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一種高強韌鑄造鎂合金及其制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510675666.1

申請日:

2015.10.18

公開號:

CN105177382A

公開日:

2015.12.23

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):C22C 23/00申請日:20151018|||公開
IPC分類號: C22C23/00; C22C1/03; C22F1/06 主分類號: C22C23/00
申請人: 河北工業大學
發明人: 趙維民; 孟帥舉; 余暉; 秦春玲; 王志峰
地址: 300130 天津市紅橋區丁字沽光榮道8號河北工業大學330#
優先權:
專利代理機構: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210 代理人: 趙鳳英
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510675666.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.12.07|||2016.01.20|||2015.12.23

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明為一種高強韌鑄造鎂合金,該合金為Mg-Bi-Ca-Zn合金,其組分的質量百分比為:Bi?3~8.0wt%;Ca?0.1~1.2wt%;Zn?0.1~2.0wt%,其余為Mg。本發明的鎂合金以Bi元素作為主要合金元素,通過簡單的合金化手段,形成大量的Mg3Bi2相,輔以少量的Ca元素和Zn元素來提高合金的強度,同時Ca元素有改善Mg3Bi2相形貌和分布的作用,從而改善合金的塑性,進而在Mg-Bi合金系列中開發出高強韌的鑄造鎂合金,該鑄造鎂合金具有較高的強度,同時具有較高的塑性,成分優化后合金的抗拉強度達到270MPa左右,屈服強度達到145MPa左右,延伸率10.0%左右,既達到了與稀土鎂合金相媲美的強度,同時兼具較高的延伸率。

權利要求書

權利要求書
1.  一種高強韌鑄造鎂合金,其特征為該合金為Mg-Bi-Ca-Zn合金,其組分的質量百分比為:Bi3~8.0wt%;Ca0.1~1.2wt%;Zn0.1~2.0wt%,其余為Mg。

2.  如權利要求1所述的高強韌鑄造鎂合金的制備方法,其特征為包括以下步驟:
1)配料:以純Mg錠、純Bi塊、純Zn塊和Mg-Ca中間合金為原料,按照所述的鎂合金成分進行配料;
2)熔煉:將純Mg錠放入熔煉爐的坩堝中,設定爐溫700~730℃并保持,待其熔化后,分別將預熱到200~250℃的純Bi塊、純Zn塊和Mg-Ca中間合金加入到鎂熔液中;接著升高熔煉溫度10~20℃,并保溫5~15分鐘,然后攪拌3~10分鐘,進行精煉除氣處理;
3)澆注:將爐溫調低10~30℃至澆注溫度,保溫2~10分鐘后,將鎂合金熔體澆注到相應的模具中,制得鑄態鎂合金;從熔煉到澆注的整個過程中均在CO2/SF6混合氣體保護下進行;
4)固溶:對得到的鑄態鎂合金進行固溶處理,固溶處理溫度為500~530℃,時間為4~12小時,用40~80℃溫水淬火;固溶處理的加熱和保溫過程中通入惰性氣體(氬氣)進行保護;
5)時效處理:對固溶后的合金進行先在300~350℃下保溫0.5~2小時,再在150~200℃下保溫8~24小時的雙級時效處理,制得所述高強韌鑄造鎂合金。

