一種含SiC顆粒的高模量鎂基復(fù)合材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種含SiC顆粒的高模量鎂基復(fù)合材料。它包括包括下述重量百分比含量的組分：釔和/或釹1.0-10.0％，SiC1.0-15.0％，錫、銻和鋅中的至少一種1.0-5.0％，余量為鎂；各組分重量百分之和為100％。其制備方法是在純鎂錠上打孔，將進(jìn)行了表面改性處理并烘干后SiC顆粒裝入孔內(nèi)，在保護(hù)氣氛下將純鎂加熱熔化，攪拌后，再迅速升溫，依次加入其余組分的中間合金并攪拌，控制中間合金完全熔化至澆鑄時(shí)間小于等于4分鐘，精煉扒渣，澆鑄，得到鑄錠。發(fā)明組分配比合理、加工制造容易，制備的鎂基復(fù)合材料具有高的室溫強(qiáng)度和彈性模量，較好的塑性。綜合性能明顯高于現(xiàn)有的稀土鎂合金。適于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種含Sic顆粒的高模量鎂基復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含Sic顆粒的高模量鎂基復(fù)合材料，該合金室溫彈性模量可達(dá) 50?70GPa。屬于有色金屬材料及其加工領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 為達(dá)到減重增效的目的，汽車(chē)制造業(yè)對(duì)高性能輕質(zhì)材料的需求量迅速增長(zhǎng)，鎂合 金材料作為可工業(yè)化生產(chǎn)的最輕金屬結(jié)構(gòu)材料，受到了特別的重視。近年來(lái)，交通運(yùn)輸及航 空航天工具的速度越來(lái)越高，所需的動(dòng)力功率越來(lái)越大，對(duì)材料的耐熱性能及抗彈性變形 能力提出了更高的要求。合金化是提高合金力學(xué)性能的有效手段。從上世紀(jì)四十年代以來(lái)， 相繼開(kāi)發(fā)了一系列具備優(yōu)異性能的Mg-RE合金，如國(guó)外研發(fā)的含銀（Ag)和稀土（RE)的鎂 合金QE22、EQ21，含稀土釔（Y)和釹（Nd)的鎂合金WE54、WE43等，以及國(guó)內(nèi)研發(fā)的鎂合金 ZM6，Mg-Gd-Y系列合金等。其中，WE54和WE43合金是目前發(fā)展最為成功的商業(yè)化耐熱稀土 鎂合金，具有很高的室溫和高溫力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)285MPa，耐熱溫度可達(dá)300°C， 且經(jīng)過(guò)熱處理后其耐蝕性能優(yōu)于其他高溫鎂合金。
[0003] 與國(guó)外的合金相比，Mg-Gd-Y系合金性能較穩(wěn)定，室溫和高溫強(qiáng)度與國(guó)外合金水 平相當(dāng)，甚至某些合金的強(qiáng)度還要高于國(guó)外的合金。近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)的中南大學(xué)、上海交 通大學(xué)以及中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所等研究機(jī)構(gòu)在國(guó)家"973"等重大項(xiàng)目的支持 下，結(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)對(duì)Mg-Gd-Y-Zr(GWK)合金進(jìn)行了深入的研究，已取得了顯著的成果。何 上明等通過(guò)調(diào)整Gd、Y的含量，綜合利用固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化以及形變強(qiáng)化等手段，開(kāi)發(fā)出 了Mg-Gd-Y-Zr(JDM-2)高強(qiáng)耐熱變形鎂合金，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到436MPa和 491MPa的最高強(qiáng)度指標(biāo)。張新明等研制的Mg-9Gd-4Y-0. 6Zr合金具有較高的室溫和高溫強(qiáng) 度，力學(xué)性能明顯優(yōu)于WE54合金，耐熱溫度更是達(dá)到了 350°C。這主要是由于Gd、Y元素在 鎂基體中具有較大的固溶度，經(jīng)高溫固溶和時(shí)效處理后可形成大量的亞穩(wěn)析出相"和 )，從而提高了合金的強(qiáng)度。
