一种掺杂二硼化钛的耐磨镁合金的制备方法与流程

本发明涉及一种掺杂二硼化钛的耐磨镁合金的制备方法，属有色金属合金增强制备及应用的技术领域。

背景技术：

镁及镁合金是最轻的有色金属结构材料，可在机械、电子、航空、医学、日用工业中应用，具有高的比强度、比模量，具有优良的加工性能；但是镁及镁合金强度低、硬度低、耐高温性能差、耐磨损性能差，使镁及镁合金的应用受到了很大的局限；故必须对镁及镁合金的力学性能及耐摩擦性能进行改进，才能扩展镁及镁合金的应用范围。

镁及镁合金的增强增韧方法有多种形式，例如掺杂金属法、轧制法、等通道挤压法，但这些方法仍存在技术上的不足，很难达到高精尖产品的使用要求。

合金复合化是提高镁合金耐磨性的有效方法，在合金复合化的同时对其变形工艺进行优化是提高镁合金力学性能及耐磨性的有效途径，这一技术还在科学研究中。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的不足，以镁合金为原料，掺杂二硼化钛，经熔炼、铸造成锭、加压凝固、固溶处理、热挤压，制成耐磨镁合金，以增强镁合金的韧性及耐磨性能。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：镁合金、二硼化钛、氢氟酸、去离子水、无水乙醇、二氧化碳，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米³为计量单位

镁合金：AZ91，固态块体1000g±0.01g

二硼化钛：TiB₂，固态粉体624.31g±0.01g

氢氟酸：HF，液态液体，100mL±10mL

去离子水：H₂O,液态液体，1000mL±10mL

无水乙醇：C₂H₅OH，1000mL±10mL

二氧化碳：CO₂，800000cm³±100cm³

制备方法如下：

(1)预处理镁合金

将镁合金块体置于钢质平板上，用机械切割成小块，小块尺寸≤5mm×3mm×4mm；

然后置于干燥炉中干燥，干燥温度105℃，以消除表面水汽；

(2)预处理二硼化钛

①配制氢氟酸水溶液

量取氢氟酸76mL±0.001mL，去离子水924mL±0.001mL，加入量桶中，搅拌5min,成1.7mol/L的氢氟酸水溶液；

②将二硼化钛624.31g±0.01g加入氢氟酸水溶液中，浸泡24小时，成混合液；

③抽滤

将混合液置于抽滤瓶的漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去滤液；

④干燥

将二硼化钛滤饼装入石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度80℃，真空度2Pa，干燥时间120min；

然后升温至100℃，干燥时间30min；

继续升温至120℃，干燥时间10min；

⑤预氧化

将干燥后的二硼化钛颗粒置于普通干燥箱中进行预氧化；

加热温度120℃，加热时间10min；

然后升温至150℃，加热时间2min；

(3)熔炼制备耐磨镁合金

熔炼制备耐磨镁合金是在真空熔炼炉内进行的，是在抽真空、输入二氧化碳气体、中频感应加热熔炼、外水循环冷却下完成的；

①制备开合模具

开合式模具用不锈钢材料制造，模具型腔为圆筒形，型腔表面粗糙度Ra0.08-0.16μm；

②清理真空熔炼炉

打开真空熔炼炉，用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚，然后用无水乙醇进行清洗，使坩埚内洁净；

向熔炼炉内输入二氧化碳气体，清除炉内有害气体，然后关闭熔炼炉；

③开启真空泵，抽取真空熔炼炉内空气，使炉内压强达2Pa；

④将预处理的镁合金块加入熔炼坩埚内；

⑤开启二氧化碳气体瓶，向真空熔炼炉内输入二氧化碳气体，二氧化碳输入速度100cm³/min，使炉内压强恒定在0.1MPa；开启中频感应加热器，加热温度780℃±2℃，加热熔炼时间40min，熔炼后成合金熔液；熔炼后停止加热，使镁合金溶液降至595℃；

