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、社會進步的
基礎(chǔ)和先導，是人類進步的里程碑。但是，近40年來，科學技術(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、導電、導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
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] （1）取平均粒度為5～28μm的B4C粉、平均粒度≤25μm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10K/min升溫至275～285℃，保溫10～15min，使粘合劑揮發(fā)逸出；然后再以10K/min升溫至680～720℃，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。
[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： 其中， 為陶瓷預(yù)制塊致密度，m測為陶瓷預(yù)制塊實際測量的
質(zhì)量，ρ理為陶瓷預(yù)制塊理論密度，φ為壓制的預(yù)制塊的直徑，h為預(yù)制塊的高度。
[0015] 上述的純鎂錠的純度≥99.95%。
[0016] 上述的B4C粉的純度≥99.5%，Ti粉的純度≥99.5%。
[0017] 上述的氬氣的純度≥99.999%。
[0018] 本發(fā)明的方法依據(jù)的原理是：
[0019] 1、純鎂熔體浸滲B4C陶瓷預(yù)制塊是一個極其緩慢的過程，不加入第三相組元金屬的自發(fā)浸滲是不可能發(fā)生的，或者進行的極其緩慢，而且在低于750℃時，自發(fā)浸滲過程也不能實現(xiàn)。但是，有少量金屬Ti參與時，即采用不互溶高熔點金屬誘發(fā)浸滲時，在稍高于金屬鎂熔點以上的溫度時，這一過程進行的速度大大提高，而且還避免了揮發(fā)；這主要是因為向陶瓷預(yù)制塊中加入第三相組元高熔點金屬
鈦(Ti)，能夠減小熔融金屬的表面
張力和液/固界面張力，從而改善B4C陶瓷與金屬Mg熔體間的潤濕性；即使是少量的鈦顆粒，也可以誘發(fā)鎂熔體實現(xiàn)浸滲過程的快速進行，從而制得超輕并具有高度抗磨性的顆粒增強鎂基復(fù)合材料。3
[0020] 2、B4C陶瓷的密度低，僅為2.52g/cm，并且是一種耐磨性極高和抗
中子輻射能力3
極強的材料，鎂的密度也很低，為1.74g/cm，因此，由B4C及少量Ti構(gòu)成的顆粒增強鎂基復(fù)合材料密度仍然較低，仍然是一種理想的輕質(zhì)、耐磨性能良好的復(fù)合材料。
[0021] 本發(fā)明的特點是：
[0022] 1、本發(fā)明提供了一種陶瓷增強鎂基復(fù)合材料，該復(fù)合材料綜合了鎂和B4C陶瓷的優(yōu)勢，具有低密度，同時B4C對鎂基體起到強化的作用，耐磨性也得到提高，其密度為3
2.09～2.22g/cm，耐磨性較純鎂提高了22.2%～27.7%，可作為耐磨件的材料。
[0023] 2、考慮金屬熔體浸滲陶瓷預(yù)制塊的前提要求，優(yōu)化設(shè)計了向陶瓷預(yù)制塊中加入第三相高熔點、與金屬熔體不互溶的金屬組元Ti，改善了陶瓷與金屬間的潤濕性，實現(xiàn)了金屬熔體向陶瓷預(yù)制塊的快速浸滲。
[0024] 3、利用本發(fā)明的制備方法，陶瓷預(yù)制塊和純鎂錠可以在較低溫度（680～720℃）完成金屬熔體向陶瓷預(yù)制塊的快速浸滲，加入粘合劑有利于增強預(yù)制塊的強度，便于浸滲過程的順利進行。
[0025] 4、利用本發(fā)明的制備方法，可以獲得超輕、耐磨的陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料，為低成本混雜增強鎂基復(fù)合材料的合成及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為利用高熔點金屬誘發(fā)浸滲制備其它體系的金屬間復(fù)合材料提供了參考。
附圖說明
[0026] 圖1為本發(fā)明
實施例1中制備的陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料顯微組織照片圖；圖中白亮的粒子為B4C顆粒，黑色的部分為Mg基體，Ti顆粒體積很少，幾乎觀察不到。
[0027] 圖2為本發(fā)明實施例1中制備的陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料顯微組織照片圖；圖中十字標記處為Ti顆粒。
[0028] 圖3為本發(fā)明實施例中制備的陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料磨損實驗曲線圖；圖中各曲線從上到下依次為金屬鎂的磨損量曲線、實施例3的陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料磨損曲線、實施例2的陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料磨損曲線和實施例1的陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料磨損曲線。
具體實施方式
[0029] 本發(fā)明實施例中密度測量采用：梅特勒-托利多超越系列XS分析天平（METTLER TOLEDO XS105Dual Range），最大稱量范圍為41g/120g，可讀性為0.01mg/0.1mg。
[0030] 本發(fā)明實施例中對陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的顯微組織觀察采用FEI Quanta600型掃描電子
顯微鏡進行表征；其物相采用X’Pert Pro型
X射線衍射儀進行確定。
[0031] 本發(fā)明實施例中耐磨性測量采用MG-2000型高速高溫摩擦磨損試驗機，最大
正壓力為2000N，最高轉(zhuǎn)速3200r/min；試驗參數(shù)設(shè)定為：滑動速度為250r/min，滑動時間為5min，壓力依次設(shè)定為20N，40N，60N，80N，以垂直于軸向的平面為摩損表面；具體方法為：
磨損前后，試樣、
摩擦副均要用
超聲波酒精清洗20min，然后在
精度為0.1mg的電子天平上進行稱重，求得試樣磨損質(zhì)量損失，將磨損量作為衡量耐磨性的標準。
