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CN110541097B - 一种耐摩擦高性能镁合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐摩擦高性能镁合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明关于一种耐摩擦高性能镁合金材料及其制备方法，其成分配比如下：Tb:0.5～2.0wt.％，Ho:0.5～3.0wt.％，Ni:1.00～2.00wt.％，Mn:0.60～1.00wt.％，余量为Mg和不可避免的其他杂质，杂质含量不高于0.03wt.％。其中，Tb+Ho与Ni元素的质量比是1.5:1～3.0:1。本发明依据上述成分配比并通过特定的铸造、轧制以及时效工艺制备出耐摩擦高性能镁合金材料，该材料具有较高的硬度和强度，在无润滑条件下摩擦系数为0.22～0.30，其耐摩擦性能明显优于AZ31、AZ81和AZ91等传统的商业镁合金材料。

Description

一种耐摩擦高性能镁合金材料及其制备方法
技术领域
本发明关于高性能镁合金材料技术领域，特别是关于一种耐摩擦高性能镁合金材料及其制备方法。
背景技术
作为最轻的金属结构材料，镁合金不仅具有高的比强度和比刚度，而且还具有减震抗噪、电子屏蔽以及抗高能粒子穿透等特点。近年来，凭借着独特的性能优势，镁合金在汽车制造、航空航天和武器装备等领域中的应用范围不断扩大。越来越多的镁合金被相继开发出来，采用镁合金来代替传统的钢铁、铝合金等材料能使结构件、机械设备大幅度降低重量。然而，在实际服役的过程中，镁合金零部件都不可避免地与其他材料发生接触，并由于相对运动而产生摩擦磨损现象。摩擦磨损往往对机械零件的寿命、可靠性产生极大的影响，是造成机械零件失效的主要原因之一。因此，出于安全性设计的考虑，在我国汽车制造、航空航天等工业迅猛发展以及武器装备减重迫切需求的大背景下，开发出一种高性能耐摩擦的镁合金材料具有重要的意义。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
鉴于现有技术中存在的不足和缺陷，本发明提供了一种耐摩擦高性能镁合金材料及其制备方法，该镁合金材料具有相当的硬度和较高的强度，同时还具有优良的耐摩擦性能，而且加工成本低廉、制备工艺简单、参数易控、适合大规模的工业化生产。
发明人发现，通过向Mg合金基体中按照特定的质量比添加Tb、Ho和Ni元素以及特定质量的Mn元素时，再利用特定的铸造、轧制以及时效工艺所制备出的镁合金材料，不仅具备较高的强度和硬度，同时，该合金还具备优异的耐摩擦性能。因此，基于上述发现，本发明采取以下项[1]～[2]所列技术方案。
[1]一种耐摩擦高性能镁合金材料，所述镁合金材料由以下成分组成：
Tb:0.5～2.0wt.％；
Ho:0.5～3.0wt.％；
Ni:1.00～2.00wt.％；
Mn:0.60～1.00wt.％；
余量为Mg和不可避免的含量不高于0.03wt.％的杂质元素，所述不可避免的杂质元素主要包括Fe、Ni、Cu、O、S、P等元素。
上述[1]项所述方案的耐摩擦高性能镁合金材料，其中，
与镁合金化的Tb+Ho与Ni元素的质量比是1.5:1～3.0:1。
上述[1]项所述方案的耐摩擦高性能镁合金材料，其中，
与镁合金化的Tb+Ho与Ni元素的质量比是2.0:1～3.0:1；
上述[1]项所述方案的耐摩擦高性能镁合金材料，其中，
Ni元素的含量是1.2～1.8wt.％。
上述[1]项所述方案的耐摩擦高性能镁合金材料，其中，
Mn元素的含量是0.80～1.00wt.％。
本发明采用在包含Tb、Ho、Ni及Mn元素的镁合金中按照特定质量比添加Tb、Ho和Ni元素，并按照特定质量添加Mn元素，对镁合金材料进行改良设计，通过特定的铸造、轧制以及时效等工艺制备出一种耐摩擦的高性能镁合金，该镁合金材料维氏硬度介于80～105Hv，屈服强度达320～340MPa，抗拉强度达330～376MPa，延伸率为8.5～12.8％。更重要的是本申请的镁合金材料具有十分优异的耐摩擦性能，该合金在无润滑条件下摩擦系数为0.22～0.30，其耐摩擦性能明显优于AZ31、AZ81以及AZ91等传统的商业镁合金材料。
[2]制备上述[1]项所述耐摩擦高性能镁合金材料的方法，包括以下步骤：将含有Tb、Ho、Ni、Mn和Mg的金属和/或中间合金混合熔炼形成所述镁合金材料。
上述[2]项所述方案方法包括：
-预热项[1]所述金属原料并熔融铸造得铸态镁合金；
-轧制处理该铸态镁合金；
-对经轧制处理后的镁合金材料进行时效处理即得。
