铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料及其制备方法

摘要

本发明提供一种铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料及其制备方法，该复合材料的性能优越，强度高，并且具有软磁性能。其制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。该复合材料以镁合金为基体，在基体上分布着铁基非晶纳米晶纤维，铁基非晶纳米晶纤维占复合材料的体积百分数为50％-65％；该镁合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为5％～8％，Si为0.05-0.1％，Fe为0.01％～0.05％，Co为0.01％～0.05％，Y为0.003％-0.09％，Ni为0.001％～0.005％，La为0.003％-0.09％，其余为Mg。

说明书

一、技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料及其制备方法。

二、技术背景

目前金属材料领域中，对纤维及其对镁的作用受到了重视。

陶国林在重庆工商大学学报2005第22卷第5期研究了石墨(碳)纤维增强镁基复合材料。200810035823.2提出二氧化钛碳涂层碳纤维增强镁基复合材料。但是石墨(碳)纤维和镁存在界面反应，生成大量反应产物，形成聚集的脆性相和界面反应产物脆性层，造成纤维等增强体严重损伤，材料的性能急剧下降。如果要解决界面反应问题，可采取碳纤维涂层方式，但工艺复杂，成本高。

晏建武等采用较高熔点的钛纤维，在稀有金属杂志1996年第3期发表了钛纤维增强钛合金复合材料的研究，采用真空热压工艺制备钛纤维增强钛合金复合材料。但是，该技术采用钛纤维增强钛合金，复合材料的重量较大，不能满足比强度更高的要求。钛纤维也不会赋予基体合金磁性能。

三、发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种轻质铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料，该复合材料的性能优越，强度高，并且具有软磁性能。

本发明的另一目的是提供铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料的制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料，该复合材料以镁合金为基体，在基体上分布着铁基非晶纳米晶纤维，铁基非晶纳米晶纤维占复合材料的体积百分比为50％-65％；

该镁合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为5％～8％，Si为0.05-0.1％，Fe为0.01％～0.05％，Co为0.01％～0.05％，Y为0.003％-0.09％，Ni为0.001％～0.005％，La为0.003％-0.09％，其余为Mg；

铁基非晶纳米晶纤维的化学成分的重量百分含量：B为2％～4％，Co为0.02％～0.05％，V为0.002％～0.04％，Ni为0.001％～0.005％，Si为4-7％，Y为0.003％-0.09％，La为0.05％～0.2％，其余为Fe；纳米晶处于非晶基体中，纳米晶与非晶的体积比为1∶2-1。

本发明铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料的制备方法，它包括以下步骤：

a.铁基非晶纳米晶纤维的准备：按重量百分含量B为2％～4％，Co为0.02％～0.05％，V为0.002％～0.04％，Ni为0.001％～0.005％，Si为4-7％，Y为0.003％-0.09％，La为0.05％～0.2％，其余为Fe进行配料，将原料置入带有加热装置的升液管内熔化而形成铁合金液，熔化温度为1550-1600℃；合金液通过升液管与旋转的水冷铜合金转轮凸缘接触，水冷铜合金转轮凸缘将合金液拽出，形成铁基非晶纳米晶纤维，转轮凸缘的线速度为19-24m/s，铁基非晶纳米晶纤维的直径为10-45μm；转轮开转前开启转轮水冷系统，水冷系统进水温度小于30℃；

然后将铁基非晶纳米晶纤维成束放置于有加热装置的底部通真空系统的钢制模具的空腔中形成铁基非晶纳米晶纤维预制体，铁基非晶纳米晶纤维体积占金属模具空腔体积的50％-65％，开启模具加热装置，控制温度为450-550℃；

b.镁合金液的准备：按重量百分含量Al为5％～8％，Si为0.05-0.1％，Fe为0.01％～0.05％，Co为0.01％～0.05％，Y为0.003％-0.09％，Ni为0.001％～0.005％，La为0.003％-0.09％，其余为Mg进行配料，将原料在680-720℃温度下熔化成镁合金液；

c.开启真空系统，控制上述钢制模具内的相对真空度为-20Kpa，将上述镁合金液体浇入上述接通真空系统的金属模具内铁基非晶纳米晶纤维预制体上面，并注满模具，镁合金液体在真空压力作用下渗入铁基非晶纳米晶纤维预制体，关闭模具加热装置；在该钢制模具内冷却凝固，形成铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料。

