CN104233033B - 一种高强高韧镁基合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强高韧镁基合金，其特征在于，按重量百分比含有如下组分：Zn 4.5‑5.5％，Sn0.7‑0.8％，Gd 0.28‑0.30％，Ti 1‑1.5％，Al 0.5‑1％，Ca 0.7‑0.8％，Sr 0.9‑1.1％、La 0.3‑0.4％，Sm 0.4‑0.45％，Nd 0.45‑0.55％，Y 0.4‑0.45％，Zr 0.4‑0.5％，Mn 1‑1.1％，Cu 0.3‑0.4％，Ce 0.3‑0.35％，Nb 1‑1.2％，氮化硼纳米管颗粒4‑6％石墨烯5‑6％，碳化钨晶须3‑4％，剩余组分为Mg。这种合金的强度、韧性、耐热性能以及拉伸性能较现有技术均有较大幅度提高。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料领域，尤其是一种高强高韧镁基合金及其制备方法。
背景技术
由于镁合金材料的独特性能，特别是它的高回收率，既有效利用了资源，又减少了环境污染，国际上各大公司纷纷着手镁合金的研究。虽然镁基合金具有低密度、散热好、比刚度高、比弹性量大，易回收利用等特点，在机械、电子航天航空灯领域被广泛应用，但是镁合金拉伸倾点和屈服强度低，抗蠕变性能差，仍是限制其应用的因素。
中国专利CN102719716A涉及一种耐热镁基合金，该合金中加入量La和Ce，提高了镁基合金的耐热性能，但是该合金仍难满足更高场合对镁基合金的要求。
中国专利CN 103849798A涉及一种高强度镁基合金及其制备方法，该合金中加入了钙、铯等元素，并且改进了熔炼方法，提高了合金的各种性能，该合金的应用场合仍受到较大局限。
中国专利CN102230118A涉及一种含Sn细晶镁锌锡合金，该合金中加入了锡，提高了镁基合金的强度和塑性，后续加工性能好，但是该合金的强度和拉伸性能较差。
因此急需提高镁基合金的各项性能，从而拓宽其应用领域，尤其是对镁基合金要求较高的领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提高镁基合金的各项性能，包括强度、耐热性能、韧性以及拉伸性能，以使其能适应更多的应用领域。
为了解决该技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高强高韧镁基合金，其特征在于，按重量百分比含有如下组分：Zn 4.5-5.5％，Sn0.7-0.8％，Gd 0.28-0.30％，Ti 1-1.5％，Al 0.5-1％，Ca 0.7-0.8％，Sr 0.9-1.1％、La 0.3-0.4％，Sm 0.4-0.45％，Nd 0.45-0.55％，Y 0.4-0.45％，Zr 0.4-0.5％，Mn1-1.1％，Cu 0.3-0.4％，Ce 0.3-0.35％，Nb 1-1.2％，氮化硼纳米管颗粒4-6％石墨烯5-6％，碳化钨晶须3-4％，剩余组分为Mg。
为了获得更好的性能，本发明在上述合金的基础上进一步优化，高强高韧镁基合金优选的组成为：
按重量百分比含有如下组分：Zn 5％，Sn 0.76％，Gd 0.29％，Ti 1.4％，Al0.8％，Ca 0.75％，Sr 1.0％、La 0.35％，Sm 0.42％，Nd 0.5％，Y 0.43％，Zr 0.45％，Mn1.06％，Cu 0.35％，Ce 0.33％，Nb 1.15％，氮化硼纳米管颗粒5％石墨烯5.5％，碳化钨晶须3.5％，剩余组分为Mg。
本发明所述的高强高韧镁基合金通过以下步骤制备：
(1)按照限定的重量百分比进行配料：准备对应含量的纯Mg锭、纯Zn锭，以及其他合金元素、氮化硼纳米管颗粒、石墨烯颗粒、碳化钨晶须；
(2)在惰性气体(如氮气、氩气或氦气)的保护下将纯Mg锭、Zn锭熔化，按产品组成加入其它合金元素，待充分熔化后，再加入碳化钨晶须、氮化硼纳米管颗粒以及石墨烯，进一步熔炼，熔炼的同时进行搅拌，熔炼完成后充分静置；
(3)继续升高温度至750℃以上，进行精炼；
(4)将合金液注入经预热的模具中，自然冷却获得高强高韧镁基合金。
本发明的制备方法还可以包括现有技术中常见的热处理。
本发明具有以下优点：
加入氮化硼纳米管颗粒、石墨烯和碳化钨晶须，上述三种物质共同作用提高了镁基合金的各种力学性能。
六种稀土元素Gd、La、Sm、Nd、Y、Ce按照特定比例的加入，改变了合金的微观组织结构，提高了镁基合金的耐热性能，并且提高了其铸造性能。
Mn、Cu、Nb等元素的加入，优化了合金的组成，提高了其力学性能。
优化了各种成分的比例，进一步提高了镁基合金的各种性能。优选，所述继续升高温度至800、900、1000、1100、1200℃。
具体实施方式
实施例1：
制备成分如下所示的高强高韧镁基合金。按重量百分比含有如下组分：Zn 4.5％，Sn 0.7％，Gd 0.28％，Ti 1％，Al 0.5％，Ca 0.7％，Sr 0.9％、La 0.3％，Sm 0.4％，Nd0.45％，Y 0.4％，Zr 0.4％，Mn 1％，Cu 0.3％，Ce 0.3％，Nb 1％，氮化硼纳米管颗粒4％石墨烯5％，碳化钨晶须3％，剩余组分为Mg。该合金通过以下步骤制备获得：
(1)按照上述的重量百分比进行配料：准备对应含量的纯Mg锭、纯Zn锭，以及其他合金元素、氮化硼纳米管颗粒、石墨烯颗粒、碳化钨晶须；
(2)将纯Mg锭、Zn锭置于坩埚中，在氮气的保护下熔化后，按产品组成比例加入其它合金元素，待充分熔化后，再加入碳化钨晶须、氮化硼纳米管颗粒以及石墨烯，进一步熔炼，熔炼的同时进行搅拌，熔炼完成后充分静置；