上述[2]项所述方案方法具体包括：
1)熔融铸造：保护气体作用下，将Mg、Mg-Tb中间合金、Mg-Ho中间合金及Ni加入熔炉，升温至750～760℃，待Mg及Mg-Tb、Mg-Ho、Ni融化后，降温至720～730℃加入Mn，待Mn融化后，浇铸得铸态镁合金；
2)轧制：将铸态镁合金在400～420℃预热并保温3～8h后进行轧制；
3)时效处理：对经轧制处理后的镁合金材料进行时效处理即得。
上述[2]项所述方案中，所述保护气体具体是氮气。
上述[2]项所述方案中，所述Mg、Mg-Tb中间合金、Mg-Ho中间合金、Mn及Ni的质量配比按照上述[1]项所述耐摩擦高性能镁合金材料的配方设置。
上述[2]项所述方案中，所述轧制的轧制温度为350～380℃，轧制2～3道次，每道次的压下量为16～25％。
上述[2]项所述方案中，所述时效处理的温度为220～240℃，时效时间为8～10h，最终得一种耐摩擦的高性能镁合金材料。
本发明包含Tb、Ho、Ni及Mn元素的耐摩擦高性能镁合金中，(Tb+Ho)与Ni元素具有特定的质量比，并按照特定质量添加Mn元素，对镁合金材料进行改良设计，经熔融铸造、轧制以及时效处理制得耐摩擦高性能镁合金材料，其制备工艺简单、参数易控，适合大规模的工业化生产，所述镁合金材料具有较为较高的硬度、强度以及耐摩擦性能，特别是该合金在无润滑条件下摩擦系数可达0.22～0.30，其耐摩擦性能明显优于AZ31、AZ81以及AZ91等传统的商业镁合金材料，该材料可广泛应用于汽车制造、航空航天以及武器装备等领域，具有重要的实际意义。
本发明的有益效果为：
本发明包含Tb、Ho、Ni及Mn元素的耐摩擦高性能镁合金中，(Tb+Ho)与Ni元素具有特定的质量比，并按照特定质量添加Mn元素，对镁合金材料进行改良设计，生产制备得到的镁合金材料维氏硬度介于80～105Hv，室温屈服强度达320～340MPa，抗拉强度达330～376MPa，延伸率为8.5～12.8％。同时，该合金在无润滑条件下摩擦系数为0.22～0.30，该合金的耐摩擦性能明显优于AZ31、AZ81以及AZ91等传统的商业镁合金材料。其较高的硬度、强度以及耐摩擦性能赋予了该材料更广阔的应用空间，由其制备的机械零件的寿命、可靠性得以明显提升。
本发明采用了上述技术方案提供范文，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语，具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。本发明使用本文中所描述的方法和材料；但本领域中已知的其他合适的方法和材料也可以被使用。本文中所描述的材料、方法和实例仅是说明性的，并不是用来作为限制。所有出版物、专利申请案、专利案、临时申请案、数据库条目及本文中提及的其它参考文献等，其整体被并入本文中作为参考。若有冲突，以本说明书包括定义为准。
本发明提供了一种耐摩擦高性能镁合金材料，该镁合金材料的组成为：Tb:0.5～2.0wt.％，Ho:0.5～3.0wt.％，Ni:1.00～2.00wt.％，Mn:0.60～1.00wt.％；余量为Mg，和不可避免的Fe、Ni、Cu、O、S、P等杂质元素，杂质元素的含量不高于0.03wt.％；其中，Tb+Ho与Ni元素的质量比是1.5:1～3.0:1。
本发明还提供了制备前述所述耐摩擦高性能镁合金材料的方法，包括以下步骤：将含有Tb、Ho、Ni、Mn和Mg的金属和/或中间合金混合熔炼形成所述镁合金材料。
所述方法进一步包括以下步骤：
-预热项[1]所述金属原料并熔融铸造得铸态镁合金；
-轧制处理该铸态镁合金；
-对经轧制处理后的镁合金材料进行时效处理即得。
所述方法更进一步地包括以下详细步骤：
1)熔融铸造：保护气体作用下，将Mg、Mg-Tb中间合金、Mg-Ho中间合金及Ni加入熔炉，升温至750～760℃，待Mg及Mg-Tb、Mg-Ho、Ni融化后，降温至720～730℃加入Mn，待Mn融化后，浇铸得铸态镁合金；
2)轧制：将铸态镁合金在400～420℃预热并保温3～8h后进行轧制，轧制温度为350～380℃，轧制2～3道次，每道次的压下量为16～25％；
3)时效处理：在温度为220～240℃、时间为8～10h条件下对经轧制处理后的镁合金材料进行时效处理即得。
实施例1：耐摩擦高新镁合金材料配方1及其制备方法：
本实施例提供一种耐摩擦高性能镁合金材料，该合金的组成包括：Tb:1.6wt.％、Ho:1.3wt.％、Ni:1.8wt.％、Mn:0.8wt.％，其余为Mg及含量不高于0.03wt.％的杂质。本实施例中，(Tb+Ho):Ni＝1.61:1.0。
