CN104046870A - 一种高弹性模量镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高弹性模量的镁合金及其制备方法。该镁合金由包括下述重量百分含量的组分制成：1.0-10.0％的铝和/或锌，1.0-15.0％的硅和/或锗，余量为镁；其制备方法是在保护气氛下将纯镁加热熔化，将纯硅加入到纯镁熔体内，搅拌、溶解后，再升温，加入其余组分并搅拌，控制中间合金完全熔化至浇铸时间小于等于3分钟，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭。发明组分配比合理、加工制造容易、价格低廉，制备的高弹性模量镁合金具有高的室温强度和弹性模量，较好的塑性，综合性能明显高于现有的一般镁合金，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属材料及其加工领域，特别涉及一种镁合金及其制备方法。
背景技术
为达到减重增效的目的，汽车制造业对高性能轻质材料的需求量迅速增长，镁合金材料作为可工业化生产的最轻金属结构材料，受到了特别的重视。近年来，航空航天及交通运输工具的速度越来越高，所需的动力功率越来越大，对材料的耐热性能及抗弹性变形能力提出了更高的要求。合金化是提高合金力学性能的有效手段。
由混合定律可知，多相合金的弹性模量是由其组成相的弹性模量及其体积分数决定的。可惜的是，Mg-Al、Mg-Zn以及Mg-Al-Zn系合金中Mg17Al12(47.4GPa)和MgZn2(44.8GPa)等相的弹性模量都比较低，使得合金的弹性模量也比较低，仅为40～45GPa，最终导致其抗弹性变形能力差，不能满足汽车制造业以及工程领域对轻质高强高弹性模量镁合金材料的需求。因此，研发高强高弹性模量镁合金材料的需求已变得非常迫切。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种高弹性模量镁合金，该合金组分配比合理、加工制造容易、价格低廉，可满足室温条件下对要求弹性模量为50～65GPa并且抗拉性能和延展率优异的轻质材料和(或)零部件制造的需求。
本发明提供的高弹性模量镁合金，由包括下述组分按重量百分比的组分制成：
铝和/或锌 1.0-10.0％，
硅和/或锗 1.0-15.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
铝和/或锌、以及硅和/或锗为本发明添加的合金元素，所述铝和/或锌、以及硅和/或锗的总重量百分含量为2-25％。
所述铝和/或锌的重量百分含量优选为5.0-10.0％，最优选为8.0-10.0％。
铝和锌可以同时加入，也可加入其中的一种。当其同时加入时，铝和锌添加重量比为9:1-1:1，优选为3:1-1:1。
所述硅和/或锗的重量百分含量优选为5.0-15.0％，最优选为10.0-15.0％。
硅和锗可以同时加入，也可加入其中的一种。。当其同时加入时，硅和锗添加重量比为4:1-1:1，优选为2:1-1:1。
本发明提供的高弹性模量镁合金，优选由包括下述重量百分含量的组分制成：
铝和/或锌 5.0-10.0％，
硅和/或锗 5.0-15.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
为了细化晶粒，改善晶界结构，提高镁合金的塑性，本发明的制成高弹性模量镁合金的组分，还包含重量百分含量小于等于2％的活性元素X，所述活性元素X选自钛(Ti)、银(Ag)、锆(Zr)、钙(Ca)、钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)中的任意一种。实验证明，小于等于2％的活性元素X的添加可以细化晶粒，改善晶界结构，提高镁合金的塑性。所述活性元素X的重量百分含量优选为0.1-2.0％，更优选为1.0-2.0％。
具体的，所述镁合金由下述组分制成：
铝和/或锌 1-10％，
硅和/或锗 1-15％，
所述活性元素X 小于等于2％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
所述镁合金优选由下述组分制成：
铝和/或锌 1.0-10.0％，
硅和/或锗 1.0-15.0％，
所述活性元素X 1.0-2.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
本发明还提供上述镁合金的方法，包括下述步骤：