⑥将预处理的二硼化钛颗粒通过加料斗加入熔炼坩埚内；

开启熔炼坩埚内搅拌器，搅拌转数28转/min，熔炼搅拌时间20min；

⑦重新开启中频感应加热器，加热温度780℃±2℃，继续熔炼10min；熔炼后成掺杂二硼化钛的耐磨镁合金熔液；

⑧浇铸成型

预热开合式模具，预热温度400℃；

关闭二氧化碳气体瓶，关闭中频感应加热器，停止加热；

打开熔炼炉，取出熔炼坩埚，对准开合式模具进行浇铸，浇满为止；

⑨加压凝固，冷却

将浇铸了熔液的开合式模具置于压力机上，进行压制，压力压强100MPa，加压冷却至400℃；

开模，取出铸锭；

将铸锭埋入细砂中，自然冷却至25℃

(4)切制、清理、清洗

将镁合金铸锭置于钢质平板上，用机械切割成的镁合金锭；

然后用400目砂纸进行打磨，使外圆及端面洁净；

(5)热处理

将镁合金锭置于热处理炉内，进行加热处理；

加热温度380℃，加热时间1h；

然后升温至420℃，固溶处理2h；

随后随炉冷却至200℃，保温时间20h；

热处理后停止加热，使镁合金锭随炉冷却至25℃；

(6)低速热挤压

耐磨镁合金锭的热挤压是在立式挤压机上进行的，是在圆筒形模具内，在加热、加压过程中完成的；

①制备热挤压开合式模具

热挤压开合式模具用工具钢材料制作，模具型腔为圆筒形，型腔尺寸为型腔表面粗糙度Ra0.08-0.16μm；

②将固溶处理后的铸锭置于热挤压开合式磨具内；

然后置于热挤压机的工作台上，上压头对准开合式模具，垂直施压；

开启热挤压机加热器，加热温度420℃，施压压强300Mpa，加热施压时间3min；

挤压后停止加热，关闭热挤压机，随后随炉冷却至220℃，开启热挤压机，继续施压，施压压强500Mpa，加热施压时间35min；

挤压后停止加热，在施压状态下冷却至25℃；

停止施压，开模取出铸锭，即耐磨镁合金块；

(7)清理、清洗

将耐磨镁合金块置于钢质平板上，用400目砂纸打磨镁合金块外圆及端面，使其清洁；

然后用无水乙醇清洗，使镁合金块外圆及端面洁净；

清理清洗后成：掺杂二硼化钛的耐磨镁合金块；

(8)检测、分析、表征

对制备的掺杂二硼化钛的耐磨镁合金块的形貌、色泽、力学性能进行检测、分析、表征；

用光学显微镜进行显微组织形貌分析；

用X射线衍射仪进行物相分析；

用显微维氏硬度计进行材料硬度分析；

用摩擦磨损试验机进行材料的摩擦磨损性能分析；

结论：掺杂二硼化钛的耐磨镁合金块为银灰色块状，硬度达250HV，最大摩擦系数为0.536。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对镁合金强度低、硬度低、耐高温性能差、耐磨性能差的情况，在镁合金中掺杂二硼化钛，经真空熔炼、浇铸成锭、加压凝固、固溶处理、低速热挤压，制成耐磨镁合金，提高了镁合金的强度、硬度、韧性及耐磨性能；此制备方法工艺先进，数据精确翔实，耐磨镁合金硬度达250HV，最大摩擦系数为0.536，耐磨性能好，是先进的制备耐磨镁合金的方法。

附图说明

图1，耐磨镁合金熔炼状态图

图2，耐磨镁合金低速热挤压状态图

图3，耐磨镁合金横切面金相组织形貌图

图4，耐磨镁合金X射线衍射强度图谱

图中所示，附图标记清单如下：

1、真空熔炼炉，2、炉座，3、炉盖，4、工作台，5、熔炼坩埚，6、中频感应加热器，7、耐磨镁合金熔液，8、第一显示屏，9、第一指示灯，10、第一电源开关，11、中频感应加热控制器，12、搅拌控制器13、真空泵控制器14、真空泵，15、真空阀，16、真空管，17、二氧化碳气体瓶，18、气体阀，19、气体管，20、二氧化碳气体，21、炉腔，22、出气管阀，23、搅拌器，24、加料斗，25、控制阀，26、外水循环冷却管，27、进水阀，28、回水阀，29、导线，30、热挤压机，31、左立柱，32、右立柱,33、顶座，34、压力电机，35、加热工作台，36、圆筒形挤压模具，37、下垫块,38、耐磨镁合金铸锭，39、上压块，40、上压头，41、压力块，42、电控箱，43、第二显示屏，44、第二指示灯，45、第二电源开关，46、压力电机控制器，47、加热工作台控制器，48、固定座。

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，为耐磨镁合金熔炼状态图，各部位置要正确，按量配比，按序操作。

制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、毫米、厘米³为计量单位。

真空熔炼炉为立式，真空熔炼炉1的下部为炉座2、上部为炉盖3、内部为炉腔21；在炉腔21的内底部设有工作台4，在工作台4的上部为熔炼坩埚5，熔炼坩埚5的外部为中频感应加热器6，熔炼坩埚5内为耐磨镁合金熔液7，炉腔21内由二氧化碳气体20充填；在炉盖3上部设有加料漏斗24、搅拌器23，加料漏斗24上设有控制阀25，加料漏斗24穿过炉盖3连通熔炼坩埚5；搅拌器23穿过炉盖3深入熔炼坩埚5内底部；在真空熔炼炉1的外部设有外水循环冷却管26，外水循环冷却管26上设有进水阀27、回水阀28，并与外接水源连接；在真空熔炼炉1的右部设有真空泵14，真空泵14上部设有真空阀15、真空管16，并伸入炉腔21内；在真空熔炼炉1的左部设有二氧化碳气瓶17，二氧化碳气瓶17上部设有气体阀18、气体管19，并向炉腔21内输入二氧化碳气体20；在炉座2上设有第一显示屏8、第一指示灯9、第一电源开关10、中频感应加热控制器11、搅拌控制器12、真空泵控制器13；炉座2通过导线29连接真空泵14、搅拌器23、中频感应加热器6。

图2所示，为耐磨镁合金低速热挤压状态图，各部位置要正确，按序操作。

镁合金锭的低速热挤压是在立式挤压机上进行的，是在加热、施压过程中完成的；

热挤压机为立式，热挤压机30上部分左右设有左立柱31、右立柱32，并连接顶座33；在热挤压机30中间部位上部为加热工作台35，在加热工作台35上部垂直置放圆筒形挤压模具36，并由固定座48固定；在圆筒形挤压模具36内底部置放下垫块37，下垫块37上部置放耐磨镁合金锭38，在耐磨镁合金锭38上部由上压块39压住；在上压块39上部连接上压头40，上压头40上部连接压力块41，压力块41上部通过顶座33与压力电机34连接；在热挤压机30的左部设有电控箱42，在电控箱42上设有第二显示屏43、第二指示灯44、第二电源开关45、压力电机控制器46、加热工作台控制器47；电控箱47通过电缆48与热挤压机30连接。

图3所示，为耐磨镁合金横切面金相组织形貌图，图中所示，由明亮的镁合金基体和黑色的二硼化钛颗粒组成，金相组织致密性好。

图4所示，为耐磨镁合金X射线衍射强度图谱，图中所示，纵坐标为衍射强度，横坐标为衍射角2θ，图谱的衍射峰由α-Mg、TiB₂和Mg₁₇Al₁₂三种种物质的衍射峰组成。