CN1888108A

CN1888108A - 高强韧高阻尼变形镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN1888108A
Application number: CN 200610010326
Authority: CN
Inventors: 郑明毅; 乔晓光; 吴昆�
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2007-01-03
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: CN100463989C

Abstract

高强韧高阻尼变形镁合金及其制备方法，涉及一种具有高阻尼和优良力学性能的镁基材料及其制备方法。为了解决镁合金的阻尼性能与力学性能的矛盾，本发明提出了向纯镁中添加固溶度小的铜和硅等合金元素，减少位错弱钉扎点的数量，提高阻尼性能；添加锆和锰等细化晶粒的合金元素，提高合金力学性能。不仅对铸锭进行常规热挤压，还进行强烈塑性变形(ECAP，MDF)，调整晶粒取向，并得到超细晶组织，同时提高强韧性和阻尼性能。本发明成功地解决了镁合金的强度与阻尼性能的矛盾，且所用设备均为通用设备，可移植性强，成本低廉，具有广泛的应用前景。

Description

高强韧高阻尼变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有高阻尼和优良力学性能的镁基材料及其制备方法。

背景技术

实用金属材料中，镁及其合金密度最低，被誉为21世纪的超轻量材料。二十世纪九十年代后，随着镁冶炼技术的发展，镁产量迅速增加、价格下降，特别是汽车、电子、通信、宇航和国防军事工业等领域对镁合金需求的日益增加，带来了新一轮镁的研究和应用高潮。除密度低外，镁还有另外一个显著特点：在所有的轻金属材料中，纯镁具有最高的阻尼性能。但是纯镁的强度太低。而实用的结构镁合金，如Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr以及Mg-RE-Zr等系列的镁合金，其强化机制主要为固溶强化、析出强化等，这些固溶的溶质原子和析出相作为镁基面滑移位错的强钉扎点，导致阻尼性能大大降低。随着镁合金研究的发展以及应用领域的拓展，解决阻尼性能和力学性能之间的矛盾，开发同时具有高阻尼和优良力学性能的镁基材料是一个有待解决的重要问题。

发明内容

本发明通过添加合适的合金元素、采用特定的熔炼工艺、变形工艺和热处理工艺制备出高强韧高阻尼变形镁合金，解决了镁合金的阻尼性能与力学性能的矛盾。

本发明的高强韧高阻尼变形镁合金可以有如下三种配比：

(1)Mg-Zr-Cu-Mn镁合金：所述镁合金包括镁、锆、铜和锰，各组分的配比(重量百分比)为：锆0.2～1.0％、铜0.05～0.5％、锰0.05～1.5％、Fe＜0.003％，Ni＜0.003％，其它杂质＜0.06％，余量为镁。

(2)Mg-Cu-Mn-Ce镁合金：所述镁合金包括镁、铜、锰和铈，各组分的配比(重量百分比)为：铜1～10％、锰0.3～8％、铈0.05～0.5％，Fe＜0.003％，Ni＜0.003％，其它杂质＜0.06％，余量为镁

(3)Mg-Si-Cu镁合金：所述镁合金包括镁、硅和铜，各组分的配比(重量百分比)为：硅0.5～5％、铜：0.2～3％，Fe＜0.003％，Ni＜0.003％，其它杂质＜0.06％，余量为镁。

本发明按照如下方法制备高强韧高阻尼变形镁合金：a、熔炼：将纯度大于99.96％的工业高纯镁置于NaOH水溶液中浸泡，烘干后放入铁坩埚中熔化，保护气氛为10vol％ SF₆+90vol％ CO₂，升温至750～850℃，按照上述配比添加合金元素，充分搅拌熔体，静置后捞出熔体表面浮渣，降温至640～680℃浇铸到铁模具中；b、变形：将所熔炼的镁合金铸锭进行常规热挤压变形，控制挤压温度为320～400℃，保温时间为30分钟，挤压速度为50～120mm/min，挤压比为9～16∶1，对常规挤压变形后的镁合金进行强烈塑性变形；c、热处理：对变形后的镁合金进行热处理，控制热处理温度为150～350℃，保温时间为0.5～10小时。

本发明的优点在于：

(1)成分优势：选用了铜和硅等在镁中固溶度极小的合金元素，根据位错阻尼理论，镁合金中的固溶原子浓度小，则可动位错的弱钉扎点数量少，合金的阻尼性能高；选用了锆和锰等细化晶粒的合金元素，提高镁合金的力学性能。

