CN102417999A - 一种镁合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种镁合金的制备方法，包括：a)将硅化镁纳米粉末、锌粉、铝粉和镁粉高能球磨1～2h，得到混合粉末，所述混合粉末包括：2.2～3.6wt％的硅化镁，0.5～1.5wt％的锌，4.5～5.5wt％的铝和90.5～91.9wt％的镁；b)将所述混合粉末加压成型，得到坯体；c)将所述坯体在惰性气体保护下加热，加热温度为420～450℃，保温30～50分钟，加热后挤压，将挤压后的坯体水冷，得到镁合金。本发明采用在原料中直接添加硅化镁纳米粉末，并采用高能球磨制粉和热挤压相结合的方法制备镁合金，所得镁合金的微观组织细小均匀，增强相颗粒在基体组织上均匀分布，有利于提高镁合金的室温力学性能。

Description

一种镁合金的制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种镁合金的制备方法。

背景技术

镁合金是以镁为基，加入其他元素组成的合金，是继钢铁和铝合金之后第三类重要的金属结构材料。镁合金由于具有质轻、高比强度、高比刚度、减振性、良好的电磁屏蔽性和抗辐射能力的优点，因此在汽车、电子电器、交通、航空航天和国防军工等领域发挥着重要的作用。

普通的镁合金高温力学性能较差，当温度升高时，它的强度大幅度下降，因而它难以在高温下长时间使用。提高镁合金的高温力学性能是近30年镁合金研究的重要课题。目前，已开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土、硅、钍和银。Mg-Al-Si系镁合金是一类重要的耐热镁合金材料，适于150度以下场合使用。目前Mg-Al-Si系镁合金主要作为汽车空冷发动机曲轴箱、风扇壳体和发动机支架的零部件，并得到了广泛使用。在Mg-Al-Si系镁合金中，对耐热性能起主要作用的金属间化合物Mg₂Si具有高熔点、与基体相近的密度、高弹性模量和低膨胀系数的特点，因而Mg₂Si有利于提高镁合金材料的耐热性能。

现有技术中采用铸造方法制备的Mg-Al-Si系耐热镁合金微观组织粗大，并且Mg₂Si相成核长大过程难以控制，导致生成的Mg₂Si相尺寸粗大，以粗大的汉字块形状出现，从而导致该种合金在室温下机械性能不理想，在室温下强度只有240MPa左右，难以满足现代工业对耐热镁合金材料的不断需求。

从粉体出发，机械制粉与粉末冶金烧结相结合的方法是制备高性能合金材料的常用方法，采用这两种制备技术相结合的方法虽然能够控制镁合金的微观结构，但是其仍存在Mg₂Si相成核长大过程不易控制这一技术问题，使生成的Mg₂Si相尺寸比较粗大，以粗大的汉字块形状出现，并且使用粉末冶金烧结技术会造成金属镁氧化，使大量氧化物夹杂在合金中，从而极大的影响镁合金的力学性能。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种镁合金的制备方法，通过本发明提供的方法使镁合金的室温力学性能得到提高。

本发明提供一种镁合金的制备方法，包括以下步骤：

a)将硅化镁纳米粉末、锌粉、铝粉和镁粉高能球磨1～2h，得到混合粉末，所述混合粉末包括：2.2～3.6wt％的硅化镁，0.5～1.5wt％的锌，4.5～5.5wt％的铝和90.5～91.9wt％的镁；

b)将所述混合粉末加压成型，得到坯体；

c)将所述坯体在惰性气体保护下加热，加热温度为420～450℃，保温30～50分钟，加热后挤压，将挤压后的坯体水冷，得到镁合金。

优选的，所述硅化镁纳米粉末的粒度小于100纳米。

优选的，所述锌粉、铝粉和镁粉的粒度小于1微米。

优选的，所述加压的压力为300～400MPa。

优选的，所述惰性气体为氩气。

优选的，所述加热温度为440～450℃。

优选的，所述挤压的挤压比为(9～10)∶1。

优选的，所述挤压的挤压速度为1～2mm/s。

优选的，所述挤压的压力为550～650T。

与现有技术相比，本发明在原料中直接添加Mg₂Si纳米粉末，并配合高能球磨且严格控制球磨时间的方法，使混合粉末充分破碎和混合均匀，得到了纳米级的增强相颗粒和亚微米级的复合金属颗粒，同时具有适度的活性易于进行后续的操作。为了避免高能球磨后得到的颗粒过度氧化，同时使最终产品的微观组织均匀细小，本发明随后采用了热挤压技术。该方法时间较短，避免了颗粒氧化影响产品性能的问题。同时，该方法有利于地促进了晶界变窄，晶粒细化。最后本发明再配合水冷的冷却方式，避免了晶粒长大影响产品性能的问题，从而得到了微观组织均匀细化的镁合金。本发明在原料中直接添加纳米级Mg₂Si，并采用高能球磨制粉和热挤压相结合的制备方法制备了镁合金，制备的镁合金微观组织细小均匀，并且增强相颗粒Mg₂Si以纳米级的状态存在于镁合金中，有利于提高镁合金的室温力学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的镁合金的扫描电镜照片；