按照上述的制备镁合金的组分，将镁锭在Ar气保护气氛下加热至700-720℃，待镁锭熔化后，将硅加入到镁熔体内，搅拌，待硅块全部溶解后，升温至730-740℃，然后，加入其余组分，并搅拌，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭。
所述方法中，Mg用纯镁的方式加入，Si用纯硅的方式加入，所述硅为粒径为1.0～2.0cm的硅块；若制成镁合金的组分中含有锌，锌以纯锌的方式加入镁熔体内，其余组分的均以镁基中间合金的形式添加。
所述方法中，控制镁基中间合金完全熔化至浇铸时间小于等于3分钟，
所述方法还包括将所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理及200-250℃/0.5-6h时效处理后获得镁合金；或者所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理后，于200-350℃进行挤压、热轧或热锻塑性变形处理，然后，进行200-250℃/0.5-6h时效处理，分别获得镁合金的挤压材、热轧材或热锻材。
本发明的高弹性模量镁合金，通过添加合金元素(如Si、Ge等元素)与镁基体发生原位反应生成大量的具有高弹性模量的Mg2Si(120GPa)粒子，从而使本发明所指的镁合金获得了很高的弹性模量。采用本发明所制得的材料(部件)在室温下的抗拉强度大于350MPa，弹性模量为50～65GPa，延伸率不低于4.5％。
综上所述，发明组分配比合理、加工制造容易、价格低廉，制备的高弹性模量镁合金具有高的弹性模量和室温强度，较好的塑性。综合性能明显高于现有的一般镁合金。适于工业化生产。
具体实施方式
以下为本发明的优选实施方式，但本发明的范围不应被理解为只局限于此。
根据本发明，提供的高弹性模量镁合金，由包括下述组分按重量百分比的组分制成：
铝和/或锌 1.0-10.0％，
硅和/或锗 1.0-15.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
铝和/或锌、以及硅和/或锗为本发明添加的合金元素，所述铝和/或锌、以及硅和/或锗的总重量百分含量为2-25％。
所述铝和/或锌的重量百分含量优选为5.0-10.0％，最优选为10.0-10.0％。
铝和锌可以同时加入，也可加入其中的一种。当其同时加入时，铝和锌添加重量比为9:1-1:1，优选为3:1-1:1。
所述硅和/或锗的重量百分含量优选为、5.0-15.0％，最优选为10.0-15.0％。
硅和锗可以同时加入，也可加入其中的一种。。当其同时加入时，硅和锗添加重量比为4:1-1:1，优选为2:1-1:1。
本发明提供的高弹性模量镁合金，优选由包括下述重量百分含量的组分制成：
铝和/或锌 1.0-10.0％，
硅和/或锗 1.0-15.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
为了细化晶粒，改善晶界结构，提高镁合金的塑性，本发明的制成高弹性模量镁合金的组分，还包含重量百分含量小于等于2％的活性元素X，所述活性元素X选自钛(Ti)、银(Ag)、锆(Zr)、钙(Ca)、钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)中的任意一种。实验证明，小于等于2％的活性元素X的添加可以细化晶粒，改善晶界结构，提高镁合金的塑性。所述活性元素X的重量百分含量优选为0.1-2.0％，更优选为1.0-2.0％。
具体的，所述镁合金由下述组分制成：
铝和/或锌 1.0-10.0％，
硅和/或锗 1.0-15.0％，
所述活性元素X小于等于2％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
所述镁合金优选由下述组分制成：
铝和/或锌 1.0-10.0％，
硅和/或锗 1.0-15.0％，
所述活性元素X 1.0-2.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
所述镁合金更优选由下述组分制成：
铝和/或锌 5.0-10.0％，
硅和/或锗 5.0-15.0％，
所述活性元素X 1.0-2.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
所述镁合金最优选由下述组分制成：
铝和/或锌 8.0-10.0％，
硅和/或锗 10.0-15.0％，
所述活性元素X 1.0-2.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
