇铸成型，获得SiC/AZ91D镁基铸锭。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：AZ91D镁合金的成分按质量百分含量为：8.3％≤Al≤9.7％，0.35％≤Zn≤1.0％，0.15％≤Mn≤0.5％，余量为Mg。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：SiC/AZ91D镁基铸锭中SiC颗粒的体积百分含量为10％。其它与具体实施方式一至三之一相同。
SiC颗粒的纯度为98.90％。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中车削加工采用的设备为车床，车削后SiC/AZ91D镁基环坯的外径为270mm，内径为130mm，长度为450mm。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中所述采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压的步骤如下：
在SiC/AZ91D镁基环坯的一端焊接一段环状镁合金，然后在380～420℃的温度条件下，保温5～8h，然后以SiC/AZ91D镁基环坯焊接环状镁合金的一端为头部，放入挤压机中，采用锥形模具，控制挤压比为1:(6～8)、挤压筒温度为400～420℃、挤压速度为0.01～0.1mm/s、挤压力为160～240MPa，进行正向挤压。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：环状镁合金与SiC/AZ91D镁基环坯的内径比为1：1，外径比为1：1，长度的比为(3～5)：25。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中所述采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压的步骤如下：
制作镁合金套筒，采用冲压的方式将镁合金套筒包覆在SiC/AZ91D镁基环坯外，然后在380～420℃的温度条件下，保温5～8h，然后放入挤压机中，采用锥形模具，控制挤压比为1:(6～8)、挤压筒温度为400～420℃、挤压速度为0.01～0.1mm/s、挤压力为150～210MPa，进行正向挤压。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：镁合金套筒和SiC/AZ91D镁基环坯的长度比为1:1，外径的比为27:(23～25)。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述挤压机的挤压模具包括挤压筒外套3、挤压筒内套2、挤压上模头1和锥形模具，其中锥形模具包括挤压锥模5和剪切模6，挤压筒外套3套在挤压筒内套2外，环坯4在挤压筒内套2内，环坯4下方设有挤压锥模5和剪切模6，挤压上模头1的挤压针7穿过环坯4和锥形模具，挤压锥模的锥角为50～60度。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，具体按以下步骤进行：
一、将SiC/AZ91D镁基铸锭加热至380℃，保温4.5h，转温至420℃，保温27h，出炉空冷；
二、将空冷后的SiC/AZ91D镁基铸锭进行车削加工，得到SiC/AZ91D镁基环坯；获得SiC/AZ91D镁基环坯的规格为Ф270/130*450mm；
三、将SiC/AZ91D镁基环坯加热至400℃，保温6h，随即采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压，获得预制管材；
四、将预制管材在温度为380℃的条件下固溶处理2h，再升温至420℃，保温22h，空冷；然后在温度为175℃的条件下，时效处理32h，得到一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材。
步骤三所述采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压的步骤如下：
在SiC/AZ91D镁基环坯的一端焊接一段环状镁合金，然后在380～420℃的温度条件下，保温6h，然后以SiC/AZ91D镁基环坯焊接环状镁合金的一端为头部，放入2000吨挤压机中，采用锥形模具，控制挤压比为1:(6～8)、挤压筒温度为405℃、挤压速度为0.04mm/s、挤压力为160～240MPa，进行正向挤压；其中环状镁合金的规格为Ф270/130*80mm。
实施例二：
本实施例一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，具体按以下步骤进行：
一、将SiC/AZ91D镁基铸锭加热至380℃，保温4.5h，转温至420℃，保温27h，出炉空冷；
二、将空冷后的SiC/AZ91D镁基铸锭进行车削加工，得到SiC/AZ91D镁基环坯；SiC/AZ91D镁基环坯的规格为Ф240/130*450mm；
三、将SiC/AZ91D镁基环坯加热至400℃，保温6h，随即采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压，获得预制管材；
四、将预制管材在温度为380℃的条件下固溶处理2h，再升温至420℃，保温22h，空冷；然后在温度为175℃的条件下，时效处理32h，得到一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材。
步骤三中所述采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压的步骤如下：
制作规格为Ф270/240*450mm的AZ91D镁合金套筒，采用冲压的方式将镁合金套筒包覆在SiC/AZ91D镁基环坯外，获得外径为270mm，内径为130mm的管坯，然后在400℃的温度条件下，保温5～8h，然后放入挤压机中，采用锥形模具，控制挤压比为1:(6～8)、挤压筒温度为405℃、挤压速度为0.04mm/s、挤压力为150～210MPa，进行正向挤压。
如图2所示，实施例一得到的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材在包铝挤压过程中没有出现开裂的现象，而从图3和图4可以看出，现有方法制备的SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材在挤压中出现裂边儿和开裂的现象。经过测试，本方法制备的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的抗拉强度为408MPa，屈服强度为312MPa，延伸率为2.3％，弹性模量为73GPa。
