专利名称：固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及金属材料领域，是一种镁基复合材料的制备工艺，特别是一种固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法。
背景技术：
镁合金是最轻的金属结构材料，其比强度、比模量高，机械加工性能优良，有较好的耐蚀性能，优良的减振性能、切削加工性能和抛光性能，并能承受较大的冲击震动负荷。将镁合金应用于汽车、摩托车等交通领域，可以降低产品的自重，减少加工能量，降低能源消耗，减少污染(包括汽车尾气和废旧塑料)。另外，镁合金的低密度、低熔点、低动力学粘度、低比热容、低相变潜热以及与铁的亲和力小等特点，使其具有熔化耗能少、充型速度快、凝固速度快、模具使用寿命长等优点，极适合用现代铸造技术进行成型加工而实现薄壁，形状复杂构件的直接成型和加工，从而达到代替钢、铝合金、塑料，而实现产品轻量化的目的。但是镁合金特别是铸造镁合金由于强度偏低，耐磨性较差，严重阻碍了镁合金的应用，为了提高铸造镁合金的性能，研究人员做了大量的工作，镁基复合材料的研制与开发就是提高镁合金性能，扩大镁合金应用的一个重要方面。已有的镁基复合材料主要是应用外加颗粒和纤维来增强，主要的制备方法有搅拌铸造法、压力浸渍法、粉末冶金法等，这些生产工艺比较复杂，成本高，而且外加增强颗粒与镁基体润湿性差，界面结合不良，致使所制备的镁基复合材料的力学性能较低。原位反应制备复合材料是最近几年发展的制备方法。该方法具有制备的增强相与基体润湿，界面结合好，材料综合性能高的特点。文献检索发现，M.A.Matin等人在2001年《Scripta material》(479～486)上发表了“Investigation of thereactions between boron and titanium compounds with magnesium”一文，该文提出用氟钛酸盐(K2TiF6)和氟硼酸盐)(KBF4)与镁熔液反应法制备TiB2/Mg复合材料，使材料的增强相颗粒细小。但是该制备方法工艺和设备复杂，难以实现工业化生产。专利文献CN1441076A提出了一种混合盐法制备原位增强镁基复合材料工艺，该专利运用氟钛酸盐和氟硼酸盐制备TiB2增强镁合金复合材料，但是该专利制备过程中需要搅拌，这对镁合金熔体的保护造成困难，并且该专利在制备过程中为防止镁合金的燃烧而加入Ca和Be，从而改变了合金的成分，对合金的性能有影响。
发明内容
本发明的目的是克服上述技术或方法存在的缺点，提供一种通过选用硼和钛的氧化物的反应体系，利用反应物在镁熔体中反应，制备出增强相颗粒细小、分布弥散的颗粒增强的镁基复合材料的固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法。
下面结合附图进行详细说明本发明的实现在于根据基体和增强相之间晶体学特征选择增强相，选用硼、钛的氧化物、氟钛酸钾作为反应物，用硼、钛的氧化物、氟钛酸钾两者中的一种或两种，形成新的组合反应物，利用新的组合反应物在基体镁合金熔体中反应，制备出增强相颗粒细小、分布弥散均匀的不连续增强镁基复合材料。复合材料中基体合金元素的成分，根据标准镁合金牌号中规定的合金元素成分确定。
本发明采用硼、钛的氧化物及其他反应物组合形成新的组合反应物，而硼、钛的氧化物来源广泛，价格低，适于工业化应用。另外，本发明在应用过程中不用进行搅拌，消除了由于搅拌带来的易燃处理和保护措施，方法简单，效果良好。制备过程不需要专门的设备，因此成本低，易于工业上应用。
本发明的实现还在于制备不连续增强镁基复合材料的固液原位反应方法具体步骤如下(1)用B2O3与TiO2，KTiF6中的一个或多个组合，配制组合反应物，在镁合金中反应形成TiB2颗粒，作为镁基合金的增强相，组合反应物的重量百分比含量控制在2-15％；对组合反应物进行烘干预处理，待用；(2)对基体镁合金材料进行熔炼，在熔炼过程中使用无毒、无环境污染的熔剂保护；(3)选取750-850℃的熔炼温度，将预处理好的组合反应物加入镁基合金熔体中，反应，生成TiB2，保温；(4)再将经步骤(3)处理的镁熔体精炼，浇入保温浇口杯静置后，杯底面浇注成型。
