CN105420557B

CN105420557B - 一种高强镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN105420557B
Application number: CN201610026160.2A
Authority: CN
Inventors: 何枇林; 朱浩; 李德辉
Original assignee: Foshan Lingzhuo Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Jiehui Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2036-01-15
Also published as: CN105420557A

Abstract

一种高强镁合金及其制备方法，本发明采用在镁合金中掺入纳米添加物，得到了一种高强度的镁合金。其中纳米添加物的平均直径在200纳米以下，所得到的镁合金的平均晶粒在100纳米以下，合金的屈服强度可达400MPa以上。该镁合金通过熔炼、掺入纳米颗粒并分散、冷却、扭曲变形等步骤制备。

Description

一种高强镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强镁合金及其制备方法，尤其是一种纳米添加物增强镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是一种低密度的金属材料，作为工程材料，其结构轻、耐氧化，目前已经在手持电子设备、汽车、航空航天等领域中应用。不过，镁合金的强度并不高。作为工程材料，人们通常期望高强度的材料，但是，由于镁合金的原子结构特点，其塑性差，目前传统的加工手段不能得到高强度的镁合金。

中国专利 102766774A提供了一种镁合金掺杂SiC颗粒的增强方法，针对镁合金模量低、强度低、易磨损、耐高温性能差、热膨胀系数高的情况，采用在熔炼镁合金块过程中掺杂细碳化硅和粗碳化硅颗粒，然后进行浇铸、加压和热挤压成型，大幅度提高镁合金的屈服强度、硬度和耐磨性能，使屈服强度达328MPa±2MPa，硬度达120HV±5HV，耐磨性提高了80%，此方法工艺先进新颖，数据准确翔实，增强效果好，是十分理想的镁合金掺杂SiC颗粒的增强方法。

中国专利103320631A提供了一种镁合金掺杂SiC颗粒的增强方法，其使用的化学物质材料为：镁合金块、细碳化硅、粗碳化硅、氢氟酸、去离子水、六氟化硫、二氧化碳。镁合金掺杂SiC颗粒的增强方法如下：（1）精选化学物质材料：对使用的化学物质材料进行精选，并进行质量纯度、浓度控制；（2）预处理碳化硅；(3）熔铸镁合金、掺杂SiC颗粒熔炼镁合金、掺杂SiC颗粒是在熔炼坩埚中进行的，是在加热、搅拌、气体保护下完成的；（4）浇铸成锭、加压凝固；（5）热挤压镁合金复合材料铸锭的热挤压是在热挤压机上进行的，是在圆筒形模具内、在加压过程中完成的；（6）冷却将经过热挤压的镁合金复合材料棒，埋入细砂中，使其自然冷却至25℃；（7）清理将热挤压、冷却后的镁合金复合材料棒用砂纸打磨，使表面光洁；（8）检测、分析和表征对制备的镁合金复合材料棒的色泽、显微组织、力学性能、耐磨性进行检测、分析和表征；结论：掺杂SiC颗粒的镁合金复合材料棒为银白色，显微组织致密，细SiC颗粒和粗SiC颗粒在镁合金棒中分布均匀，屈服强度达320MPa±2MPa，硬度达120HV±5HV，耐磨性提高80%。

中国专利CN 104109790 A提供了一种高强镁合金材料及其制备方法，该镁合金材料组分中包含铝 (Al)，锌 (Zn)，氯化锰 (MnCl₂)，碳化硅 (SiC) 晶粒，铍 (Be)，镁(Mg)，其中，镁合金材料各组分组成按重量百分比分别为：铝 (Al) ：10.5-12％，锌 (Zn)：6-7％，氯化锰 (MnCl₂) ：0.6-1.5％，碳化硅 (SiC) 晶粒： 2-3.5％，铍 (Be) ：0.01-0.03％，余量为镁 (Mg)。本发明所提供的高强镁合金材料及其制备方法，通过连续铸造的方式取代传统的挤压工艺，以短流程的方式完成镁合金的生产，缩短了生产流程，节约了成本，所制备的镁合金材料相比于传统的镁合金材料，在抗拉强度、屈服强度、延伸率、弹性模量、硬度等方面均得到明显改善。该发明制备的合金的强度最高可达到380MPa，不过其延伸率很低，只有5%。

中国专利104213008A公开了一种新型高强度镁合金及其制备方法。其组成重量百分比为：钨钛合金为5%~35%，镁铝合金为65%~95%。钨钛合金的加入，改善了镁铝合金的固溶和时效行为，改善其组织和性能。其抗拉强度和屈服强度分别为（486~378）MPa和（400~320）MPa，相比镁铝合金的320MPa和269MPa，分别提高了52%~18%和48%~18%。

以上发明都致力于提高镁合金的性能特别是强度性能，不过，其发明的镁合金的屈服强度都在400MPa以下，其强度与目前长用的工程材料还有较大的差距。

发明内容：

发明目的：为了拓展镁合金的应用领域，发挥其低密度的有点，本发明提供了一种高强度镁合金及其制备方法。

本发明的技术方案如下 :