3.  如權利要求2所述的高強韌鑄造鎂合金的制備方法,其特征為所述的Mg-Ca中間合金優選為Mg-20Ca。

4.  如權利要求2所述的高強韌鑄造鎂合金的制備方法,其特征為所述的CO2/SF6混合氣體組成優選為體積比CO2:SF6=100:1。

說明書

說明書一種高強韌鑄造鎂合金及其制備方法
技術領域
本發明屬于金屬材料類及冶金領域,涉及一種低成本非稀土型高強韌鑄造鎂合金及其制備方法;該新型鎂合金可作為潛在的耐熱鎂合金及生物醫用鎂合金材料。
背景技術
鎂合金具有比強度高,比剛度高,鑄造性能好,電磁屏蔽性能好,切削加工性能優良,同時易于回收再利用等諸多優點,使其在電子、航空航天和軌道交通領域得到了廣泛的應用,尤其是隨著現代汽車工業對減重和環保的需求越來越迫切,開發低成本的輕質高強鎂合金越來越得到各個國家的重視。
在現有鎂合金的應用中,鑄造鎂合金所占的比例達到90%左右,其中使用量較大的商用鑄造鎂合金包括AZ91D、AM60B、AS41和AE42等,這些鎂合金主要應用于制備變速箱殼體,方向盤骨架和儀表盤等一般零部件。但是以上商用鑄造鎂合金的強度不足以滿足承重組件對力學性能的要求。這主要是由于在凝固過程中,高Al含量的AZ系列鎂合金的強化相,Mg17Al12相以離異共晶的形式沿晶界呈網狀析出,導致合金的塑性較低,在受力時,過早開裂而使得合金強度也不高。因此,開發新型高強韌鑄造鎂合金是鑄造鎂合金開發熱點之一。
鑄造鎂合金主要依靠合金化方法配合合適的熱處理工藝產生晶界強化、固溶強化和沉淀強化作用,其中通過時效處理產生析出強化是提高鎂合金強度,從而獲得高強韌鑄造鎂合金的重要手段之一。現有技術中,CN102534330A公開了一種高強度鑄造鎂合金,該合金的組分的重量百分數為Gd8~14wt%、Y1~5wt%、Al0.6~2wt%,其余為鎂及不可避免的雜質元素,經過固溶和時效處理后,該合金的抗拉強度在300~355MPa之間,屈服強度210~255MPa之間,延伸率在2~8%之間,具有較高的強度。但該合金中需要添加大量的Gd、Y等較昂貴的稀土元素,直接增加了合金的成本,并且增加了合金的密度,還會導致鑄造成形性能變差。CN1752251公開了一種高強度鎂合金及其制備方法,其組成成分的重量百分比分別為:Nd2.5~3.6wt%、Zr0.35~0.8wt%、Zn含量不大于0.4wt%、Ca含量不大于0.5wt%,其余為鎂及不可避免雜質。該合金經過固溶和時效處理后,具有較高的力學性能,抗拉強度280~320MPa,屈服強度140~155MPa,延伸率5~12%,并且合金中同樣含有較多的貴重元素(Nd2.5~3.6wt%),間接提高了合金的成本。CN102560211A公開了一種含Gd的鑄造鎂合金及其制備方法,其組成成分的重量百分比分別為:Zn6wt%、Y1wt%、Zr0.6wt%、Gd0.5~1.0wt%,余量為鎂及不可避免雜質。經熱處理后合金的抗拉強度達到285MPa,延伸率為8.7%。但該合金中需要添加大量的Gd、Y、Zr等較昂貴的稀土元素,直接增加了合金的成本.限制了合金的進一步推廣應用。
可見,開發低成本非稀土高強韌鑄造鎂合金,對于降低合金成本,最終實現鎂合金在汽車零部件等民用領域上的應用,具有重要意義。
發明內容
本發明的針對上述已有技術存在的問題,提供一種高強韌鑄造鎂合金及其制備方法。本發明的新型Mg-Bi-Ca-Zn合金,利用Ca元素有改變Mg3Bi2相形貌和分布的作用,使得合金中的Mg3Bi2相變得細小、分散,并通過恰當溫度和時間的固溶處理和時效處理手段,調控合金中強化相,最終獲得高強韌鑄造鎂合金,其原材料及制備成本低廉。
本發明的技術方案是:
一種高強韌鑄造鎂合金,為Mg-Bi-Ca-Zn合金,其組分的質量百分比為:Bi3~8.0wt%;Ca0.1~1.2wt%;Zn0.1~2.0wt%,其余為Mg。
所述的高強韌鑄造鎂合金的制備方法,包括以下步驟:
1)配料:以純Mg錠、純Bi塊、純Zn塊和Mg-Ca中間合金為原料,按照所述的鎂合金成分進行配料;