在所有金属基复合材料的制备过程中通常存在外加增强颗粒与基体润湿性差，界面结合不良的问题，也直接影响到复合材料的性能。本发明采用了固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料较好地解决了这个问题，使得应用本发明制备出的复合材料界面结合良好，力学性能优良，组织细小，强度、塑性和冲击韧性都得到提高。
本发明的实现还在于在具体的制备步骤(1)中对反应物进行预处理时，首先按重量比为1∶1的比例取出一组如B2O3和TiO2为一组，或B2O3和TiO2、KTiF6为一组，或者B2O3和KTiF6为一组，然后在100-500℃的范围内，烘干1-5小时。多种组合均应用了B2O3，因其取材广，成本低。增强相颗粒含量控制在2-15％，本发明的实现还在于在具体的制备步骤(2)中所述的保护溶剂，其中含有BaO，CaO，BeO20-40％。其他成分为市售无氯溶剂，以实现该方法的无污染和环保功能。
本发明的实现还在于在进行步骤(3)中保温时，其保温时间为15～50分钟。
本发明的实现还在于进行步骤(4)是将经步骤(3)处理的镁熔体精炼，并浇入保温浇口杯静置后，杯底面浇注成型。其保温浇口杯温度保持在720-800℃，静置时间为2-15分钟，浇注可以采用压力铸造、金属型或砂型。
由于本发明采用了来源广泛，价格低的硼的氧化物与钛的氧化物、氟钛酸钾形成新的组合反应物，适于工业上应用，发明了固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的新方法，不用进行搅拌工艺，也消除了由于搅拌带来的易燃处理和保护措施，方法简单，易行。用本发明制备的镁基复合材料界面结合良好，力学性能优良，组织细小，强度、塑性和冲击韧性都得到提高，还可以减少镁合金的夹杂含量，减少镁合金熔炼的劳动强度，也减少对空气的污染。
图1是纯镁的晶相组织照片；图2是同样比例下应用本发明的TiB2增强纯镁复合材料的晶相组织照片；图3是AZ51的晶相组织照片；
图4是同样比例下应用本发明TiB2增强AZ51复合材料的晶相组织照片；图5是AZ91的显微组织照片图6是同样比例下应用本发明TiB2/AZ91的显微组织照片。
具体实施例方式本发明采用固液原位反应法制备了不连续增强的镁基复合材料，复合材料中的增强相颗粒细小，大约在10～100nm左右，而且在基体中分布均匀，复合材料也具有良好力学性能。
实施例1用纯镁作为基体材料，见图1，具体制备步骤如前所述，采用B2O3，和TiO2作为反应物，730℃静置5min后浇铸，制备成质量百分数为2％的TiB2颗粒增强纯镁复合材料。该材料的铸态抗拉强度为184MPa，延伸率为11％。由于TiB2的引入，致使该材料部分晶粒变小，其晶粒尺寸为未增强的(1/2～1/4)。
实施例2步骤同实施例1，采用纯镁作为基体材料，B2O3，和KTiF6作为反应物，750℃静置5min后浇铸，制备质量百分数为4％的TiB2颗粒增强纯镁复合材料。该材料的铸态抗拉强度为220MPa，延伸率为10.5％。附图1是纯镁的晶相组织照片，附图2是TiB2增强纯镁复合材料的晶相组织照片。可以看出，由于TiB2的引入，致使该材料晶粒变小，其晶粒尺寸为未增强的(1/4～1/6)。
实施例3步骤同实施例1，用AZ51作为基体材料，B2O3，和KTiF6、TiO2作为反应物，730℃静置5min后浇铸，制备质量百分数为4％的TiB2原位增强AZ51复合材料。该材料的抗拉强度为274MPa，延伸率为9％。附图3是AZ51的晶相组织照片，图4是TiB2增强AZ51复合材料的晶相组织照片。可以看出，由于TiB2的引入，致使该材料的第二相(Mg17Al12)分布更均匀，更细小。