制备上述所述耐摩擦高性能镁合金材料的方法，包括以下步骤：
1)熔融铸造：氮气保护作用下，将Mg、Mg-Tb中间合金、Mg-Ho中间合金及Ni加入熔炉，升温至750℃，待Mg及Mg-Tb、Mg-Ho、Ni融化后，降温至720℃加入Mn，待Mn融化后，浇铸得铸态镁合金；
2)轧制：将上述铸态镁合金在400℃预热并保温5h后进行轧制；
3)时效处理：对经轧制处理后的镁合金材料进行时效处理即得。
上述方法包括下述a)～c)限制因素：
a)所述Mg、Mg-Tb中间合金、Mg-Ho中间合金及Mn的质量配比按照本实施例所述耐摩擦高性能镁合金材料的配方设置；
b)所述轧制的轧制温度为360℃，轧制2道次，每道次的压下量为20％；
d)所述时效处理的温度为230℃，时效时间为8h，最终得一种耐摩擦的高性能镁合金材料。
实施例2：耐摩擦高新镁合金材料配方2及其制备方法：
本实施例提供另一种耐摩擦高性能镁合金材料，该合金的组成包括：Tb:1.50wt.％，Ho:1.50wt.％，Ni:1.00wt.％，Mn:1.00wt.％，其余为Mg及含量不高于0.03wt.％的杂质。本实施例中，(Tb+Ho):Ni＝3.0:1.0。
制备上述所述耐摩擦高性能镁合金材料的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
熔炼：熔炼时先升温至750℃，后降温至730℃后加入Mn；
轧制：轧制温度为380℃，轧制2道次，每道次压下量20％；
时效：时效温度为220℃，时效时间为10h。
实施例3：耐摩擦高新镁合金材料配方3及其制备方法：
本实施例提供另一种耐摩擦高性能镁合金材料，该合金的组成包括：Tb:0.60wt.％，Ho:1.80wt.％，Ni:1.20wt.％，Mn:0.80wt.％，其余为Mg及含量不高于0.03wt.％的杂质。本实施例中，(Tb+Ho):Ni＝2.0:1.0。
制备上述所述耐摩擦高性能镁合金材料的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
熔炼：熔炼时先升温至750℃，后降温至730℃后加入Mn；
轧制：轧制温度为380℃，轧制2道次，每道次压下量25％；
时效：时效温度为220℃，时效时间为8h。
实施例4：耐摩擦高新镁合金材料配方4及其制备方法：
本实施例提供另一种耐摩擦高性能镁合金材料，该合金的组成包括：Tb:2.00wt.％，Ho:1.50wt.％，Ni:2.00wt.％，Mn:1.00wt.％，其余为Mg及含量不高于0.03wt.％的杂质。本实施例中，(Tb+Ho):Ni＝1.75:1.0。
制备上述所述耐摩擦高性能镁合金材料的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
熔炼：熔炼时先升温至760℃，后降温至720℃后加入Mn；
轧制：轧制温度为350℃，轧制3道次，每道次压下量16％；
时效：时效温度为220℃，时效时间为10h。
实施例5：耐摩擦高新镁合金材料配方5及其制备方法：
本实施例提供另一种耐摩擦高性能镁合金材料，该合金的组成包括：Tb:2.00wt.％，Ho:1.00wt.％，Ni:1.00wt.％，Mn:0.60wt.％，其余为Mg及含量不高于0.03wt.％的杂质。本实施例中，(Tb+Ho):Ni＝3.0:1.0。
制备上述所述耐摩擦高性能镁合金材料的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
熔炼：熔炼时先升温至760℃，后降温至720℃后加入Mn；
轧制：轧制温度为350℃，轧制3道次，每道次压下量20％；
时效：时效温度为220℃，时效时间为10h。
实施例6：耐摩擦高新镁合金材料配方6及其制备方法：
本实施例提供另一种耐摩擦高性能镁合金材料，该合金的组成包括：Tb:0.50wt.％，Ho:2.50wt.％，Ni:1.60wt.％，Mn:0.80wt.％，其余为Mg及含量不高于0.03wt.％的杂质。本实施例中，(Tb+Ho):Ni＝1.875:1.0。
制备上述所述耐摩擦高性能镁合金材料的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
熔炼：熔炼时先升温至760℃，后降温至720℃后加入Mn；
轧制：轧制温度为350℃，轧制3道次，每道次压下量20％；
时效：时效温度为230℃，时效时间为10h。
对比例D7～D12：
对比例D7～D12分别提供一种镁合金材料，其详细组成配比如表1所列，其制备方法同实施例1。
表1、镁合金材料组成配比
Figure BDA0002221249940000071