本发明还提供上述镁合金的方法，包括下述步骤：
按照上述的制备镁合金的组分，将镁锭在Ar气保护气氛下加热至700-720℃，待镁锭熔化后，将硅加入到镁熔体内，搅拌，待硅块全部溶解后，升温至730-740℃，然后，加入其余组分，并搅拌，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭。
所述方法中，Mg用纯镁的方式加入，Si用纯硅的方式加入，所述硅为粒径为1.0～2.0cm的硅块；若制成镁合金的组分中含有锌，锌以纯锌的方式加入镁熔体内，其余组分的均以镁基中间合金的形式添加。
所述方法中，控制镁基中间合金完全熔化至浇铸时间小于等于3分钟，
所述方法还包括将所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理及200-250℃/0.5-6h时效处理后获得镁合金；或者所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理后，于200-350℃进行挤压、热轧或热锻塑性变形处理，然后，进行200-250℃/0.5-6h时效处理，分别获得镁合金的挤压材、热轧材或热锻材。
实施例
下述实施例中所述的百分含量如无特别说明，均为重量百分含量。
本发明提供表1-4所示的不同组分配比实施例，组分中杂质含量不超过0.1％，除表格中列出的组分外，剩余的是Mg。
本发明实施例中，按照表1-表4(X选自铝(Al)、钛(Ti)、银(Ag)、锆(Zr)、钙(Ca)、钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)中的任意一种)设计的镁合金组分配比分别取各组分，分别制备镁合金，具体制备方法如下所述：
1、按设计的高弹性模量镁合金组分配比分别取各组分，其中：Mg用纯镁的方式加入，Si、Zn以用纯硅、纯锌的方式加入，其余组分以镁基中间合金的形式加入；
2、将纯镁锭放入铁坩埚中在Ar气保护气氛下加热至710°1，待纯镁锭熔化后，将纯硅用铁丝网盛装加入到纯镁熔体内，纯硅的粒径为1.0～2.0cm的硅块，以300rpm的速度每5min对熔体搅拌一次，待硅块全部溶解后，升温至730°3，然后，依次加入其余组分的中间合金并搅拌，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭。
3、制备的镁合金铸锭，经415℃/12h均匀化处理及215℃/4h时效处理得到的铸件，或者经415℃/12h均匀化处理后热轧、热锻或热挤压，然后，进行215℃/4h时效处理得到的镁合金热加工坯料。将获得的材料进行性能检测，其室温拉伸性能测试方法按GB/T228-2010，试样标距段直径为6mm，标距长度为30mm，拉伸速度为0.5mm/min。
其中：热轧、热锻和热挤压参数为300℃，热轧、热锻、挤压后进行上述的215℃/4h时效处理。
本发明实施例中：
铸锭，经415℃/12h均匀化处理及215℃/12h时效处理得到的铸件，定义为A制备方法。
经415℃/12h均匀化处理后热轧、热锻、热挤压，然后，进行215℃/12h时效处理得到的热加工料分别定义为B、C、D制备方法。
本发明实施例的合金元素重量百分含量、制备方法及力学性能参数见表1、表2、表3和表4。上述方法中X选自铝(Al)、钛(Ti)、银(Ag)、锆(Zr)、钙(Ca)、钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)中的任意一种，经过试验验证，这些活性元素的在上述范围内的选择之间的效果没有明显差异。
从实施例得到的性能参数可以看出：在稀土镁合金中添加一定量的硅和/或锗元素能显著提高其弹性模量，得到高强高模量稀土镁基复合材料，具体的：
1)当硅和/或锗的重量百分含量在1.0-15.0％之间，铝和/或锌的质量百分含量在1.0-10.0％的范围，弹性模量达到50GPa以上，抗拉强度在350MPa以上；
2)硅和/或锗的重量百分含量优选为优选为5.0-15.0％，更优选为8.0-15.0％，最优选为10.0-15.0％。在这个范围内，随着硅和/或锗的重量百分含量增加弹性模量增加，并且，延展率等其他参数也能达到要求的效果。
3)硅和锗可以同时加入，也可加入其中的一种。。当其同时加入时，硅和锗添加重量比为4:1-1:1，优选为2:1-1:1。