[0004] 由混合定律可知，多相合金的彈性模量是由其組成相的彈性模量及其體積分 數(shù)決定的。可惜的是，Mg-RE合金中MgGd(56. 9GPa)、Mg3Gd(46.lGPa)、Mg7Gd(52. 6GPa)、 MgY(55. 7GPa)、Mg24Y5(53. 8GPa)和MgNd(55. 4GPa)等相的彈性模量都比較低，使得Mg-RE合 金的彈性模量也比較低，僅為40?45GPa，最終導(dǎo)致其抗彈性變形能力差，不能滿足工程領(lǐng) 域?qū)p質(zhì)高強(qiáng)高模耐熱鎂合金材料的需求。因此，研發(fā)高模量鎂基復(fù)合材料的需求已變得 非常迫切。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種組分配比合理、加工制造容易 的高模量鎂基復(fù)合材料，通過(guò)組分配比，大幅度提高合金的彈性模量，使該合金可滿足室溫 條件下對(duì)要求彈性模量為50_70GPa的輕質(zhì)材料和（或）零部件制造的需求，并且，抗拉強(qiáng) 度和延展性同樣達(dá)到優(yōu)異的效果。
[0006] 本發(fā)明提供的高彈性模量鎂基復(fù)合材料，包括下述重量百分比含量的組分：
[0007]釔和 / 或釹 1.0-10.0%，
[0008]SiC1.0-15.0%,
[0009] 錫、銻和鋅中的至少一種1.0-5. 0%，
[0010] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0011] 上述釔和/或釹，以及錫、銻和鋅中的至少一種是本發(fā)明添加的合金元素，合金元 素和SiC的添加總重量占所述鎂基復(fù)合材料的3. 0-30. 0%。
[0012] 上述釔和/或釹是指釔和釹可以單獨(dú)使用也可以同時(shí)使用，同時(shí)使用時(shí)，釔和釹 的重量比可以為 6. 9:3. 0-8. 9:1. 0、7. 9-8. 9:1. 0、6. 9:3. 0、7. 9:1. 0 或 8. 9:1. 0。
[0013]上述SiC的重量百分含量?jī)?yōu)選為4. 0-15. 0 %，更優(yōu)選為5. 0-15 %，如9. 9-15. 0 % 或者 8-10%或者 8. 0-15%。
[0014] 上述紀(jì)和/或釹的重量百分含量?jī)?yōu)選為8.9-9. 9%。
[0015] 本發(fā)明的高彈性模量鎂基復(fù)合材料，還可以包含有占高彈性模量鎂基復(fù)合材料總 量為小于等于2%的活性元素X，所述活性元素X選自鋁（A1)、鈦（Ti)、銀（Ag)、鋯（Zr)、鈣 (Ca)、鈧（Sc)、鑭（La)、鋪（Ce)、銪（Eu)、鐠（Pr)、钷（Pm)、杉（Sm)中的任意一種；各組分重 量百分之和為100%。所述活性元素X的重量百分含量?jī)?yōu)選為1. 0-2. 0%或者1. 0-1. 9%;
[0016] 優(yōu)選的，所述鎂基復(fù)合材料由下述重量份數(shù)比的組分組成：
[0017]釔和 / 或釹 1. 0-10. 0%，
[0018]SiC4. 0-15. 0%,
[0019] 錫、銻、鋅中的至少一種1.0-5. 0%，
[0020] 所述活性元素X小于等于2%;
[0021] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0022] 更優(yōu)選的，所述鎂基復(fù)合材料由下述重量份數(shù)比的組分組成：
[0023]釔和 / 或釹8. 9-9. 9%，
[0024]SiC5. 0-15%,
[0025] 錫、銻、鋅中的至少一種1.0-5. 0%，
[0026] 所述活性元素X1. 0-2. 0%或者1. 0-1. 9%;
[0027] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0028] 具體的，所述鎂基復(fù)合材料由下述重量份數(shù)比的組分組成：
[0029]釔和釹 8. 9-9. 9%，
[0030]SiC9. 9-15. 0%或者 8-10%或者 8. 0-15%，
[0031] 錫、銻、鋅中的一種或兩種2.0-5. 0%，
[0032] 所述活性元素X1. 0-2. 0%;
[0033] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100% .
