一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】金屬熔體無壓浸滲陶瓷預(yù)制塊制備鎂基復(fù)合材料是一種低成本、快速高效、近終成形的制備方法，由于陶瓷與金屬體系間的潤濕性不好，導(dǎo)致浸滲過程很難發(fā)生甚至不能發(fā)生。本發(fā)明針對該問題提供了一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料及其制備方法，通過向陶瓷預(yù)制塊中添加少量高熔點且與鎂熔體不互溶的第三相組元金屬Ti作為鎂熔體浸滲誘發(fā)劑，有效改善B4C/Mg復(fù)合材料體系的潤濕性，制備出B4C/Mg系超輕高抗磨性陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料。方法為將B4C粉、Ti粉和粘合劑機械混合均勻冷壓成陶瓷預(yù)制塊，將陶瓷預(yù)制塊和純鎂錠放入電爐中加熱，純鎂錠熔化后在毛細管力作用下浸滲到陶瓷預(yù)制塊內(nèi)的孔隙中，制得陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料。
【專利說明】一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種超輕高抗磨性鎂基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]材料是科學(xué)、社會進步的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類進步的里程碑。但是，近40年來，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，特別是航空航天、汽車等尖端科技的發(fā)展，對材料的性能提出了越來越嚴(yán)格的要求，而傳統(tǒng) 的單一材料已無法滿足這些要求。這時，復(fù)合材料的出現(xiàn)就成為金屬、陶瓷等單一材料應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢，也是各種單一材料性能的綜合升華。
[0003]金屬基復(fù)合材料是以金屬或合金為基體，以陶瓷質(zhì)的纖維、晶須、顆粒等為增強體的復(fù)合材料。它綜合了金屬的韌性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和陶瓷的高強度、高彈性模量、耐磨性、耐高溫性和耐蝕性等優(yōu)良特性，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，具有高的比強度、比剛度、比模量、耐高溫、耐磨損、抗疲勞、阻尼性好、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性及尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能，在航空航天和汽車領(lǐng)域顯示出極為廣闊的應(yīng)用前景。鎂基復(fù)合材料是以純鎂或鎂合金為基體的陶瓷增強鎂基復(fù)合材料，由于鎂具有低密度、高的比強度和比剛度等特點，因此，鎂基復(fù)合材料在新興【技術(shù)領(lǐng)域】比傳統(tǒng)金屬材料和鋁基復(fù)合材料具有更大的應(yīng)用潛力，并被譽為21世紀(jì)綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的新材料，在航空航天、汽車制造、電子封裝以及運動器材等領(lǐng)域中展示出巨大的應(yīng)用前景。
[0004]金屬熔體無壓浸滲陶瓷預(yù)制塊制備鎂基復(fù)合材料是一種低成本、快速高效、近終成形的復(fù)合材料制備方法。但是，實現(xiàn)這一過程的前提是陶瓷與金屬間須有良好的潤濕性。一般情況下，陶瓷與金屬體系間的潤濕性不是很好，這將導(dǎo)致浸滲速率的大幅降低，甚至浸滲過程不能發(fā)生。提高浸滲溫度是解決陶瓷-金屬熔體潤濕性的一個方法；一般來說，溫度升高對改善潤濕性能起到一定的效果，但是，對于像鎂這樣的低熔點金屬，熔體浸滲溫度的小幅升高都將加劇鎂金屬熔體的快速揮發(fā)，這不僅增加了工藝成本，而且導(dǎo)致制備過程無法進行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有鎂基復(fù)合材料性能上和工藝中存在的上述問題，本發(fā)明提供一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料及其制備方法，通過向陶瓷預(yù)制塊中添加少量高熔點且與鎂熔體不互溶的第三相組元金屬Ti作為鎂熔體浸滲誘發(fā)劑，有效改善B4C/Mg復(fù)合材料體系的潤濕性，制備出B4C/Mg系超輕高抗磨性陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料，由純鎂基體和陶瓷增強顆粒組成，其中純鎂基體體積占復(fù)合材料總體積的40~50%，陶瓷增強顆粒由B4C和Ti組成，Ti體積占陶瓷增強顆?？傮w積的6~8% ；Ti與B4C構(gòu)成顆粒堆積結(jié)構(gòu)，Mg浸滲在顆粒堆積結(jié)構(gòu)的孔隙中。
