一种低压脉冲磁场作用下改善SiC颗粒在镁基复合材料中分布的方法

摘要

本发明公布了一种低压脉冲磁场作用下改善SiC颗粒在镁基复合材料中分布的方法，先将SiC颗粒加入到镁合金熔体中，搅拌均匀，然后将合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置的模具中，使复合材料熔体在低压脉冲磁场作用下完全凝固。本发明的优点是：（1）绿色环保、工艺简单、操作方便、易于控制，成本和投资少，该方法只需要对脉冲磁场的强度和合金的凝固速率进行控制；（2）无污染，脉冲磁场不直接接触合金熔体，不会对熔体产生污染，也不会对环境产生污染。

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善SiC颗粒在镁基复合材料中分布的方法，尤其涉及一种低压脉冲磁场作用下改善SiC颗粒在镁基复合材料中分布的方法。

背景技术

镁基复合材料具有良好的减震降噪性能、电磁屏蔽性能、机械加工性能和良好的力学性能等优点。SiC颗粒有较好的耐磨性、尺寸稳定性、抗热冲击和高硬度，且颗粒增强复合材料各向异性，在众多镁基复合材料中，SiC镁基复合材料具有良好的综合力学性能，主要因为SiC颗粒具有良好的物理和化学性能，综合SiC颗粒的高硬度、耐磨性和稳定性，再者加入的SiC颗粒可以抑制裂纹的扩展、细化晶粒提高其综合力学性能。因此，SiC颗粒增强镁基复合材料将是今后现代工业产品应用增长速度最快的镁基复合材料之一。

目前镁基复合材料的制备方法主要有挤压铸造、粉末冶金、熔体浸渗、喷射沉积、薄膜冶金法，搅拌铸造和原位反应自生法。

（1）搅拌铸造法

搅拌铸造法就是靠机械搅拌、电磁搅拌或高能超声等方法，使增强相颗粒充分弥散到镁基体合金熔体中最终浇注或挤压成型的工艺方法。机械搅拌铸造方法工艺、设备简单、产效率高，但是缺陷是在强烈搅拌过程中不可避免地会卷入气体和夹杂物混入，形成铸造气孔同时也难以完全避免增强相颗粒团聚和偏析的现象。电磁搅拌和高能超声等搅拌工艺绿色环保，能够改善增强颗粒与基体的润湿性，改善颗粒在基体分布均匀，并且不会像机械搅拌一样卷气和带入新的杂质等情况。但是此工艺不成熟、设备复杂，还在研究阶段，此工艺是镁基复合材料制备的新的研究方向。

（2）粉末冶金法

粉末冶金法制备复合材料的工艺首先把基体粉末和增强体粉末按照一定的比例先进行混合均匀然后进行球磨、压实和烧结制备出复合材料。其优点是可以直接制备出金属基复合材料对基体合金种类和增强体类型没有限制且颗粒能在基体内均匀分布可以制得高体积分数增强相的金属基复合材料。但存在的缺点是设备成本高、工艺复杂，该法工艺对比较复杂零件结构有一定局限性，且制备出的复合材料空隙率较大。

（3）喷射沉积法

喷射沉积法首先是把液态镁合金在高压惰性气体喷射下雾化，形成熔融纯镁或者镁合金喷射流，同时将增强颗粒喷入熔融纯镁或者镁合金射流中,使液固两相混合并共同沉积到预制备处理的衬底上，最终凝固得到颗粒增强镁基复合材料。喷射沉积法制备的复合材料颗粒在基体中分布、无偏聚、无界面反应、迅速凝固，但是增强颗粒与金属界面是机械结合抗拉强度较低且会存在孔洞。