(3)继续升高温度至730℃以上，进行精炼；
(4)将合金液注入经预热的模具中，自然冷却获得高强高韧镁基合金。
对该合金的性能进行测试，室温下抗拉强度为518MPa，屈服强度为410Mpa，断裂韧性为11.5MPam1/2。
实施例2：
制备另外一种构成比例的高强高韧镁基合金。按重量百分比含有如下组分：Zn5.5％，Sn 0.8％，Gd 0.30％，Ti 1.5％，Al 1％，Ca 0.8％，Sr 1.1％、La 0.4％，Sm0.45％，Nd 0.55％，Y0.45％，Zr 0.5％，Mn 1.1％，Cu 0.4％，Ce 0.35％，Nb 1.2％，氮化硼纳米管颗粒6％石墨烯6％，碳化钨晶须4％，剩余组分为Mg。
上述镁基合金的制备方法如下：
(1)按照上述的重量百分比进行配料：准备对应含量的纯Mg锭、纯Zn锭，以及其他合金元素、氮化硼纳米管颗粒、石墨烯颗粒、碳化钨晶须；
(2)将纯Mg锭、Zn锭置于坩埚中，在氮气的保护下熔化后，按产品组成比例加入其它合金元素，待充分熔化后，再加入碳化钨晶须、氮化硼纳米管颗粒以及石墨烯，进一步熔炼，熔炼的同时进行搅拌，熔炼完成后充分静置；
(3)继续升高温度至750℃以上，进行精炼；
(4)将合金液注入经预热的模具中，自然冷却获得高强高韧镁基合金。
对该合金的性能进行测试，室温下抗拉强度为529MPa，屈服强度为428Mpa，断裂韧性为12.5MPam1/2。
实施例3：
对本发明所述增强镁基合金的各组分的比例进行调试，选择综合性能最佳的合金组分。具体地，本发明优选的效果最佳的增强镁基合金，按重量百分比含有如下组分：Zn5％，Sn0.76％，Gd 0.29％，Ti 1.4％，Al 0.8％，Ca 0.75％，Sr 1.0％、La 0.35％，Sm0.42％，Nd 0.5％，Y 0.43％，Zr 0.45％，Mn 1.06％，Cu 0.35％，Ce 0.33％，Nb 1.15％，氮化硼纳米管颗粒5％石墨烯5.5％，碳化钨晶须3.5％，剩余组分为Mg。
该镁基合金的制备方法如下：
(1)按照上述的重量百分比进行配料：准备对应含量的纯Mg锭、纯Zn锭，以及其他合金元素、氮化硼纳米管颗粒、石墨烯颗粒、碳化钨晶须；
(2)将纯Mg锭、Zn锭置于坩埚中，在氮气的保护下熔化后，按产品组成比例加入其它合金元素，待充分熔化后，再加入碳化钨晶须、氮化硼纳米管颗粒以及石墨烯，进一步熔炼，熔炼的同时进行搅拌，熔炼完成后充分静置；
(3)继续升高温度至740℃以上，进行精炼；
(4)将合金液注入经预热的模具中，自然冷却获得高强高韧镁基合金。
对该合金的性能进行测试，室温下抗拉强度为557MPa，屈服强度为449Mpa，断裂韧性为13.7MPam1/2。
实施例1-3的效果对比如下表所示：
表1：实施例1-3合金的力学性能
| 实施例 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 断裂韧性(MPam1/2) |
| 1 | 518 | 410 | 11.5 |
| 2 | 529 | 428 | 12.5 |
| 3 | 557 | 449 | 13.7 |
从表1可以看出，本申请所制得的合金的抗拉强度、屈服强度以及断裂韧性均优于现有技术。
Claims (7)
1.一种高强高韧镁基合金的制备方法，按重量百分比含有如下组分：Zn 4.5-5.5％，Sn0.7-0.8％，Gd 0.28-0.30％，Ti 1-1.5％，Al 0.5-1％，Ca 0.7-0.8％，Sr 0.9-1.1％、La0.3-0.4％，Sm 0.4-0.45％，Nd 0.45-0.55％，Y 0.4-0.45％，Zr 0.4-0.5％，Mn 1-1.1％，Cu 0.3-0.4％，Ce 0.3-0.35％，Nb 1-1.2％，氮化硼纳米管颗粒4-6％石墨烯5-6％，碳化钨晶须3-4％，剩余组分为Mg；包括如下步骤：(1)按照上 述的重量百分比进行配料：准备对应含量的纯Mg锭、纯Zn锭，以及其他合金元素、氮化硼纳米管颗粒、石墨烯颗粒、碳化钨晶须；
(2)将纯Mg锭、Zn锭置于坩埚中，在惰性气体的保护下熔化后，按产品组成比例加入其它合金元素，待充分熔化后，再加入碳化钨晶须、氮化硼纳米管颗粒以及石墨烯，进一步熔炼，熔炼的同时进行搅拌，熔炼完成后充分静置；
(3)继续升高温度至750℃以上，进行精炼；
(4)将合金液注入经预热的模具中，自然冷却获得高强高韧镁基合金。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的惰性气体选自氮气、氩气或氦气。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述继续升高温度至800℃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述继续升高温度至900℃。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述继续升高温度至1000℃。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述继续升高温度至1100℃。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述继续升高温度至1200℃。
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