图2为本发明实施例1制备的镁合金的增强相颗粒Mg₂Si的面扫描图谱。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种镁合金的制备方法，包括以下步骤：

a)将Mg₂Si纳米粉末、锌粉、铝粉和镁粉高能球磨1～2h，得到混合粉末，所述混合粉末包括：2.2～3.6wt％的硅化镁，0.5～1.5wt％的锌，4.5～5.5wt％的铝和90.5～91.9wt％的镁；

b)将所述混合粉末加压成型，得到坯体；

c)将所述坯体在惰性气体保护下加热，加热温度为420～450℃，保温30～50分钟，加热后挤压，将挤压后的坯体水冷，得到最终的镁合金。

为了得到细小的增强相颗粒，本发明直接添加耐热相硅化镁纳米粉末，所述硅化镁纳米粉末是由微米级的硅化镁粉末球磨后得到。相对于直接添加微米级的硅化镁，本发明直接添加纳米级硅化镁粉末有利于保证制备的镁合金中的硅化镁也是纳米级的，从而能够得到细小的纳米级增强相颗粒。

本发明采用高能球磨制粉和热挤压技术相结合的方法制备镁合金。其中步骤a)是硅化镁纳米粉末、锌粉、铝粉和镁粉高能球磨的过程。高能球磨是一个高能量干式球磨过程，它是在高能量磨球的撞击研磨作用下，发生固态反应形成新材料的过程。球-粉末-球的碰撞引起塑性粉末的压扁和加工硬化，当被压扁的金属粒子重叠时，原子级洁净的表面紧密地接触，发生冷焊，形成由各组分组成的多层的复合粉末粒子，同时发生复合粉末粒子的断裂。冷焊和断裂不断重复，有效地“揉混”复合粉末的内部结构，其不断细化并越来越均匀，形成均匀细化的复合颗粒，与后续操作配合有利于形成细小均匀的微观组织。

高能球磨混合过程中，为了获得更加细小均匀的复合颗粒，作为优选方法，本发明所述硅化镁纳米粉末的粒度小于100纳米，所述锌粉、铝粉和镁粉的粒度小于1微米。对于高能球磨的方式可以采用本领域技术人员熟知的方法，如将混合粉末置于高能球磨罐中混合。

本发明高能球磨时间为1h～2h，作为优选方式，高能球磨时间为1.5h。若球磨时间过短，则得到的粉末的粒度不够细，同时颗粒表面活性不足，最终导致合金性能降低；若球磨时间过长，粉末活性过高，稍见空气易氧化着火，粉末取不出来，导致后续操作无法进行。高能球磨1.5h后，硅化镁粉末、锌粉、铝粉和镁粉充分破碎和混合均匀，得到粒度足够细的复合金属颗粒，同时硬脆相的颗粒进入韧性相中，形成镁合金固溶体。因此必须严格控制高能球磨时间，才能保证得到均匀细小的复合金属颗粒。

按照步骤a)得到了复合金属颗粒，然后按照步骤b)和步骤c)进行热挤压加工。

热挤压是将坯体加热至金属的再结晶温度以上，然后对坯体进行挤压的过程。挤压时，坯料置于挤压桶内，在挤压杆的作用下，当压力超过坯料的抗力时，坯料便通过模孔变形挤出，从而得到所需的材料。热挤压过程中的加热，使坯料处于半融化态，即坯体既具有一定的流动性同时又具有一定的变形抗力，为后续的挤压作准备。挤压则是促使晶界变窄，晶粒细化的过程，最终得到细小的微观组织。

步骤b)是混合粉末加压的过程，压力优选为300～400MPa。对于加压的方式，可以采用本领域技术人员熟知的方法，如将混合粉末置于钢模具中进行加压，得到成型的坯体，为后续的热挤压作准备工作。

步骤c)是成型坯体热挤压的过程，先对成型的坯体加热，使坯体处于半融化态，同时坯体的基体组织和析出的增强相颗粒开始长大，为随后的挤压作准备。加热后的挤压使微观组织晶界变窄，晶粒细化，从而得到细小的微观组织。