（4）薄膜冶金工艺

薄膜冶金法是表面处理方法，首先制备镁基体薄膜，然后在薄膜表面涂敷一层增强体颗粒然后进行挤压变形和热处理，使增强体和基体紧密结合在一起形成复合材料。

（5）熔体浸渗法

熔体浸渗是在高温下金属熔体依靠毛细管力或施加外力的作用下向多孔预制体以及松散堆积床的空隙内浸渗从而制备出颗粒增强复合材料。

（6）挤压铸造

挤压铸造成型是液态或半液态金属基复合材料在压力作用下充满铸型和凝固的铸造方法。

（7）原位反应自生法

原位反应自生法制备镁基复合材料是通过在镁合金熔体中加入合金元素或化合物反应形成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相来增强镁合金的复合材料制备方法。内生法制备颗粒避免表面被污染，改善了增强相与基体合金的润湿性，增强体与基体润湿性良好无界面反应故界面结合强度高，利用原位反应合成法制备金属基复合材料在同等条件下其力学性能一般都高于外加法制备的复合材料。由于原位反应会产生大量热量，而镁合金熔体在空气中极易氧化、燃烧，所以要控制好原位反应温度不能过高，给镁基复合材料的研究带来了极大的困难。

脉冲磁场凝固处理技术具有无污染、操作方便、效果显著、使用广泛等优点，受到了当今社会的高度重视。虽然其作用机理和规律还有尚不清楚，但是现有的研究已经表明该技术具有十分广阔的应用前景。目前关于脉冲磁场在合金领域上已小有成果，但是对复合材料相关的研究还非常少，大部分都是关于Al基原位合成复合材料，而关于镁基复合材料的相关鲜见报道。李桂荣等研究了原位合成（Al₃Zr+Al₂O₃）_p/Al复合材料，施加高频率脉冲磁场，一定强度的振荡和搅动使溶质传热传质和扩散，Al₃Zr、Al₂O₃颗粒在集体中弥散分布均匀；脉冲磁场处理铝基复合材料，弥散分布的Al₂O₃颗粒周围围绕着“高密度，多形貌”特征的位错，高密度位错有助于提高材料强度。许可研究了Al-ZrSiO₄体系原位合成复合材料，在施加0.05T脉冲磁场，处理15-20min后，合成的Al₃Zr和Al₂O₃增强颗粒均匀且弥散分布在Al基体中，并且抗拉强度达到最大值为163.6MPa，比不处理提高28%。钟龙华等对TiB₂/7055基复合材料施加0.07T脉冲磁场强度，磁场处理下原位反应更快更充分，颗粒弥散分布在基体中，材料力学性能在此达到最高抗拉强度和延伸率分别提高7.4%和8.0%。

脉冲磁场影响Al基原位合成复合材料的研究较为成熟，而磁场影响合金凝固过程在原理上大同小异，镁合金比铝合金的优越性，所以开发脉冲磁场处理镁基复合材料是非常有必要的，利用脉冲磁场对SiC颗粒在镁基复合材料分布的影响，为进一步改善SiC颗粒在镁基复合材料的成形和使用性能开辟新的途径。上述研究在实验材料中没有涉及到SiC镁基复合材料，关于脉冲磁场对SiC颗粒在镁基复合材料分布的影响的研究还处于空白阶段，本发明具有实用性强、工作效率高、操作简单，所以此发明是非常有意义，值得研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压脉冲磁场作用下改善SiC颗粒在镁基复合材料中分布的方法，该方法绿色环保、工艺简单、操作方便、易于控制，成本和投资少无污染。

本发明是这样来实现的，其特征是：先将SiC颗粒加入到镁合金熔体中，搅拌均匀，然后将合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置的模具中，使复合材料熔体在低压脉冲磁场作用下完全凝固。

本发明采用以下具体步骤来实现：

（1）合金的熔化，在熔化炉内，进行合金熔化与精炼，并在一定的温度下保温；

（2）SiC颗粒的加入，将预热的SiC颗粒加入熔体合金中，同时进行搅拌均匀；

（3）熔体冷却速度调整，根据实际需要调整模具预热温度和浇注温度；

（4）脉冲磁场设定，根据实验方案调节脉冲磁场强度和频率；

（5）脉冲磁场凝固，把熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置的模具中，浇注后立即开启脉冲磁场的控制装置，使熔体在脉冲磁场作用下完全凝固，从而改善SiC颗粒在镁基复合材料中的分布。