[0034] 或者，所述鎂基復(fù)合材料可以由下述重量份數(shù)比的組分組成：1)
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 一種含SiC顆粒的鎂基復(fù)合材料，包括下述重量百分比含量的組分： 釔和/或釹1.0-10.0%, SiC 1.0-15.0%, 錫、銻和鋅中的至少一種1.0-5. 0%， 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂基復(fù)合材料，其特征在于：所述鎂基復(fù)合材料，還包含有占 所述鎂基復(fù)合材料總重量的0-2 %的活性元素X,所述活性元素X選自錯(cuò)、鈦、銀、锫、|丐、鈧、 鑭、鈰、銪、鐠、钷和釤中的任意一種；各組分重量百分之和為100%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎂基復(fù)合材料，其特征在于：所述鎂基復(fù)合材料由下述重量 份數(shù)比的組分組成： 釔和/或釹4. 0-10. 0%， SiC 4. 0-15. 0%, 錫、銻、鋅中的至少一種1.0-5. 0%， 所述活性元素X小于等于2% ; 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎂基復(fù)合材料，其特征在于：所述鎂基復(fù)合材料由下述重量 份數(shù)比的組分組成： 釔和/或釹8. 9-9. 9%， SiC 5. 0-15. 0%, 錫、銻、鋅中的一種或兩種2.0-5. 0%， 所述活性元素X 1.0-2. 0 % ; 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的鎂基復(fù)合材料，其特征在于：所述釔和釹添加 重量比為 6. 9:3. 0-8. 9:1. 0。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的鎂基復(fù)合材料，其特征在于：所述鎂基復(fù)合材料由下述重量 份數(shù)比的組分組成： 釔和釹8. 9-9. 9%， SiC 9. 9-15. 0%, 錫、銻、鋅中的一種或兩種2.0-5. 0%， 所述活性元素X 1.0-2. 0 % ; 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的鎂基復(fù)合材料，其特征在于：SiC為SiC顆粒，粒徑為 1. 0-20 u m〇
8. 制備如權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的鎂基復(fù)合材料的方法，包括下述步驟： 1) 在鎂錠上打孔，孔的直徑為2. 0-2. 5cm ;對(duì)SiC顆粒進(jìn)行表面改性處理，烘干后將其 裝入孔內(nèi)得到裝有SiC顆粒的純鎂錠； 2) 熔鑄：將步驟1)得到的裝有SiC顆粒的純鎂錠在Ar氣保護(hù)氣氛下加熱至 730-750°C，待純鎂錠熔化后，對(duì)熔體進(jìn)行攪拌后，迅速升溫至770-780°C，然后，加入其余組 分，精煉扒渣，澆鑄，得到鑄錠；控制所有中間合金完全熔化及精煉扒渣至澆鑄時(shí)間小于等 于4分鐘。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于：所述步驟2)中，若鎂基復(fù)合材料的 組分中含有鋅，鋅以純鋅的方式加入純鎂熔體內(nèi)，其余組分的均以鎂基中間合金的形式添 加。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于：所述方法還包括將所述鑄錠經(jīng) 500-525°C /2-24h均勻化處理及200-250°C /2-72h時(shí)效處理后獲得鎂基復(fù)合材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于：所述方法還包括將所述鑄 錠經(jīng)500-525 °C /2-24h均勻化處理后，于300-450°C熱擠壓、熱軋或熱鍛后進(jìn)行 490-500°C /0? 5-1. 5h固溶處理，然后，進(jìn)行200-250°C /2-72h時(shí)效處理，分別獲得鎂基復(fù)合 材料的擠壓材、熱軋材或熱鍛材。
【文檔編號(hào)】C22F1/06GK104342591SQ201410608668
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】胡繼龍 申請(qǐng)人:北京汽車(chē)股份有限公司