实施例4步骤同实施例1，用AZ91作为基体材料，如图5所示。采用B2O3，和TiO2作为组合反应物，730℃静置5min后浇铸，制备质量百分数为4％的TiB2增强AZ91复合材料，见图6，颗粒更细小，分布更均匀。该材料的铸态抗拉强度为225MPa，延伸率为4.2％。
实施例5步骤同实施例1，耐热镁合金WE43作为基体材料，B2O3，和TiO2作为反应物，780℃静置5min后浇铸，制备质量百分数为4％的TiB2颗粒增强的镁基复合材料。该材料的铸态抗拉强度为275MPa，延伸率为5％。
权利要求
1一种固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法，根据标准镁合金牌号中规定的合金元素成分确定复合材料中基体合金元素的成分，其特征在于根据基体和增强相之间晶体学特征选择增强相，选用硼、钛的氧化物、氟钛酸钾作为反应物，用硼的氧化物与钛的氧化物、氟钛酸钾两者中的一种或两种，形成新的组合反应物，利用新的组合反应物在基体镁合金熔体中反应，制备出增强相颗粒细小、分布弥散均匀的不连续增强镁基复合材料。
2根据权利要求1所述的固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法，其特征是具体步骤如下(1)用B2O3与TiO2，KTiF6中的一个或多个组合，配制组合反应物，在镁合金中反应形成TiB2颗粒，作为镁基合金的增强相，组合反应物的重量百分比含量控制在2-15％；对组合反应物进行烘干预处理，待用；(2)对基体镁合金材料进行熔炼，在熔炼过程中使用无毒、无环境污染的熔剂保护；(3)选取750-850℃的熔炼温度，将预处理好的组合反应物加入镁基合金熔体中，反应，生成TiB2，保温；(4)再将经步骤(3)处理的镁熔体精炼，浇入保温浇口杯静置后，杯底面浇注成型。
3.根据权利要求2所述的固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法，其特征是步骤(1)中对反应物进行预处理时，首先按重量比1∶1的比例取出一组组合反应物，即B2O3和TiO2或B2O3和TiO2、KTiF6或者B2O3和KTiF6，然后在100-500℃的范围内，烘干1-5小时。
4根据权利要求2所述的固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法，其特征是，步骤(2)中所述的保护溶剂，其中含有BaO，CaO，BeO20-40％；
5.根据权利要求1所述的固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法，其特征是，步骤(3)中所述的保温时间为15～50分钟。
6.根据权利要求1所述的固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法，其特征是，步骤(4)中所述的保温浇口杯温度保持在720-800℃，静置时间为2-15分钟，浇注可以采用压力铸造、金属型或砂型。
全文摘要
本发明是固液原位反应制备不连续增强镁基复合材料的方法属材料领域。采用来源广，价低的硼、钛的氧化物、氟钛酸钾形成新的组合反应物，适于工业应用。在标准镁合金牌号确定复合材料的合金元素的成分，增强相颗粒含量控制在2－15％，配制反应物和保护溶剂，预处理，进行镁基复合材料的熔炼，选取熔体温度，将处理好的反应物加入，保温一定时间将熔体精炼浇入保温浇口杯静置后，杯底面浇注成型。利用本发明制备出颗粒细小，分布均匀，界面结合良好，强度、塑性和冲击韧性都得到提高。方法简单易行，不需专门的制备设备和搅拌，消除了因此带来的易燃处理和保护措施，还可减少镁合金的夹杂含量，减少劳动强度，是无污染、环保型的制备镁基复合材料的新途径。摘要附图为用本发明制备的TiB
文档编号C22C1/02GK1584094SQ20041002616
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月24日 优先权日2004年5月24日
发明者李建平, 杨忠, 杨通, 郭永春, 李高宏, 夏峰, 董晟全, 赵玉厚 申请人:西安工业学院