本发明的原理：由于脉冲磁场能够将高强度的能量间接地传递到熔体中，熔体受迫振动、搅动，因此，在复合材料的凝固过程施加脉冲磁场，必将对SiC颗粒微观上产生明显影响。由于SiC颗粒之间电性吸引力，通过机械搅拌只是改善其宏观上的分布，颗粒在局部还是团聚，因此通过改变磁场强度，同时控制合金的凝固速度，就可以有效的改善SiC颗粒在镁基复合材料中的分布。

本发明通过改变熔体的浇注温度和模具预热温度来控制合金的凝固速度。

    本发明的工艺参数：

1.    模具预热温度。模具预热温度影响合金的冷却能力和磁场处理时间，模具预热温度越高，合金的冷却速度越小，磁场处理时间越长。模具预热温度范围为室温～600℃。

2.    浇注温度。浇注温度影响合金的过冷度和磁场处理时间，浇注温度越低，过冷度越大，细化晶粒效果最好，其范围为620～710℃。

3.    磁场电压。电压影响熔体受迫振动、搅动的强度。磁场电压范围为0～400V。

4.    磁场频率。频率同样影响熔体受迫振动、搅动的强度。磁场频率范围为1～10Hz。

本发明的优点是：（1）绿色环保、工艺简单、操作方便、易于控制，成本和投资少，该方法只需要对脉冲磁场的强度和合金的凝固速率进行控制；（2）无污染，脉冲磁场不直接接触合金熔体，不会对熔体产生污染，也不会对环境产生污染；（3）目前生产上比较常见的制备复合材料是采用机械搅拌法制备，制备过程中会有液穴、卷气，脉冲磁场产生的振荡可以有效弥补这缺点。

附图说明

图1为本发明脉冲磁场作用下SiC颗粒在镁基复合材料中分布的装置示意图。

图2为不处理SiC颗粒增强镁基复合材料的微观组织的SEM图。

图3为施加脉冲磁场处理SiC颗粒增强镁基复合材料微观组织的SEM图。

图1中，1、模具，2、金属熔体，3、工作线圈，4耐火砖底座。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1所示，本发明脉冲磁场作用下SiC颗粒在AZ91D基体材料中分布的装置结构包括工作线圈3、模具1、金属熔体2及耐火砖底座4；金属熔体2浇注到工作线圈3中的模具1内，工作线圈3产生的脉冲磁场作用于金属熔体2，使复合材料在脉冲磁场作用下凝固，其中耐火砖底座4起防止铸锭激冷和支撑作用。

由图2、图3可知施加脉冲磁场处理的颗粒分布均匀性优于无处理，脉冲磁场处理的明显可以改善SiC颗粒微观上分布均匀性。

实施例1

先将SiC颗粒加入到镁合金熔体中，搅拌均匀，然后将合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置的模具中，使复合材料熔体在脉冲磁场作用下完全凝固；其中，磁场电压为150V，频率为2.5Hz，熔体的浇注温度为680℃，模具预热温度为200℃。

实施例2

先将SiC颗粒加入到镁合金熔体中，搅拌均匀，然后将合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置的模具中，使复合材料熔体在脉冲磁场作用下完全凝固；其中，磁场电压为200V，频率为5Hz，熔体的浇注温度为620℃，模具预热温度为600℃。

实施例3

先将SiC颗粒加入到镁合金熔体中，搅拌均匀，然后将合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置的模具中，使复合材料熔体在脉冲磁场作用下完全凝固；其中，磁场电压为250V，频率为10Hz，熔体的浇注温度为650℃，模具预热温度为400℃。

实施例4

先将SiC颗粒加入到镁合金熔体中，搅拌均匀，然后将合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置的模具中，使复合材料熔体在脉冲磁场作用下完全凝固；其中，磁场电压为400V，频率为1Hz，熔体的浇注温度为710℃，模具预热温度为室温。