采用在纳米颗粒增强的方法，在熔炼的过程中向镁合金中掺入添加物，分散均匀，缓慢冷却并抽真空让纳米颗粒进一步提高浓度，然后在高压下采用扭曲变形的方式，进一步细化晶粒，提高合金的强度。根据本发明，可以制备一种纳米颗粒增强的高强镁合金。其显微组织中的平均晶粒直径在100纳米以下，纳米颗粒的直径在200纳米以下，镁合金的屈服强度在400MPa以上。

具体制备方法包括以下步骤：

（1）准备原料：准备99.9%以上的高纯镁与高纯合金元素，以及平均粒径为200纳米以下的纳米添加物；

（2）熔炼合金：将高纯镁与合金元素按照一定的原子比例配料，在保护气氛中熔炼，熔炼过程中加入纳米添加物，保持温度在700 °C，采用超声的方法进行分散；

（3）对合金锭进行缓慢冷却，在冷却的过程中保持抽真空状态，真空度低于5torr；

（4）冷却后，将合金锭加工成圆盘状；

（5）将步骤 (4) 处理的粗晶合金圆盘放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，对合金施加高压，并旋转压砧以扭转合金圆盘，使之发生扭曲形变。

其中，步骤（1）中的保护气体为CO₂与SF6的混合气体，步骤（3）中，冷却速度小于每秒0.5k；步骤（5）中合金承受的压力为1.5-5GPa；旋转速度每分钟2~5转，一共旋转3-20圈。

本发明所采用的纳米添加物包含但不限于碳化硅、氧化硅、氧化钛；本发明所采用的合金元素包含但不限于锌、铝、铜、铁、锰、钼、钛。

作为优选，CO₂与SF6的体积比的范围是50:1~100:1；

作为优选，步骤（2）中所加入的添加物颗粒占合金的质量分数为1.5~5%；

作为优选，所采用的纳米添加物的颗粒度平均为60-120纳米。

有益的效果：

本发明采用高强度的纳米添加物的颗粒作为增强颗粒，不仅可以起到细化晶粒的作用，而且可以作为位错运动的障碍，阻止金属的位错移动，从而强化金属；同时，细化晶粒能够起到改善合金塑性的作用。

本发明采用高温金属液体状态下进行超声分散，有效解决了纳米颗粒在金属中很难分散均匀的问题。在液态金属状态下使用超声分散，可以将纳米颗粒分散均匀，以解决传统混合、搅拌等技术中纳米颗粒分散不好的缺陷。熔炼后采用缓慢冷却，同时保持真空度，可以使镁的金属蒸汽不断地被抽出，降低合金中镁的含量，从而提高合金中纳米颗粒的体积分数，进一步增强纳米颗粒强化的效果；同时合金元素的含量也会增加。

在施加高压扭曲形变的过程中，合金基体中较大的晶粒被分解成更细小的纳米晶粒。最终合金的平均晶粒直径一般在100纳米以下，根据霍尔-配奇关系，晶粒变得细小，可以使得合金的强度更高，同时，也可以改善合金的塑性。通过本发明制备的镁合金，其屈服强度可以高达400MPa以上，可以应用于汽车轻量化工程、航天航空工程等领域。镁合金的平均晶粒在100纳米以下，合金的屈服强度在400MPa以上。

具体实施方式

下面通过实施例详细描述本发明的制备方法，但不构成对本发明的限制。

实施例1

（1）准备原料：准备99.9%以上的高纯镁与高纯铝，以及平均粒径为80纳米的纳米SiO₂；

（2）熔炼合金：将高纯镁与锌按照3:1的原子比例配料，在CO₂与SF6的混合气体中熔炼，其中CO₂与SF6体积比是100:1；熔炼过程中加入占合金质量分数4.2%的纳米SiO₂，保持温度在700 °C，采用超声的方法进行分散；

（3）对合金锭进行缓慢冷却，冷却速度每秒0.2k；在冷却的过程中保持抽真空状态，真空度4torr；

（4）冷却后，将合金锭加工成圆盘状；

（5）将步骤 (4) 处理的粗晶合金圆盘放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，对合金施加4.5GPa高压，并以每分钟3转的速度旋转压砧以扭转合金圆盘，使之发生扭曲形变，一共旋转3圈。

实施例2

（1）准备原料：准备99.9%以上的高纯镁与高纯锌，以及平均粒径为90纳米的纳米SiC；

（2）熔炼合金：将高纯镁与锌按照6:1的原子比例配料，在CO₂与SF6的混合气体中熔炼，其中CO₂与SF6体积比是80:1；熔炼过程中加入占合金质量分数1.5%的纳米SiC，保持温度在700 °C，采用超声的方法进行分散；