本发明高能球磨后的复合金属颗粒表面活性高，容易被氧化，因此为了防止复合金属颗粒被氧化，必须在惰性气体保护下对成型的坯体进行加热。按照本发明，所述惰性气体的具体例子如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气此类不活泼的气体，但不限于此，本发明优选采用氩气。对于加热的方式可以采用本领域技术人员熟知的方法，如将成型的坯体置于马弗炉中加热。

本发明的加热温度为420～450℃，作为优选方案，加热温度为440～450℃，若温度过高，坯体处于液相成分过多的状态，流动性太好，在后续的挤压过程中，坯体没有抵抗变形的能力，从而使颗粒间成键效果不佳，此外也会出现变形不匀的情况，破坏了均匀分散的状态；若温度过低，坯体处于固相成分偏多的状态，在挤压过程中，变形抗力大，坯体不容易变形，导致粉体间结合不好。

同样对保温时间也需要严格控制，保温时间为30～50分钟，若时间过长，会导致坯体微观结构长大过快，影响细小的分布状态，同时也会使金属镁氧化，形成氧化物夹杂，最终影响合金的性能；时间过短，会导致整个坯体温度不均匀，内部与外部温场分布过大，最终性能不均匀。因此必须严格控制加热温度和保温时间，才能保证坯体处于半融化态，同时使微观组织长大均匀，并且能够抑制金属镁氧化，避免氧化物夹杂的问题。

本发明随后对半融化态的坯体进行挤压操作，挤压比优选为(9～10)∶1，更优选为10∶1，若挤压比过大，则需提供较高压力，增加挤压工序的难度；若挤压比过小，在挤压过程中坯体受到的压力太小，难以起到促使颗粒间成键的作用。本发明中挤压速度优选为1～2mm/s，更优选为1mm/s，若挤压速度过快，则产品表面的光滑度降低，甚至表面出现条纹或呈麻花状；若速度过慢，则会降低生产效率。本发明中压力优选为550～650T，更优选为600T，若压力过低，增加合金挤出的难度；若压力过高，出料口会出现坯料喷出的情况，使操作无法控制。加热后的挤压，能够使增强相颗粒和基体相有效键合，同时也使晶界变窄，晶粒细化，从而得到晶粒细小的微观组织。

按照本发明，在热挤压完成后，需要对挤压后的合金进行水冷。挤压后的合金具有很高的残留温度，快速的冷却速度能够避免合金中微观组织长大，从而最终得到细小均匀的微观组织。

由上述方案可知，为了获得纳米级增强相颗粒和细小均匀的颗粒，本发明在原料中直接添加Mg₂Si纳米粉末，并配合高能球磨且严格控制球磨时间的方法，以保证混合粉末充分破碎和混合均匀，得到亚微米级的复合金属颗粒，同时具有适度的活性易于进行后续的操作。为了避免高能球磨后得到的颗粒过度氧化，同时使最终产品的微观组织均匀细小，本发明随后采用了热挤压技术。该方法时间较短，避免了颗粒氧化影响产品性能的问题。同时，该方法有利于地促进了晶界变窄，晶粒细化。最后本发明再配合水冷的冷却方式，避免了晶粒长大影响产品性能的问题，从而得到了微观组织均匀细化的镁合金。本发明在原料中直接添加纳米级Mg₂Si粉末，并配合采用高能球磨制粉和热挤压相结合的制备方法制备了镁合金，制备的镁合金微观组织细小均匀，并且增强相颗粒Mg₂Si以纳米级的状态存在于镁合金中，有利于提高镁合金的室温力学性能。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的镁合金的制备方法进行详细描述，实施例中涉及的硅化镁纳米粉末都是微米级的硅化镁粉末球磨后得到的。本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

a)将4.34克硅化镁纳米粉末，2克锌粉，10克铝粉和183.66克镁粉在高能球磨罐中混合1.5小时后，得到混合粉末；

b)将混合粉末置于钢模具中施加300MPa的压力，得到成型的坯体；

c)将成型的坯体置于马弗炉中，在氩气条件下加热，加热温度为420℃，保温30分钟后，取出坯体置于挤压机的挤压筒中，在挤压比为10∶1，挤压速度为1mm/s，压力为600T的条件下将坯体挤出，经过水冷后得到镁合金。

实施例1制备的镁合金经抛光处理后，对其室温强度和150度下强度进行测试，结果见表1。

对实施例1制备的镁合金进行扫描电镜分析，图1为本发明实施例1制备的镁合金的扫描电镜照片，通过图1可以看出基体组织细小均匀；图2为本发明实施例1制备的镁合金的增强相颗粒Mg₂Si的面扫面图谱，图2中的红色部分为镁合金的增强相颗粒Mg₂Si，通过图2可以看出增强相颗粒Mg₂Si均匀弥散分布。