实施例所述挤压机的挤压模具包括挤压筒外套3、挤压筒内套2、挤压上模头1和锥形模具，其中锥形模具包括挤压锥模5和剪切模6，挤压筒外套3套在挤压筒内套2外，环坯4在挤压筒内套2内，环坯4下方设有挤压锥模5和剪切模6，挤压上模头1的挤压针7穿过环坯4和锥形模具，挤压锥模的锥角为55度。
实施例的有益效果：
1、一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，分别采用两种包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基锭坯进行挤压，并且在包镁挤压的过程中SiC/AZ91D镁基锭坯没有出现开裂的现象，解决了镁合金加工变形性能差，以及陶瓷颗粒添加后复合材料延伸率变低，在挤压中容易开裂的问题，突破碳化硅颗粒增强镁基复合材料挤压过程中的核心技术。
2、实施例制备得到的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材，具有质量轻、比强度和比刚度高、导热性好、阻尼减震性好等特点，拥有巨大的应用潜力，可用于国防、航空航天和交通运输等领域，支撑了以载人航天为代表的高技术领域对金属基复合材料的迫切需求。

Claims (10)

1.一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、将SiC/AZ91D镁基铸锭加热至350～400℃，保温4～5h，转温至400～450℃，保温25～30h，出炉空冷；
二、将空冷后的SiC/AZ91D镁基铸锭进行车削加工，得到SiC/AZ91D镁基环坯；
三、将SiC/AZ91D镁基环坯加热至380～420℃，保温5～8h，随即采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压，获得预制管材；
四、将预制管材在温度为370～390℃的条件下固溶处理1～3h，再升温至400～420℃，保温20～22h，空冷；然后在温度为160～180℃的条件下，时效处理30～35h，得到一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材。
2.根据权利要求1所述的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，其特征在于步骤一中所述的SiC/AZ91D镁基铸锭是采用半固态搅拌法铸造的，具体铸造工艺如下：将AZ91D镁合金升温至700～750℃，加入SiC颗粒，然后降温至580～595℃，进行搅拌，控制搅拌速度为800～1000r/min，搅拌时间为30～40min；再升温至730～750℃，控制搅拌速度为200～300r/min，搅拌15～25min，获得熔体，将熔体注入模具内进行浇铸成型，获得SiC/AZ91D镁基铸锭。
3.根据权利要求2所述的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，其特征在于AZ91D镁合金的成分按质量百分含量为：8.3％≤Al≤9.7％，0.35％≤Zn≤1.0％，0.15％≤Mn≤0.5％，余量为Mg。
4.根据权利要求2所述的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，其特征在于SiC/AZ91D镁基铸锭中SiC颗粒的体积百分含量为10％。
5.根据权利要求1所述的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，其特征在于步骤二中车削加工采用的设备为车床，车削后SiC/AZ91D镁基环坯的外径为270mm，内径为130mm，长度为450mm。
6.根据权利要求1所述的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材管材的挤压方法，其特征在于步骤三中所述采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压的步骤如下：
在SiC/AZ91D镁基环坯的一端焊接一段环状镁合金，然后在380～420℃的温度条件下，保温5～8h，然后以SiC/AZ91D镁基环坯焊接环状镁合金的一端为头部，放入挤压机中，采用锥形模具，控制挤压比为1:(6～8)、挤压筒温度为400～420℃、挤压速度为0.01～0.1mm/s、挤压力为160～240MPa，进行正向挤压。
7.根据权利要求6所述的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材管材的挤压方法，其特征在于环状镁合金与SiC/AZ91D镁基环坯的内径比为1：1，外径比为1：1，长度的比为(3～5)：25。
8.根据权利要求1所述的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材管材的挤压方法，其特征在于步骤三中所述采用包镁挤压的方式对SiC/AZ91D镁基环坯进行挤压的步骤如下：
制作镁合金套筒，采用冲压的方式将镁合金套筒包覆在SiC/AZ91D镁基环坯外，然后在380～420℃的温度条件下，保温5～8h，然后放入挤压机中，采用锥形模具，控制挤压比为1:(6～8)、挤压筒温度为400～420℃、挤压速度为0.01～0.1mm/s、挤压力为150～210MPa，进行正向挤压。
9.根据权利要求8所述的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，其特征在于镁合金套筒和SiC/AZ91D镁基环坯的长度比为1:1，外径的比为27:(23～25)。
10.根据权利要求6或8所述的一种SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料管材的挤压方法，其特征在于所述挤压机的挤压模具包括挤压筒外套(3)、挤压筒内套(2)、挤压上模头(1)和锥形模具，其中锥形模具包括挤压锥模(5)和剪切模(6)，挤压筒外套(3)套在挤压筒内套(2)外，环坯(4)在挤压筒内套(2)内，环坯(4)下方设有挤压锥模(5)和剪切模(6)，挤压上模头(1)的挤压针(7)穿过环坯(4)和锥形模具。
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