本发明相比现有技术的有益效果如下：

本发明铁基非晶纳米晶纤维中的B、Co、Ni、Si、Fe、Y元素共同作用可保证铸造时内部组织为非晶态；

Si、V、La元素共同作用可保证纤维合金在液态镁合金的作用下在非晶铁基纤维组织中析出的纳米晶粒不会长大。

镁合金中Al、Co、Ni、Si Y、La元素保证合金具有较高强度。镁合金中Fe、Co、Y、Ni、Si共同作用能保证镁合金与铁基非晶纳米晶纤维具有很好的冶金结合。

本发明的合金性能见表1。

合金制备工艺简便，生产的合金材料性能好，而且生产成本低，非常便于工业化生产。

四、附图说明

图1为本发明实施例一制得的铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料的金相组织。由

图1可以看到在镁合金基体和铁基非晶纳米晶纤维界面结合良好。

五、具体实施方式

以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分含量均可换成重量g、kg或其它重量单位。

实施例一：

铁基非晶纳米晶纤维的准备：按重量百分含量B为2％，Co为0.02％，V为0.002％，Ni为0.001％，Si为4％，Y为0.003％，La为0.05％，其余为Fe进行配料，将原料置入带有加热装置的升液管内熔化而形成铁合金液，熔化温度为1550-1600℃；该升液管下部套装有柱塞，柱塞在动力装置带动下可沿升液管上、下移动，柱塞上移时可将升液管内液面抬高，从而便于转轮凸缘将合金液拽出，形成细晶铜纤维，转轮采用轮缘有凸缘的水冷铜合金转轮。合金液通过升液管与旋转的水冷铜合金转轮凸缘接触，水冷铜合金转轮凸缘将合金液拽出，形成铁基非晶纳米晶纤维，转轮凸缘的线速度为19-24m/s，铁基非晶纳米晶纤维的直径为10-45μm；然后将铁基非晶纳米晶纤维成束放置于有加热装置的底部通真空系统的钢制模具的空腔中形成铁基非晶纳米晶纤维预制体，铁基非晶纳米晶纤维体积占金属模具空腔体积的55％(50％-65％均可，铁基非晶纳米晶纤维占复合材料的体积百分数为50％-65％)，通过模具加热装置控制钢制模具内温度为450-550℃；

镁合金液的准备：按重量百分含量Al为5％，Si为0.05％，Fe为0.01％，Co为0.01％，Y为0.003％，Ni为0.001％，La为0.003％，其余为Mg进行配料，将原料在680-720℃温度下熔化成镁合金液；

开启真空系统，控制上述钢制模具内的相对真空度为-20Kpa，将上述镁合金液体浇入上述接通真空系统的金属模具内铁基非晶纳米晶纤维预制体上面，并注满模具，镁合金液体在真空压力作用下渗入铁基非晶纳米晶纤维预制体，此时可关闭模具加热装置，合金在钢制模具内保持真空度冷却凝固，形成铁基非晶纳米晶纤维增强镁复合材料，该铁基非晶纳米晶纤维占镁合金基体体积的50％。

实施例二：

镁合金基体各成份的重量百分含量：按Al为8％，Si为0.1％，Fe为0.05％，Co为0.05％，Y为0.09％，Ni为0.005％，La为0.09％，其余为Mg进行配料；

铁基非晶纳米晶纤维各成份的重量百分含量：按B为4％，Co为0.05％，V为0.04％，Ni为0.005％，Si为7％，Y为0.09％，La为0.2％，其余为Fe进行配料；

其制备过程同实施例一，制备过程中控制铁基非晶纳米晶纤维占镁合金复合材料体积的65％。

实施例三：

镁合金基体各成份的重量百分含量：按Al为7％，Si为0.08％，Fe为0.035％，Co为0.03％，Y为0.009％，Ni为0.004％，La为0.008％，其余为Mg进行配料；

铁基非晶纳米晶纤维各成份的重量百分含量：按B为3％，Co为0.03％，V为0.007％，Ni为0.004％，Si为6％，Y为0.008％，La为0.09％，其余为Fe进行配料；

其制备过程同实施例一，制备过程中控制铁基非晶纳米晶纤维占镁合金复合材料体积的55％。

实施例四：(原料各成份配比不在本发明配比范围内的实例)

镁合金基体各成份的重量百分含量：按Al为4％，Si为0.04％，Fe为0.005％，Co为0.005％，Y为0.002％，Ni为0.0005％，La为0.0009％，其余为Mg进行配料；

铁基非晶纳米晶纤维各成份的重量百分含量：按B为1％，Co为0.01％，V为0.001％，Ni为0.0005％，Si为3％，Y为0.002％，La为0.04％，其余为Fe进行配料；

其制备过程同实施例一，制备过程中控制铁基非晶纳米晶纤维占镁合金复合材料体积的50％。

实施例五：(原料各成份配比不在本发明配比范围内的实例)

镁合金基体各成份的重量百分含量：按Al为9％，Si为0.2％，Fe为0.06％，Co为0.06％，Y为0.1％，Ni为0.006％，La为0.01％，其余为Mg进行配料；

铁基非晶纳米晶纤维各成份的重量百分含量：按B为5％，Co为0.06％，V为0.05％，Ni为0.006％，Si为4-7％，Y为0.1％，La为0.3％，其余为Fe进行配料；

其制备过程同实施例一，制备过程中控制铁基非晶纳米晶纤维占镁合金复合材料体积的60％。

下表为不同成份与配比的合金性能对照表：

表1

由上表可见，镁合金中Al、Si、Fe、Co、Sr、Y、Ni、La和铁基非晶纳米晶纤维的B、Co、V、Ni、Si、Y、La、Fe含量在本申请范围内，复合材料具有良好的性能，如实施例一、实施例二和实施例三。铁基非晶纳米晶纤维的这些元素超出本申请配比范围，脆性化合物数量多，形成网状，会明显降低钛基纤维力学性能。

镁合金中Fe、Co、Sr、Y、Ni、La超出本申请配比范围，镁合金难以与铁基非晶纳米晶纤维进行良好的界面结合，因此会导致复合材料性能下降，如实施例四和实施例五。