2)熔煉:將純Mg錠放入熔煉爐的坩堝中,設定爐溫700~730℃并保持,待其熔化后,分別將預熱到200~250℃的純Bi塊、純Zn塊和Mg-Ca中間合金加入到鎂熔液中;接著升高熔煉溫度10~20℃,并保溫5~15分鐘,然后攪拌3~10分鐘,進行精煉除氣處理;
3)澆注:將爐溫調低10~30℃至澆注溫度,保溫2~10分鐘后,將鎂合金熔體澆注到相應的模具中,制得鑄態鎂合金;從熔煉到澆注的整個過程中均在CO2/SF6混合氣體保護下進行;
4)固溶:對得到的鑄態鎂合金進行固溶處理,固溶處理溫度為500~530℃,時間為4~24小時,用40~80℃溫水淬火;固溶處理的加熱和保溫過程中通入惰性氣體(氬氣)進行保護;
5)時效處理:對固溶后的合金進行先在300~350℃下保溫0.5~2小時,再在150~200℃下保溫8~24小時的雙級時效處理,制得所述高強韌鑄造鎂合金。
所述的Mg-Ca中間合金優選為Mg-20Ca。
所述的CO2/SF6混合氣體組成優選為體積比CO2:SF6=100:1。
上述超高強度新型鎂合金的制備方法,所用的原材料和設備均通過公知的途徑獲得,所用的操作工藝是本技術領域的技術人員所能掌握的。
本發明的實質性特點為:
本發明的鎂合金以Bi為主要合金化元素,因為在553℃時Bi在Mg中的極限固溶度為8.73wt%,而在200℃時Bi在Mg中的固溶度幾乎為零,因此Bi元素的加入,并配合合適的固溶和時效處理,可以保障合金具有良好的時效析出強化效果。合金中的高熔點Mg3Bi2相(熔點為823℃),其高熱穩定性可以與鎂-稀土相的熱穩定性相媲美,而價格低廉,Mg3Bi2相可有效釘扎晶界的移動,阻礙位錯運動,抑制熱處理時晶粒長大,進而提高合金的力學性能。Ca元素由于其資源豐富、價格低廉及低密度等優點,是鎂合金中常用的合金化元素,可以用來提高鎂合金的抗氧化性及機械性能,Ca在AZ系鎂合金中具有較好的晶粒細化作用,也是耐熱鎂合金中常用的合金化元素之一。我們通過實驗發現添加適量Ca元素具有改善合金中Mg3Bi2相形貌和分布的作用,從而可以改善合金的塑性。此外,合金中Zn元素的少量加入,可以增強Bi在合金中的時效析出效果,同時起到一定的固溶強化作用。
與現有技術相比,本發明的顯著進步與優點在于:
1)本發明的鎂合金以Bi元素作為主要合金元素,通過簡單的合金化手段,形成大量的 的Mg3Bi2相,輔以少量的Ca元素和Zn元素來提高合金的強度,從而在Mg-Bi合金系列中開發出高強韌的鑄造鎂合金,該鑄造鎂合金具有較高的強度,同時具有較高的塑性,成分優化后合金的抗拉強度達到270MPa左右,屈服強度達到145MPa左右,延伸率10.0%左右,既達到了與稀土鎂合金相媲美的強度,同時兼具較高的延伸率。
2)本發明通過實驗研究,首次發現Ca元素具有改善合金中Mg3Bi2相形貌和分布的作用,從而可以改善合金的塑性,這對于今后Mg-Bi系合金的設計具有廣泛的指導意義。
3)本發明中Mg-Bi-Ca-Zn合金的制備方法,由于所采用的原料中金屬Bi(熔點271℃)和Zn,以及和Mg-Ca中間合金的熔點都比較低,與含稀土的鎂合金和含銅元素等的鎂合金相比較,熔煉時更容易使合金混合均勻,從而節省能源。由于合金中強化相Mg3Bi2相是原位生成的,所以現有的鎂合金熔煉和熱處理設備都可對其進行加工,無需額外改進,對生產設備的要求低。(設備簡單,生產效率高)
4)本發明所開發合金具有作為耐熱鎂合金的前景。合金中的強化相(Mg3Bi2相)熔點較高(熔點為823℃),可以和鎂稀土合金中的強化相的熱穩定性相媲美,所以在高溫時,由于熱穩定性較好,其強化作用仍能保持,從而可以提高合金的耐熱性能。
5)本發明鎂合金合金成本低廉。由于不含稀土等貴重金屬,用于原位生成高熱穩定性的Mg3Bi2相的金屬Bi價格低廉,合金成本低(稀土一般1000到5000元每公斤,而本專利所用的金屬Bi每公斤只用200元左右);可以廣泛用于汽車上鑄造零部件等民用用途。
6)本合金的主要合金元素Bi元素對環境和人體沒有毒害作用,屬于環境友好型材料,本合金也有希望作為生物醫用材料應用。