实施例2

a)将4.88克硅化镁纳米粉末，2克锌粉，10克铝粉和183.12克镁粉在高能球磨罐中混合1.5小时后，得到混合粉末；

b)将混合粉末置于钢模具中施加320MPa的压力，得到成型的坯体；

c)将成型的坯体置于马弗炉中，在氩气条件下加热，加热温度为430℃，保温40分钟后，取出坯体置于挤压机的挤压筒中，在挤压比为10∶1，挤压速度为1mm/s，压力为600T的条件下将坯体挤出，经过水冷后得到镁合金。

实施例2制备的镁合金经抛光处理后，对其室温强度和150度下强度进行测试，结果见表1。

实施例3

a)将5.42克硅化镁纳米粉末，2克锌粉，10克铝粉和183.58克镁粉在高能球磨罐中混合1.5小时后，得到混合粉末；

b)将混合粉末置于钢模具中施加360MPa的压力，得到成型的坯体；

c)将成型的坯体置于马弗炉中，在氩气条件下加热，加热温度为440℃，保温50分钟后，取出坯体置于挤压机的挤压筒中，在挤压比为10∶1，挤压速度为1mm/s，压力为600T的条件下将坯体挤出，经过水冷后得到镁合金。

实施例3制备的镁合金经抛光处理后，对其室温强度和150度下强度进行测试，结果见表1。

实施例4

a)将5.96克硅化镁纳米粉末，2克锌粉，10克铝粉和182.04克镁粉在高能球磨罐中混合1.5小时后，得到混合粉末；

b)将混合粉末置于钢模具中施加400MPa的压力，得到成型的坯体；

c)将成型的坯体置于马弗炉中，在氩气条件下加热，加热温度为450℃，保温50分钟后，取出坯体置于挤压机的挤压筒中，在挤压比为10∶1，挤压速度为1mm/s，压力为600T的条件下将坯体挤出，经过水冷后得到最终的镁合金。

实施例4制备的镁合金经抛光处理后，对其室温强度和150度下强度进行测试，结果见表1。

实施例5

a)将6.5克硅化镁纳米粉末，2克锌粉，10克铝粉和181.5克镁粉在高能球磨罐中混合1.5小时后，得到混合粉末；

b)将混合粉末置于钢模具中施加400MPa的压力，得到成型的坯体；

c)将成型的坯体置于马弗炉中，在氩气条件下加热，加热温度为450℃，保温50分钟后，取出坯体置于挤压机的挤压筒中，在挤压比为10∶1，挤压速度为1mm/s，压力为600T的条件下将坯体挤出，经过水冷后得到镁合金。

实施例5制备的镁合金经抛光处理后，对其室温强度和150度下强度进行测试，结果见表1。

实施例6

a)将7.04克硅化镁纳米粉末，2克锌粉，10克铝粉和180.96克镁粉在高能球磨罐中混合1.5小时后，得到混合粉末；

b)将混合粉末置于钢模具中施加400MPa的压力，得到成型的坯体；

c)将成型的坯体置于马弗炉中，在氩气条件下加热，加热温度为450℃，保温50分钟后，取出坯体置于挤压机的挤压筒中，在挤压比为10∶1，挤压速度为1mm/s，压力为600T的条件下将坯体挤出，经过水冷后得到镁合金。

实施例6制备的镁合金经抛光处理后，对其室温强度和150度下强度进行测试，结果见表1。

表1本发明实施例提供的镁合金的室温强度和150度下强度测试结果

由测试结果可知，通过本发明提供的制备方法制备的镁合金具有较高的室温强度和150度下强度，可以满足现代工业对耐热镁合金材料的需求。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将硅化镁纳米粉末、锌粉、铝粉和镁粉高能球磨1～2h，得到混合粉末，所述混合粉末包括：2.2～3.6wt％的硅化镁，0.5～1.5wt％的锌，4.5～5.5wt％的铝和90.5～91.9wt％的镁；

b)将所述混合粉末加压成型，得到坯体；

c)将所述坯体在惰性气体保护下加热，加热温度为420～450℃，保温30～50分钟，加热后挤压，将挤压后的坯体水冷，得到镁合金。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，a)中所述硅化镁纳米粉末的粒度小于100纳米。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，a)中所述锌粉、铝粉和镁粉的粒度小于1微米。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，b)中所述加压的压力为300～400MPa。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，c)中所述惰性气体为氩气。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，c)中所述加热温度为440～450℃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，c)中所述挤压的挤压比为(9～10)∶1。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，c)中所述挤压的挤压速度为1～2mm/s。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，c)中所述挤压的压力为550～650T。

Images