[0007]上述的陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的密度在2.09~2.22g/cm3。[0008]本發(fā)明的另外一個技術(shù)方案是，一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:
[0009](I)取平均粒度為5~28 μ m的B4C粉、平均粒度≤25 μ m的Ti粉和粘合劑，機械混合均勻，得到混合粉；其中，Ti粉量為B4C粉和Ti粉總體積的6~8%，粘合劑量為Ti粉和B4C粉總體積的5%~10% ；
[0010](2)將混合粉用壓機單向冷壓成致密度為50~60%的陶瓷預(yù)制塊；
[0011](3)取尺寸與陶瓷預(yù)制塊相同的純鎂錠，將二者放入石墨模具中，鎂錠位于陶瓷預(yù)制塊上方，且二者接觸面的尺寸一致；
[0012](4)將裝有陶瓷預(yù)制塊和純鎂錠的石墨模具放入真空電阻爐的恒溫區(qū)，在流動的氬氣氣氛條件下，以ΙΟΚ/min升溫至275~285°C，保溫10~15min，使粘合劑揮發(fā)逸出；然后再以ΙΟΚ/min升溫至680~720°C，保溫90~150min，使純鎂錠熔化后在毛細管力作用下浸滲到陶瓷預(yù)制塊內(nèi)的孔隙中，制得陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料。 [0013]上述的粘合劑為天然橡膠。
[0014]上述的單向冷壓成致密度為50~60%的陶瓷預(yù)制塊是指將陶瓷混合粉置于壓制模具中，采用壓機將其單向壓縮至致密度為50~60%所對應(yīng)的高度值；致密度和預(yù)制塊高
度之間的關(guān)系
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料，由純鎂基體和陶瓷增強顆粒組成，其特征在于，所述純鎂基體體積占復(fù)合材料總體積的40~50%，陶瓷增強顆粒由B4C和Ti組成，Ti體積占陶瓷增強顆?？傮w積的6~8%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料，其特征在于，所述的陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的密度為2.09~2.22g/cm3。
3.—種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟如下: (1)取平均粒度為5~28μ m的B4C粉、平均粒度≤25 μ m的Ti粉和粘合劑，機械混合均勻，得到混合粉；其中，Ti粉量為Ti粉和B4C粉總體積的6~8%，粘合劑量為Ti粉和B4C粉總體積的5%~10% ； (2)將混合粉用壓機單向冷壓成致密度為50~60%的陶瓷預(yù)制塊； (3)取尺寸與陶瓷預(yù)制塊相同的純鎂錠，將二者放入石墨模具中，鎂錠位于陶瓷預(yù)制塊上方，且二者接觸面的尺寸一致； (4)將裝有陶瓷預(yù)制塊和純鎂錠的石墨模具放入真空電阻爐的恒溫區(qū)，在流動的氬氣氣氛條件下，以ΙΟΚ/min升溫至275~285°C，保溫10~15min，使粘合劑揮發(fā)逸出；然后再以ΙΟΚ/min升溫至680~720°C，保溫90~150min，使純鎂錠熔化后在毛細管力作用下浸滲到陶瓷預(yù)制塊內(nèi)的孔隙中，制得陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的粘合劑為天然橡膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的氬氣的純度≥99.999%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料或權(quán)利要求3所述的一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的純鎂錠的純度≥ 99.95%，B4C粉的純度≥99.5%，Ti粉的純度≥99.5%。
【文檔編號】C22C1/05GK103725947SQ201410010992
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】陳禮清, 姚彥桃 申請人:東北大學(xué)