实验例1：
分别以实施例1～6以及对比例D7～D12中的镁合金材料作为实验对象，室温下检测其维氏硬度、屈服强度及抗拉强度，统计结果如表2所示。
表2、镁合金材料硬度及强度检测结果
Figure BDA0002221249940000072
由表2可以看出，本申请优选实施方案的实施例1～6中的镁合金材料具有较高的硬度和强度，其性能相较于缺失Tb、Ho、Ni与Mn中的某一元成分的镁合金具有明显的提升，同时还应看到，Tb+Ho与Ni的质量比以及Mn的含量对镁合金材料整体的性能具有很大贡献。
实验例2：
在无润滑条件下分别测定实施例1～6以及对比例D7～D12中的镁合金材料的摩擦系数，并将其与传统镁合金材料AZ31、AZ81及AZ91作对比，其摩擦系数如表3所列。由表3数据可知，本发明提供的耐摩擦高性能镁合金材料在无润滑条件下摩擦系数介于0.22～0.30，其耐摩擦性能明显优于AZ31、AZ81、AZ91等传统的商业镁合金以及对比例D7～D12等材料。
表3、镁合金材料摩擦系数检测结果
Figure BDA0002221249940000081
上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。
虽然上述具体实施方式已经显示、描述并指出应用于各种实施方案的新颖特征，但应理解，在不脱离本公开内容的精神的前提下，可对所说明的装置或方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。另外，上述各种特征和方法可彼此独立地使用，或可以各种方式组合。所有可能的组合和子组合均旨在落在本公开内容的范围内。上述许多实施方案包括类似的组分，并且因此，这些类似的组分在不同的实施方案中可互换。虽然已经在某些实施方案和实施例的上下文中公开了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明可超出具体公开的实施方案延伸至其它的替代实施方案和/或应用以及其明显的修改和等同物。因此，本发明不旨在受本文优选实施方案的具体公开内容限制。

Claims (9)

1.一种耐摩擦高性能镁合金材料，其特征在于所述镁合金材料由以下成分组成：
Tb:0.5～2.0wt.％；
Ho:0.5～3.0wt.％；
Ni:1.00～2.00wt.％；
Mn:0.60～1.00wt.％；
余量为Mg和不可避免的含量不高于0.03wt.％的杂质元素；
与镁合金化的Tb+Ho与Ni元素的质量比是1.5:1～3.0:1；
镁合金材料的维氏硬度介于80～105Hv，屈服强度达320～340MPa，抗拉强度达330～376MPa，延伸率为8.5～12.8％，无润滑条件下摩擦系数为0.22～0.30。
2.根据权利要求1所述的镁合金材料，其特征在于：
与镁合金化的Tb+Ho与Ni元素的质量比是2.0:1～3.0:1。
3.根据权利要求1所述的镁合金材料，其特征在于：
Ni元素的含量是1.2～1.8wt.％。
4.根据权利要求1所述的镁合金材料，其特征在于：
Mn元素的含量是0.80～1.00wt.％。
5.一种制备如权利要求1～4任一项所述耐摩擦高性能镁合金材料的方法，其特征在于包括以下步骤：将含有Tb、Ho、Ni、Mn和Mg的金属和/或中间合金混合熔炼形成所述镁合金材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：包括：
-预热金属原料并熔融铸造得铸态镁合金；
-轧制处理该铸态镁合金；
-对经轧制处理后的镁合金材料进行时效处理即得。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于具体包括：
1)熔融铸造：保护气体作用下，将Mg、Mg-Tb中间合金、Mg-Ho中间合金及Ni加入熔炉，升温至750～760℃，待Mg及Mg-Tb、Mg-Ho、Ni融化后，降温至720～730℃加入Mn，待Mn融化后，浇铸得铸态镁合金；
2)轧制：将铸态镁合金在400～420℃预热并保温3～8h后进行轧制；
3)时效处理：对经轧制处理后的镁合金材料进行时效处理即得。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述轧制的轧制温度为350～380℃，轧制2～3道次，每道次的压下量为16～25％。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述时效处理的温度为220～240℃，时效时间为8～10h。
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