CN102212727B - 自生准晶增强Mg-Zn-Y合金及其熔炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自生准晶增强Mg-Zn-Y合金及其熔炼方法，属于金属材料制备技术领域，本发明的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金，化学成分质量百分组成为：Zn 3.0～10.0％；Y 0.5～3.0％；Al-Ti-C 0.05～1.0％，余量为Mg和不可避免的杂质。其熔炼方法为先加入工业纯镁，待其熔化后再加入Zn、Mg-Y中间合金进行熔炼，熔炼后熔体降温至700～720℃时，加入Al-Ti-C中间合金，在熔体中引入超声波，经超声波处理后浇铸制成。本发明的合金具有良好的强度和伸长率，通过优化控制Zn/Y比和合金元素的质量分数，制备出满足使用要求的镁合金，其制备工艺简单，生产成本低廉，可进行规模化工业生产，具有很好的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种自生准晶增强Mg-Zn-Y合金及其熔炼方法，具体地说，涉及的是一种添加了微量Al-Ti-C中间合金的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金，属于金属材料制备技术领域。
背景技术
自生准晶增强Mg-Zn-Y合金不仅在室温而且在高温都具有良好的力学性能，从而引起国内外材料研究者的极大兴趣，这是由于其含有准晶相I相(Mg3Zn6Y1)的缘故。同时，Mg-Zn-Y合金可以通过铸造、轧制、挤压、锻造等传统工艺进行生产。但是，在常规凝固条件下，准晶相常呈网状结构，比较粗大，对力学性能提高有限，不能充分发挥准晶的作用。所以，采取有效措施，改变准晶相形态并使之弥散分布到镁合金基体中，可以明显提高镁合金的力学性能。
经检索发现，CN718801A公开了镁基球形准晶中间合金及其制造方法，该合金的化学成分(以质量分数，wt％计)为：Mg 40.00～45.00％，Zn 45.50～55.00％，Mn 0.50～4.50％，Y1.00～4.50％，Ca 0.10～1.00％，采用微合金化与电脉冲孕育处理后在高压凝固条件下获得镁基球形准晶中间合金。
CN 101705405A公开了镁基球形准晶中间合金及其制备方法，采用控制凝固速率的方法制备出Mg-Zn-Y-Mn-Cu五元镁基二十面体球形准晶中间合金，其化学成分为：Mg 55.0～65.0％，Zn 30.0～40.0％，Y2.5～5.5％，Mn 0.1～1.5％，Cu 0.1～0.5％。
CN 101705406 A公开了一种镁基球形准晶中间合金及其制备方法，采用控制凝固速率的方法制备出Mg-Zn-Y-C四元镁基二十面体球形准晶中间合金，其化学成分为：Mg 55.0～65.0％，Zn 30.0～40.0％，Y2.5～5.5％，C 0.1～0.5％。
CN 101705407 A公开了镁基球形准晶中间合金及其制法，采用控制凝固速率的方法制备出Mg-Zn-Y-Ti四元镁基二十面体球形准晶中间合金，其化学成分为：Mg 55.00～65.0％，Zn 30.0～40.0％，Y 2.5～5.5％，Ti 0.1～0.5％。
上述专利尽管可制得镁基球形准晶，但Zn、Y含量较高且没有相关力学性能。CN101314829 A公开了有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系镁合金及制备方法，该镁合金材料的组分及其含量为：Zn为5～30％，Y为0.5～5％，Zr为0.3～0.8％和余量的Mg组成。
另有国内外公开文献资料报道，Zr添加到Mg-Zn-Y合金中可以细化晶粒，改善其力学性能，但是不能改变准晶相的形态。因此，为了充分发挥准晶的强化作用，采用一种成本低、操作简便的工艺改变准晶相的形态，增加准晶相的数量，并进一步提高镁合金的力学性能是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种添加微量Al-Ti-C中间合金细化自生准晶增强Mg-Zn-Y合金及制备方法，扩大了Mg-Zn-Y合金的应用范围。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明自生准晶增强Mg-Zn-Y合金，其化学成分质量百分组成为：Zn 3.0～10.0％；Y0.5～3.0％；Al-Ti-C 0.05～1.0％，余量为Mg和不可避免的杂质。
所述不可避免的杂质，是指：Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，Si≤0.01％。
本发明自生准晶增强Mg-Zn-Y合金的熔炼方法，包括熔炼和铸造，经熔炼后熔体降温至700～720℃时，加入Al-Ti-C中间合金，在熔体中引入超声波，经超声波处理后浇铸制成。