5)在本发明的一个优选的技术方案中，所述镁合金所述镁合金优选由下述组分制成：5.0-10.0％的铝和锌(铝和锌的重量比为9：1至1：1)，5.0-15.0％硅和/或锗，1.0-2.0％所述活性元素X，余量为镁；。在该数值范围内弹性模量达到50GPa以上，抗拉强度在350MPa以上，延展率也在5.5％以上。
6)在本发明的另一个优选的技术方案中，所述镁合金由8.0-10.0％的铝和锌(铝和锌的重量比为3：1至1：1)，10.0-15.0％硅和锗(硅和锗的重量比为2：1至1：1)，1.0-2.0％所述活性元素X，余量为镁组成。在该数值范围内弹性模量达到58GPa以上，抗拉强度在350MPa以上，延展率也在6.0％以上。
由此可见，本发明的通过优化了铝和锌、硅和锗的配比，特别是其与活性元素的组配，产生了协同增效的优异效果，大幅度的提高了镁基复合材料的弹性模量和抗拉强度，并且保持了良好的延展性。并且，利用方法B、C或D进行热轧、热锻或热挤压后可明显提高抗拉强度和延展性。
表1制备方法A制备的合金
表2.制备方法B制备的合金
表3.制备方法C制备的合金
表4.制备方法D制备的合金
Claims (12)
1.一种镁合金，由包括下述重量百分含量的组分制成：
铝和/或锌 1.0-10.0％，
硅和/或锗 1.0-15.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为 100％。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金，其特征在于：由包括下述重量百分含量的组分制成：
铝和/或锌 2.0-10.0％，
硅和/或锗 5.0-15.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为 100％。
3.根据权利要求2所述的镁合金，其特征在于：制成镁合金的组分还包括重量百分含量小于等于2％的活性元素X，所述活性元素X选自铝、钛、银、锆、钙、钪、镧、铈、铕、镨、钷、钐中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的镁合金，其特征在于：所述镁合金由下述组分制成：
铝和/或锌 1-10％，
硅和/或锗 1-15％，
所述活性元素X小于等于2％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
5.根据权利要求4所述的镁合金，其特征在于：所述镁合金由下述组分制成：
铝和/或锌 5.0-10.0％，
硅和/或锗 5.0-15.0％，
所述活性元素X 1.0-2.0％，
余量为镁；各组分重量百分之和为100％。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的镁合金，其特征在于：所述镁合金中包括铝和锌，铝和锌添加重量比为9:1-1:1。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的镁合金，其特征在于：所述镁合金 中包括硅和锗，添加重量比为4:1-1:1。
8.制备如权利要求1-7任意一项所述的镁合金的方法，包括下述步骤：
按照权利要求1-7所述的制备镁合金的组分，将镁锭在Ar气保护气氛下加热至700-720℃，待镁锭熔化后，将硅加入到镁熔体内，搅拌，待硅全部溶解后，升温至730-740℃，然后，加入其余组分，并搅拌，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述硅为粒径为1.0～2.0cm的硅块；若制成镁合金的组分中含有锌，锌以纯锌的方式加入镁熔体内，其余组分的均以镁基中间合金的形式添加。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：控制镁基中间合金完全熔化至浇铸时间小于等于3分钟。
11.根据权利要求8-10中任一所述的制备方法，其特征在于：所述方法还包括将所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理及200-250℃/0.5-6h时效处理后获得镁合金。
12.根据权利要求8-10中任一所述的制备方法，其特征在于：所述方法还包括所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理后，于200-350℃进行挤压、热轧或热锻塑性变形处理，然后，进行200-250℃/0.5-6h时效处理，分别获得镁基复合材料的挤压材、热轧材或热锻材。
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