[0032] 本發(fā)明實施例中B4C粉和Ti粉為市購產(chǎn)品；B4C粉的重量純度≥99.5%，Ti粉的重量純度≥99.5%。
[0033] 本發(fā)明實施例中的天然橡膠為市購工業(yè)產(chǎn)品。
[0034] 本發(fā)明實施例中的鎂錠為市購產(chǎn)品，重量純度≥99.95%。
[0035] 本發(fā)明實施例中的氬氣為市購產(chǎn)品，體積純度≥99.999%。
[0036] 本發(fā)明實施例中的石墨模具的材質(zhì)為重量純度99.9%的高純石墨。
[0037] 本發(fā)明實施例中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ρ理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： 其中， 為陶瓷預(yù)制塊致密度，m測為陶瓷預(yù)制塊實際測量的質(zhì)量，ρ理為陶瓷預(yù)制塊理論密度，φ為壓制的預(yù)制塊的直徑，h為預(yù)制塊的高度。該公式是最終結(jié)果，推導公式?jīng)]有一一列述。
[0038] 實施例1
[0039] 一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的制備方法，步驟如下：
[0040] 1、取平均粒度為28μm的B4C粉、平均粒度≤25μm的Ti粉和粘結(jié)劑液態(tài)天然橡膠，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8%，粘合劑量為Ti粉和B4C粉總體積的5%；
[0041] 2、將混合粉用壓機單向冷壓成致密度為60%的陶瓷預(yù)制塊；
[0042] 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；
[0043] 4、將裝有陶瓷預(yù)制塊和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10K/min升溫至275℃，保溫10min，以使得粘結(jié)劑高溫揮發(fā)，然后再以10K/min速度升溫至720℃，保溫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。
[0044] 該陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料由Mg基體和陶瓷增強顆粒組成，二者體積比為40%：60%，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8%，Ti與B4C構(gòu)
3
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；該復(fù)合材料的密度為2.22g/cm ；
[0045] 采用MG-2000型高速高溫摩擦磨損試驗機進行磨損實驗，以鎂錠做對比實驗，實驗結(jié)果如圖3所示；顯微組織照片如圖1和圖2所示。
[0046] 實施例2
[0047] 一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的制備方法，步驟如下：
[0048] 1、取平均粒度為10μm的B4C粉、平均粒度≤25μm的Ti粉和粘結(jié)劑液態(tài)天然橡膠，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7%，粘合劑量為Ti粉和B4C粉總體積的8%；
[0049] 2、將混合粉用壓機單向冷壓成致密度為55%的陶瓷預(yù)制塊；
[0050] 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；
[0051] 4、將裝有陶瓷預(yù)制塊和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10K/min升溫至280℃，保溫12min，以使得粘結(jié)劑高溫揮發(fā)，然后再以10K/min速度升溫至700℃，保溫120min，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。
[0052] 該陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料由Mg基體和陶瓷增強顆粒組成，二者體積比為45%：55%，陶瓷增強顆粒由B4C和Ti組成，Ti體積占陶瓷增強顆粒總體積的7%，Ti與B4C構(gòu)
3
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；該復(fù)合材料的密度為2.15g/cm。
[0053] 采用MG-2000型高速高溫摩擦磨損試驗機進行磨損實驗，以鎂錠做對比實驗，實驗結(jié)果如圖3所示。
[0054] 實施例3
[0055] 一種陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料的制備方法，步驟如下：
[0056] 1、取平均粒度為5μm的B4C粉、平均粒度≤25μm的Ti粉和粘結(jié)劑液態(tài)天然橡膠，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%，粘合劑量為Ti粉和B4C粉總體積的10%；
[0057] 2、將混合粉用壓機單向冷壓成致密度為50%的陶瓷預(yù)制塊；
[0058] 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；
[0059] 4、將裝有陶瓷預(yù)制塊和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10K/min升溫至285℃，保溫15min，以使得粘結(jié)劑高溫揮發(fā)，然后再以10K/min速度升溫至680℃，保溫90min，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。
[0060] 該陶瓷顆粒增強鎂基復(fù)合材料由Mg基體和陶瓷增強顆粒組成，二者體積比為50%：50%，陶瓷增強顆粒由B4C和Ti組成，Ti體積占陶瓷增強顆粒總體積的6%，Ti與B4C構(gòu)
3
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；該復(fù)合材料的密度為2.09g/cm。
[0061] 采用MG-2000型高速高溫摩擦磨損試驗機進行磨損實驗，以鎂錠做對比實驗，實驗結(jié)果如圖3所示。