所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金的熔炼方法，具体包括如下步骤：
(1)熔炼：在熔剂或/和气体保护熔炼条件下，工业纯镁在钢坩埚中完全熔化后，于700～740℃时，加入Zn和Mg-Y中间合金，待加入的Zn、Mg-Y中间合金完全熔化后，将温度升至760～780℃，精炼5～10分钟，静置30分钟后撇去浮渣；
(2)铸造：将熔体降温至700～720℃，加入Al-Ti-C中间合金，将经过预热的超声波杆插入镁合金熔体中进行超声波处理，待超声波处理结束后，取出钢坩埚，浇铸制成。
步骤(1)所述的Zn以工业纯Zn的形式加入。
步骤(1)所述的Mg-Y中间合金以Mg-25Y中间合金的形式加入。
步骤(2)所述的Al-Ti-C以Al-8Ti-2C的形式加入。
所述的超声波处理频率为15～25kHz，超声波处理功率为500～2500W，超声波处理时间为3～7分钟。
所述的熔炼过程中的熔剂保护为氯化钾、氯化钙、氯化钡、氟化钙、氯化铈和氯化钇的组合物，化学成分质量百分组成为：氯化钾：50～65％；氯化钙：10～25％；氯化钡：5～10％；氟化钙：1～10％；氯化铈：3～5％；氯化钇：3～5％。
所述的气体保护为六氟化硫和二氧化碳混合气体或高纯氩气。
所述的六氟化硫和二氧化碳混合气体中，六氟化硫体积占总体积的0.1～0.6％。
上述的化学试剂和气体均为市售产品，所述的工业纯镁的质量含量≥99.90％；所述的工业纯锌的质量含量≥99.90％；六氟化硫的纯度≥99.9％；二氧化碳的纯度＞99.995％；高纯氩气纯度＞99.999％，氮含量＜5ppm，氧含量＜2ppm，氢含量＜1ppm，总碳含量(以甲烷计)＜2ppm，水分含量＜4ppm。
本发明的内在机理为：准晶相的形成及含量与Zn、Y的质量分数及Zn/Y比有关，通过控制Zn、Y的质量分数及Zn/Y比，并考虑到Al-Ti-C中间合金中的Al要消耗一部分Y，使合金中准晶相的体积百分含量达到最大，从而有效地提高合金的力学性能。Al-Ti-C中间合金由α-Al及大量弥散细小的TiC和Al4C3颗粒组成，当Al-Ti-C中间合金加入到镁合金熔体中时Al与Y生成高熔点相Al2Y，而TiC、Al4C3和Al2Y均可作为基体α-Mg的异质结晶核心，细化了镁合金晶粒。Al-Ti-C中间合金的加入改变了镁合金熔体的表面张力，加之晶粒细化，使得准晶相形态由粗大的网状结构转变成颗粒状或短棒状。Al原子进入到Mg晶格中，降低了Zn和Y原子在Mg晶格中的固溶度，使镁合金熔体中Zn和Y原子的含量上升，增加了在随后的凝固过程中准晶相的数量。对镁合金熔体进行超声波处理，可使基体α-Mg的异质结晶核心更加弥散，晶粒细化效果增强。基体Mg的细化、准晶数量的增加以及准晶形态的改变，可明显提高合金的力学性能。
本发明中微量Al-Ti-C中间合金加入到Mg-Zn-Y合金中不仅细化了晶粒，改变了准晶相形态，而且可以增加准晶相的体积百分含量，这将有利于合金力学性能的提高。
本发明有益效果如下：
本发明的合金具有良好的强度和伸长率，其抗拉强度σb＝170～260MPa，伸长率δ＝10～16％。可以根据不同应用场合对材料性能的不同要求，通过优化控制Zn/Y比和合金元素的质量分数，制备出满足使用要求的镁合金，其制备工艺简单，生产成本低廉，可进行规模化工业生产，具有很好的市场应用前景。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步描述。
对比例1
一种自生准晶增强Mg-Zn-Y合金，化学成分质量百分组成为：3.0％Zn、0.5％Y，杂质元素Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，Si≤0.01％，余量为Mg。
熔炼方法：按照上述成分配置合金，在熔剂保护熔炼条件下，在电阻坩埚炉钢坩埚中加入工业纯镁，同时撒少量覆盖剂在钢坩埚底部，工业纯镁完全熔化后，于720±10℃时，加入工业纯Zn和Mg-25Y中间合金，待加入的工业纯Zn、Mg-25Y中间合金完全熔化后，将温度升至770±10℃，精炼10分钟，静置30分钟后撇去浮渣；将熔体降温至710±5℃，浇铸制成。
熔剂的质量百分组成为：氯化钾60％、氯化钙18％、氯化钡5％、氟化钙8％、氯化铈4％和氯化钇5％。
本对比例合金的室温抗拉强度和伸长率分别为153MPa和7.6％。
实施例1
本发明所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金，化学成分质量百分组成为：3.0％Zn、0.5％Y、0.10％Al-Ti-C，杂质元素Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，Si≤0.01％，余量为Mg。