7)本發明成分的合金在鑄態和固溶態時,由于Mg3Bi2相的形貌和分布被Ca元素所改善,從而便于塑性加工,可以用于擠壓等塑性加工,生產性能更高的材料。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合附圖對本發明做進一步的描述。
圖1為鑄態Mg-6Bi合金和實施例1,2,3中得到的鑄態合金的微觀組織形貌;其中,圖1a為Mg-6Bi合金的鑄態微觀組織形貌;圖1b為Mg-4Bi-0.3Ca-1.0Zn合金的鑄態微觀組織形貌;
圖1c為Mg-6.0Bi-0.5Ca-1.0Zn合金的鑄態微觀組織形貌;圖1d為Mg-7.0Bi-0.7Ca-1.0Zn合金的鑄態微觀組織形貌.
圖2為經過熱處理后Mg-6Bi合金和實施例1,2,3中經過熱處理之后得到相應合金的微觀組織形貌;其中,圖2a為Mg-6Bi合金經過熱處理后的微觀組織形貌;圖2b為Mg-4Bi-0.3Ca-1.0Zn合金經過熱處理后的微觀組織形貌;圖2c為Mg-6.0Bi-0.5Ca-1.0Zn合金經過熱處理后的微觀組織形貌;圖2d為Mg-7.0Bi-0.7Ca-1.0Zn合金經過熱處理后的微觀組織形貌.
圖3為實施例1、實施例2、實施例3經過熱處理后所得合金的典型拉伸曲線。
具體實施方式
下面用具體實施方式對本發明(的技術方案)做進一步說明,以下實施例均在本發明 技術方案為前提下進行實施,給出了詳細的實施方式和具體的操作過程,但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
選取三種合金成分Mg-4Bi-0.3Ca-1.0Zn(wt%)(合金1)、Mg-6.0Bi-0.5Ca-1.0Zn(wt%)(合金2)、Mg-7.0Bi-0.7Ca-1.0Zn(wt%)(合金3)作為典型例子。
按照本發明的技術方案,選取純Mg(99.8wt%)、純Bi(99wt%)、純Zn(99.9wt%)和Mg-20Ca(Ca實際檢測含量為20.01wt%)中間合金為原料,經配料、熔煉、澆注和熱處理,獲得所需鎂合金,并對所得合金微觀組織和力學性能進行檢測分析。
實施例1
(1)按合金Mg-4Bi-0.3Ca-1.0Zn(wt%)的質量百分比稱取原料:純Bi、純Zn、Mg-20Ca,其余為Mg(每1000克目標合金可由15克Mg-20Ca,10g克Zn,40克Bi和935克Mg配制而成)。并做好原料表面處理(如去除污物,氧化皮等)。
(2)首先將熔煉爐清理干凈并加熱至450℃,將預熱到200℃的鎂錠放入熔煉爐的坩堝中,設定爐溫720℃,緩慢加熱,升溫速率為20~40℃/min,并保持設定爐溫;
(3)待純鎂錠全部熔化后,分別將預熱至200℃左右的純Bi、純Zn和Mg-20Ca中間合金加入到鎂熔體中,將爐溫升至730℃,保溫5~10分鐘,然后機械攪拌3~5分鐘,然后充入氬氣氣體進行精煉除氣,之后將爐溫調至澆注溫度720℃,靜置2~10分鐘,澆注到模具中制得鑄態合金。從熔煉到澆注的整個過程中均在CO2/SF6混合氣體保護下進行,CO2:SF6體積比為100:1;本實施例合金鑄態微觀組織如圖1b所示。
(4)固溶:對得到的合金進行固溶處理:在固溶處理溫度為510℃,時間為4小時,用40~80℃溫水淬火。固溶處理的加熱和保溫過程中通入惰性氣體(氬氣)進行保護。
(5)時效:對得到的合金進行先在300℃下保溫0.5小時,再在160℃下保溫16小時的雙級時效處理,制得所要鎂合金。
本實施例合金時效處理后微觀組織如圖2b所示。合金的抗拉強度達到264MPa,屈服強度達到140MPa,延伸率12.5%。
實施例2
(1)按合金(Mg-6.0Bi-0.5Ca-1.0Zn)的質量百分比稱取原料:純Bi、純Zn、Mg-20Ca,其余為Mg;并做好原料表面處理(如去除污物,氧化皮等)。
(2)首先將熔煉爐清理干凈并加熱至450℃,將預熱到200℃的鎂錠放入熔煉爐的坩堝中,設定爐溫720℃,緩慢加熱升溫速率為20~40℃/min,并保持設定爐溫;