(2)工艺优势：除常规热挤压外，还采用了强烈塑性变形工艺—等通道角挤压技术(ECAP)和多向锻造(MDF)，强烈塑性变形的显著特点为：在不改变材料的截面积的前提下，可对材料进行反复变形，累积应变量可超过10，细化材料组织，调整晶粒取向，获得大块的超细晶粒材料，显著增加材料的强度和塑性。

(3)设备优势：本发明所采用的设备，包括合金熔炼炉、热挤压机、等通道角挤压用压力机和热处理炉，均为常规通用设备，可移植性强，成本低廉。

本方明制备的高强韧高阻尼变形镁合金的性能可达到的指标为：抗拉强度320～380Mpa，屈服强度230～260Mpa，延伸率＞10％，Q^-1＞0.01。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的高强韧高阻尼变形镁合金为Mg-Zr-Cu-Mn合金，各组分的重量百分比为：锆0.2～1.0％、铜0.05～0.5％、锰0.05～1.5％、Fe＜0.003％，Ni＜0.003％，其它杂质＜0.06％，余量为镁。

具体实施方式二：本实施方式的高强韧高阻尼变形镁合金为Mg-Cu-Mn-Ce合金，各组分的重量百分比为：铜1～10％、锰0.3～8％、铈0.05～0.5％，Fe＜0.003％，Ni＜0.003％，其它杂质＜0.06％，余量为镁。

具体实施方式三：本实施方式的高强韧高阻尼变形镁合金为Mg-Si-Cu合金，各组分的重量百分比为：硅0.5～5％、铜：0.2～3％，Fe＜0.003％，Ni＜0.003％，其它杂质＜0.06％，余量为镁。

具体实施方式四：本实施方式按照如下方法制备Mg-Zr-Cu-Mn镁合金：

(1)将纯度大于99.96％的工业高纯镁置于浓度为0.5％的NaOH水溶液中浸泡0.5小时后，在150℃干燥箱中烘干；将干燥的纯镁放入铁坩埚中熔化，保护气氛为10vol％ SF₆+90％ CO₂，升温至750～850℃，按照重量百分比锆0.2～1.0％、铜0.05～0.5％、锰0.05～1.5％添加合金元素。其中锆和锰分别以Mg-25Zr、Mg-20Mn中间合金的形式加入；铜以工业纯单质的形式加入。添加合金元素后，充分搅拌熔体，静置20分钟，捞出熔体表面浮渣，降温至640～680℃浇铸到铁模具中。

(2)将所熔炼的镁合金铸锭进行常规热挤压，热挤压是在水压机上进行的，挤压温度为320～400℃，保温时间30分钟，挤压速度为50～120mm/min，挤压比为9～16∶1。对常规挤压变形后的镁合金进行等通道角挤压变形(EqualChannel Angular Pressing，ECAP)，等通道角挤压模具的两通道间夹角为90°，变形温度为150～350℃，变形速度为20～60mm/min，变形道次为1～8次，每道次间镁合金沿轴线向同一方向旋转90°。

(3)对挤压并等通道角挤压变形后的镁合金进行热处理，热处理温度为150～350℃，保温时间为0.5～10小时。镁合金的力学性能与阻尼性能见表1。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同之处在于，对镁合金铸锭进行热挤压后，进行多向锻造(Multi-Directional Forging，MDF)，多向锻造温度为150～350℃，应变速率为1×10^-3～3×10^-2S^-1。三轴(X，Y，Z)变形顺序为X→Y→Z，X，Y和Z三轴间夹角为90°且满足右手定则；每个方向锻造应变量为0.3～1.0，累积应变量为7～10。镁合金的力学性能与阻尼性能见表1。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同之处在于，纯镁熔融并升温至750～850℃后，按照重量百分比铜1～10％、锰0.3～8％、铈0.05～0.5％添加合金元素。其中锰和铈分别以Mg-20Mn、Mg-30Ce中间合金的形式加入；铜以工业纯单质的形式加入。镁合金的力学性能与阻尼性能见表1。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同之处在于，对镁合金铸锭进行热挤压后，进行多向锻造(Multi-Directional Forging，MDF)，多向锻造温度为150～350℃，应变速率为1×10^-3～3×10^-2S^-1。三轴(X，Y，Z)变形顺序为X→Y→Z，X，Y和Z三轴间夹角为90°且满足右手定则；每个方向锻造应变量为0.3～1.0，累积应变量为7～10。镁合金的力学性能与阻尼性能见表1。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四不同之处在于，纯镁熔融并升温至750～850℃后，按照配比(重量百分比)硅0.5～5％、铜：0.2～3％添加合金元素。硅和铜以工业纯单质的形式加入。镁合金的力学性能与阻尼性能见表1。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同之处在于，对镁合金铸锭进行热挤压后，进行多向锻造(Multi-Directional Forging，MDF)，多向锻造温度为150～350℃，应变速率为1×10^-3～3×10^-2S^-1。三轴(X，Y，Z)变形顺序为X→Y→Z，X，Y和Z三轴间夹角为90°且满足右手定则；每个方向锻造应变量为0.3～1.0，累积应变量为7～10。镁合金的力学性能与阻尼性能见表1。