熔炼方法：按照上述成分配置合金，在熔剂保护熔炼条件下，在电阻坩埚炉钢坩埚中加入工业纯镁，同时撒少量覆盖剂在钢坩埚底部，工业纯镁完全熔化后，于720±10℃时，加入工业纯Zn和Mg-25Y中间合金，待加入的工业纯Zn、Mg-25Y中间合金完全熔化后，将温度升至770±10℃，精炼10分钟，静置30分钟后撇去浮渣；将熔体降温至710±5℃，加入Al-8Ti-2C中间合金，随后在熔体中引入超声波，将经过预热的超声波杆(预热温度600℃)插入镁合金熔体中进行超声波处理，待超声波处理结束后，取出钢坩埚，浇铸制成。
超声波处理频率为20kHz，超声波处理功率为1000W，超声波处理时间为5分钟。
熔剂的质量百分组成为：氯化钾60％、氯化钙18％、氯化钡5％、氟化钙8％、氯化铈4％和氯化钇5％。
本实施例的室温抗拉强度和伸长率分别为175MPa和10.4％，比对比例的抗拉强度和伸长率分别提高了14.4％和36.8％。
实施例2
本发明所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金，化学成分质量百分组成为：5.0％Zn、1.2％Y、0.14％Al-Ti-C，杂质元素Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，Si≤0.01％，余量为Mg。
熔炼方法：采用熔剂和高纯氩气进行熔炼保护，超声波处理频率为20kHz，超声波处理功率为1500W，超声波处理时间为7分钟，其余步骤如实施例1，本实施例合金的室温抗拉强度和伸长率分别为225MPa和12.7％，比对比例的抗拉强度和伸长率分别提高了47.1％和67.1％。
实施例3
本发明所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金，化学成分质量百分组成为：7.0％Zn、1.75％Y、0.25％Al-Ti-C，杂质元素Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，，Si≤0.01％，余量为Mg。
熔炼方法：采用高纯氩气进行熔炼保护，超声波处理频率为20kHz，超声波处理功率为2500W，超声波处理时间为3分钟，其余步骤如实施例1，本实施例合金的室温抗拉强度和伸长率分别为243MPa和16.0％，比对比例的抗拉强度和伸长率分别提高了58.9％和110.5％。
实施例4
本发明所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金，化学成分质量百分组成为：9.5％Zn、2.3％Y、1.0％Al-Ti-C，杂质元素Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，Si≤0.01％，余量为Mg。
熔炼方法：采用六氟化硫和二氧化碳混合气体(六氟化硫体积占总体积的0.5％)进行熔炼保护，超声波处理频率为20kHz，超声波处理功率为2000W，超声波处理时间为4分钟，其余步骤如实施例1，本实施例合金的室温抗拉强度和伸长率分别为260MPa和10.7％，比对比例的抗拉强度和伸长率分别提高了69.9％和40.8％。
Claims (6)
1.一种自生准晶增强Mg-Zn-Y合金，其特征在于化学成分质量百分组成为：Zn3.0~9.50%；Y 0.5~1.75%；Al-Ti-C 0.05~1.0%，余量为Mg和不可避免的杂质；
所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金的熔炼方法，包括熔炼和铸造，熔炼后熔体降温至700~720℃时，加入Al-Ti-C中间合金，在熔体中引入超声波，经超声波处理后浇铸制成；
所述的熔炼过程中的熔剂为氯化钾、氯化钙、氯化钡、氟化钙、氯化铈和氯化钇的组合物。
2.根据权利要求1所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金的熔炼方法，其特征在于：所述的Al-Ti-C中间合金以Al-8Ti-2C的形式加入。
3.根据权利要求1所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金的熔炼方法，其特征在于：所述的超声波处理频率为15~25kHz。
4.根据权利要求1所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金的熔炼方法，其特征在于：所述的超声波处理功率为500~2500W。
5.根据权利要求1所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金的熔炼方法，其特征在于：所述的超声波处理时间为3~7分钟。
6.根据权利要求1所述的自生准晶增强Mg-Zn-Y合金的熔炼方法，其特征在于：所述的熔剂化学成分质量百分组成为：氯化钾：50~65%；氯化钙：10~25%；氯化钡：5~10%；氟化钙：1~10%；氯化铈：3~5%；氯化钇：3~5%。
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