(3)待純鎂錠全部熔化后,分別將預熱至200℃左右的純Bi和純Zn和Mg-20Ca中間合金加入到鎂熔體中,將爐溫升至730℃,保溫5~10分鐘,然后機械攪拌3~5分鐘,然后充入氬氣氣體進行精煉除氣,之后將爐溫調至澆注溫度720℃,靜置2~10分鐘,澆注制得鑄態合金。從熔煉到澆注的整個過程中均在CO2/SF6混合氣體保護下進行,CO2:SF6體積比為100:1;本實施例合金鑄態微觀組織如圖1c所示。
(4)固溶:對得到的合金進行固溶處理:在固溶處理溫度為510℃,時間為4小時,用40~80℃ 溫水淬火。固溶處理的加熱和保溫過程中通入惰性氣體(氬氣)進行保護。
(5)時效:對得到的合金進行先在300℃下保溫0.5小時,再在160℃下保溫16小時的時效處理,制得所要鎂合金。
本實施例合金時效處理后微觀組織如圖2c所示。合金的抗拉強度達到268MPa,屈服強度達到147MPa,延伸率10.4%。
實施例3
(1)按合金(Mg-7.0Bi-0.7Ca-1.0Zn)的質量百分比稱取原料:純Bi、純Zn、Mg-20Ca,其余為Mg;并做好原料表面處理(如去除污物,氧化皮等)。
(2)首先將熔煉爐清理干凈并加熱至450℃,將預熱到200℃的鎂錠放入熔煉爐的坩堝中,設定爐溫720℃,緩慢加熱升溫速率為20~40℃/min,并保持設定爐溫;
(3)待純鎂錠全部熔化后,分別將預熱至200℃左右的純Bi和純Zn和Mg-20Ca中間合金加入到鎂熔體中,將爐溫升至730℃,保溫5~10分鐘,然后機械攪拌3~5分鐘,然后充入氬氣氣體進行精煉除氣,之后將爐溫調至澆注溫度720℃,靜置2~10分鐘,澆注制得鑄態合金。從熔煉到澆注的整個過程中均在CO2/SF6混合氣體保護下進行,CO2:SF6體積比為100:1;本實施例合金鑄態微觀組織如圖1d所示。
(4)固溶:對得到的合金進行固溶處理:在固溶處理溫度為510℃,時間為4小時,用40~80℃溫水淬火。固溶處理的加熱和保溫過程中通入惰性氣體(氬氣)進行保護。
(5)時效:對得到的合金進行先在300℃下保溫0.5小時,再在160℃下保溫16小時的時效處理,制得所要鎂合金。
本實施例合金時效處理后微觀組織如圖2d所示。合金的抗拉強度達到274MPa,屈服強度達到149MPa,延伸率9.6%,
顯微組織和力學性能對比分析:
圖1a是在相同實驗條件下得到的Mg-6Bi合金的鑄態顯微組織,從中可以看出鑄態Mg-6Bi中的Mg3Bi2相十分粗大,在晶界處連接成網狀,在隨后的固溶處理中,粗大的第二相會比較難以溶解。圖1b,c,d分別是實施例1,2,3的鑄態顯微組織,對比Mg-6Bi合金的鑄態顯微組織(圖1a),明顯的發現實施例1,2,3合金中的Mg3Bi2相均變得細小。
圖2a是在經過固溶時效熱處理后Mg-6Bi合金的顯微組織,從中可以看出鑄態Mg-6Bi中在晶界處連接成網狀的粗大Mg3Bi2相仍然保持較大的尺寸,這一方面說明在固溶階段,固溶進基體的Bi元素的含量較少,另一方面可以看出其時效處理后析出的第二相也大大減少,從而難以獲得強烈的時效析出效果。此外,依然存在的較大尺寸的第二相將會割裂基體,使合金的塑性降低。圖2b,c,d分別是實施例1,2,3經過固溶時效熱處理后的顯微組織,可以明顯地發現實施例1,2,3合金中的Mg3Bi2相變得圓潤、細小,同時有大量的析出相出現,這將極大地有利于合金強度的提高,同時未完全固溶進基體的第二相由于變得圓潤、細小,彌散分布在基體中,也會起到一定的彌散強化作用,并且不會對合金的塑性造成大量的降低。可見 Ca元素有細化合金中的Mg3Bi2相的作用,有利于其隨后的熱處理。
圖3為實施例1、實施例2、實施例3的室溫拉伸曲線。從中可以看出合金的抗拉強度達到270MPa左右,屈服強度達到145MPa左右,延伸率10.0%左右,既有較高的力學性能,同時兼具較高的延伸率。說明該合金是一種高強韌鎂合金。另一方面,隨著Bi含量的升高,實施例1,2,3的強度逐漸升高,延伸率略有下降,這主要是在Mg3Bi2相地數量隨著Bi含量的升高而增多,這一方面會提高合金的強度,另一方面又會降低合金的塑性。
本發明未盡事宜為公知技術。

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