表1高强韧高阻尼变形镁合金的力学性能与阻尼性能

	合金成分，wt％	屈服强度，MPa	抗拉强度，MPa	延伸率，％	Q^-1
	合金成分，wt％	屈服强度，MPa	抗拉强度，MPa	延伸率，％	Q^-1	具体实施方式五	Mg-0.58Zr-0.2Cu-0.1Mn	135	212	18	0.023
具体实施方式六	142	223	16	0.019		具体实施方式五		135	212	18	0.023
具体实施方式六	142	223	16	0.019	具体实施方式七	Mg-3.2Cu-0.8Mn-0.2Ce		208	308	15	0.015
具体实施方式八	216	319	12	0.013	具体实施方式七			208	308	15	0.015
具体实施方式八	216	319	12	0.013	具体实施方式九		Mg-3.4Si-0.3Cu	192	298	21	0.018
具体实施方式十	203	287	18	0.016	具体实施方式九			192	298	21	0.018

Claims

1、高强韧高阻尼变形镁合金，其特征在于所述镁合金为Mg-Zr-Cu-Mn合金，各组分的重量百分比为：锆0.2～1.0％、铜0.05～0.5％、锰0.05～1.5％％、Fe＜0.003％，Ni＜0.003％，其它杂质＜0.06％，余量为镁。

2、高强韧高阻尼变形镁合金，其特征在于所述镁合金为Mg-Cu-Mn-Ce合金，各组分的重量百分比为：铜1～10％、锰0.3～8％、铈0.05～0.5％，Fe＜0.003％，Ni＜0.003％，其它杂质＜0.06％，余量为镁。

3、高强韧高阻尼变形镁合金，其特征在于所述镁合金为Mg-Si-Cu合金，各组分的重量百分比为：硅0.5～5％、铜：0.2～3％，Fe＜0.003％，Ni＜0.003％，其它杂质＜0.06％，余量为镁。

4、高强韧高阻尼变形镁合金的制备方法，其特征在于所述方法为：a、熔炼：将纯度大于99.96％的工业高纯镁置于NaOH水溶液中浸泡，烘干后放入铁坩埚中熔化，保护气氛为10vol％SF₆+90vol％CO₂，升温至750～850℃，按照权利要求1～3任一配比添加合金元素，充分搅拌熔体，静置后捞出熔体表面浮渣，降温至640～680℃浇铸到铁模具中；b、变形：将所熔炼的镁合金铸锭进行常规热挤压，控制挤压温度为320～400℃，保温时间为30分钟，挤压速度为50～120mm/min，挤压比为9～16∶1，对常规挤压变形后的镁合金进行强烈塑性变形；c、热处理：对变形后的镁合金进行热处理，控制热处理温度为150～350℃，保温时间为0.5～10小时。

5、根据权利要求4所述的高强韧高阻尼变形镁合金的制备方法，其特征在于所述塑性变形为等通道角挤压或多向锻造。

6、根据权利要求4所述的高强韧高阻尼变形镁合金的制备方法，其特征在于所述等通道角挤压的具体工艺参数为：等通道角挤压模具的两通道间夹角为90°，变形温度为150～350℃，变形速度为20～60mm/min，变形道次为1～8次，每道次间镁合金沿轴线向同一方向旋转90°。

7、根据权利要求4所述的高强韧高阻尼变形镁合金的制备方法，其特征在于所述多向锻造的具体工艺参数为：多向锻造温度为150～350℃，应变速率为1×10^-3～3×10^-2S^-1，三轴变形顺序为X→Y→Z，X，Y和Z三轴间夹角为90°且满足右手定则；每个方向锻造应变量为0.3～1.0，累积应变量为7～10。