（3）对合金锭进行缓慢冷却，冷却速度每秒0.3k；在冷却的过程中保持抽真空状态，真空度3torr；

（4）冷却后，将合金锭加工成圆盘状；

（5）将步骤 (4) 处理的粗晶合金圆盘放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，对合金施加5GPa高压，并以每分钟5转的速度旋转压砧以扭转合金圆盘，使之发生扭曲形变，一共旋转8圈。

实施例3

（1）准备原料：准备99.9%以上的高纯镁与高纯锌，以及平均粒径为60纳米的纳米SiC；

（2）熔炼合金：将高纯镁与锌按照3.5:1的原子比例配料，在CO₂与SF6的混合气体中熔炼，其中CO₂与SF6体积比是50:1；熔炼过程中加入占合金质量分数1.8%的纳米SiC，保持温度在700 °C，采用超声的方法进行分散；

（3）对合金锭进行缓慢冷却，冷却速度每秒0.5k；在冷却的过程中保持抽真空状态，真空度3torr；

（4）冷却后，将合金锭加工成圆盘状；

（5）将步骤 (4) 处理的粗晶合金圆盘放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，对合金施加1.5GPa高压，并以每分钟2转的速度旋转压砧以扭转合金圆盘，使之发生扭曲形变，一共旋转20圈。

实施例4

（1）准备原料：准备99.9%以上的高纯镁与高纯锌，以及平均粒径为80纳米的纳米TiO₂；

（2）熔炼合金：将高纯镁与铜按照5:1的原子比例配料，在CO₂与SF6的混合气体中熔炼，其中CO₂与SF6体积比是60:1；熔炼过程中加入占合金质量分数2.5%的纳米TiO₂，保持温度在700 °C，采用超声的方法进行分散；

（3）对合金锭进行缓慢冷却，冷却速度每秒0.3k；在冷却的过程中保持抽真空状态，真空度低于4torr；

（4）冷却后，将合金锭加工成圆盘状；

（5）将步骤 (4) 处理的粗晶合金圆盘放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，对合金施加3GPa高压，并以每分钟2.5转的速度旋转压砧以扭转合金圆盘，使之发生扭曲形变，一共旋转20圈。

实施例5

（1）准备原料：准备99.9%以上的高纯镁与高纯锌，以及平均粒径为80纳米的纳米SiC；

（2）熔炼合金：将高纯镁与锌按照4:1的原子比例配料，在CO₂与SF6的混合气体中熔炼，其中CO₂与SF6体积比是80:1；熔炼过程中加入占合金质量分数5%的纳米SiC，保持温度在700 °C，采用超声的方法进行分散；

（3）对合金锭进行缓慢冷却，冷却速度每秒0.4k；在冷却的过程中保持抽真空状态，真空度5torr；

（4）冷却后，将合金锭加工成圆盘状；

（5）将步骤 (4) 处理的粗晶合金圆盘放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，对合金施加1.5GPa高压，并以每分钟3转的速度旋转压砧以扭转合金圆盘，使之发生扭曲形变，一共旋转10圈。

性能检测：

进行室温拉伸试验，得到各实施例制备的合金的屈服强度；采用透射电镜分析，得到合金的晶粒直径；结果如下表：

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						屈服强度（MPa）	412	429	446	435	418
平均晶粒直径（微米）	77	73	56	76	59

从上表可以看到，采用本发明，做制备的镁合金的屈服强度在400MPa以上，大大高于现有技术水平。

以上所述仅是本发明实施方式的一些例子，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种镁合金的制备方法，其特征在于：该方法制备的镁合金的平均晶粒在100 纳米以下，且该制造方法包含以下步骤：

（1）准备原料：准备纯度99.9% 以上的高纯镁与高纯合金元素，以及平均粒径为200 纳米以下的纳米添加物；

（3）对合金锭进行缓慢冷却，在冷却的过程中保持抽真空状态，真空度低于5torr ；

（4）冷却后，将合金锭加工成圆盘状；

（5）将步骤 (4) 处理的粗晶合金圆盘放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，对合金施加高压，压力为1.5-5GPa ；并旋转压砧以扭转合金圆盘，使之发生扭曲形变，旋转速度每分钟2~5 转，一共旋转3-20 圈。

2.一种如权利要求1 所述的镁合金的制备方法所制备的镁合金，其特征在于：该镁合金由镁及其合金元素以及纳米添加物构成；纳米添加物的平均直径在200 纳米以下。

3.如权利要求1所述的镁合金的制备方法，其特征在于：保护气体为CO 2与SF6 的混合气体。

4.如权利要求1所述的镁合金的制备方法，其特征在于：冷却速度小于每秒0.5k。

5.如权利要求2所述的镁合金，其特征在于：所述的纳米添加物包含但不限于碳化硅、氧化硅、氧化钛。

6.如权利要求2所述的镁合金，其特征在于：所述的合金元素包含但不限于锌、铝、铜、铁、锰、钼、钛。