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高強(qiáng)度高硬度鎂合金及其制備方法

文檔序號:3428393閱讀:351來源:國知局
專利名稱:高強(qiáng)度高硬度鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度高硬度鎂合金,具體涉及一種可用于制備航空航天、 汽車工業(yè)承力構(gòu)件的高強(qiáng)度高硬度鎂合金以及制備方法。
背景技術(shù)
4美合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料,其密度只有鋁的2/3,鋼的1/5。其比 強(qiáng)度、比剛度均能達(dá)到或優(yōu)于鋼和鋁合金。鎂合金還具有良好的導(dǎo)熱性、電磁 屏蔽性、抗振動(dòng)性等特點(diǎn);鎂合金對環(huán)境無毒無污染,回收利用的成本低;而 且鎂在地球上儲量極其豐富,約占地殼質(zhì)量的2.7%,海水中鎂的質(zhì)量含量達(dá)到 0.13%。因此鎂合金被視為未來替代傳統(tǒng)金屬材料的新材料,而越來越受到世界 各國的重視。我國是世界上鎂資源最豐富的國家,也是鎂以及鎂合金最大的生 產(chǎn)國和出口國,鎂合金的開發(fā)研究對我國有著特殊的重要意義。目前常見的鎂 合金主要為Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系、Mg-Ca系、Mg-Si系、Mg-RE系等。
現(xiàn)在,鎂及鎂合金在航空航天領(lǐng)域以及民用汽車領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要 的作用。鎂合金用于制造各種民用、軍用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件,螺旋槳,齒輪 箱,支架結(jié)構(gòu)以及火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的一些零部件。鎂合金還可以用于制造汽 車的閥套,離合器殼體,方向盤軸,凸輪罩,剎車托板支架,以及部分高溫部 件,如齒輪箱,曲軸箱,發(fā)動(dòng)機(jī)殼體,油盤等。這些部件大多對強(qiáng)度和耐磨 性能有一定要求,但是鎂及鎂合金的強(qiáng)度與硬度難以達(dá)到要求,普通高強(qiáng)度鎂 合金的強(qiáng)度一般低于350MPa,硬度低于HBIOO,極大的限制了鎂及鎂合金在相 關(guān)工業(yè)中的應(yīng)用。提高鎂及鎂合金的強(qiáng)度和硬度,擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域和服役環(huán)境, 不僅可以減輕工業(yè)零部件的自身重量、大大降低能耗、減少使用成本,還可以 推廣鎂這種綠色金屬材料的應(yīng)用,帶來資源和環(huán)境方面的巨大收益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度高硬度鎂合金及制備方法。通過向鎂中添 加四種常見金屬,大大提高了鎂合金的強(qiáng)度和硬度。本發(fā)明所述鎂合金可以用 于制造航空、航天和汽車工業(yè)用承力結(jié)構(gòu)件,也可用于制造特殊用途的耐磨鎂 合金,或熔覆于常規(guī)鎂合金表面以提高其表面硬度和耐磨性。
本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單,不需要特殊的設(shè)備,有生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
高強(qiáng)度高硬度鎂合金由鎂、鋁、錳、銅、鋅組成,各組分原子百分含量為 鎂:20-50%;其余組元含量相等。
其中,各金屬原料均以固態(tài)方式加入氧化鎂或氧化鋁容器中熔煉,按照高 強(qiáng)度高硬度鎂合金配比要求調(diào)整各組元的加入量,并使用氬氣進(jìn)行保護(hù)。 使用的各種金屬原料均采用市售的常規(guī)產(chǎn)品。 制備高強(qiáng)度高硬度鎂合金的方法有以下步驟
A.按照權(quán)利要求1所述的原料配比取工業(yè)用純金屬鎂、鋁、錳、銅、鋅置 于氧化鎂或氧化鋁容器中;
B.將步驟A所得的坩堝放入電磁感應(yīng)爐內(nèi),用氬氣作為保護(hù)氣氛,溫度為 1000-1200°C,將各金屬原料熔化、攪拌均勻,并在有保護(hù)氣氛或者覆蓋劑下常 溫澆注于銅模中,得到合金鑄坯。
各金屬組元融化后在電磁攪拌作用下均勻混合。由于組元眾多,熔體內(nèi)混 合熵A6^艮高,且由Gibbs自由能方程AG^厶H-rAS可以看出混合焓與混合熵 處于相互竟?fàn)幍牡匚唬邷叵禄旌响仄鹬鲗?dǎo)作用(參見《物理》第37巻(2008 ) 8期,p600,作者張勇)。在高溫下,高混合熵效應(yīng)能顯著降低熔體系統(tǒng)的自由 能AG,使各元素處于隨即混合狀態(tài)時(shí)比形成金屬間化合物更加穩(wěn)定(參見《材 料導(dǎo)報(bào)》第20巻(2006) 4期,p4,作者劉源)。因此熔體快速凝固后,不產(chǎn)生 復(fù)雜的金屬間化合物,而形成原子堆垛緊密的固溶體結(jié)構(gòu);雖然各組元密度不 同,但來不及產(chǎn)生宏觀偏析,從而保證了顯微結(jié)構(gòu)和宏觀成分的均勻性。本發(fā)明的有益效果是
1. 大大提高了鎂合金的強(qiáng)度,而且密度較低,獲得強(qiáng)度和比強(qiáng)度明顯優(yōu)于現(xiàn) 有高強(qiáng)度鎂合金的新型鎂合金。
2. 大大提高了鎂合金的硬度,克服了鎂以及鎂合金不耐磨的弱點(diǎn)。而且可以 熔覆于常規(guī)鎂合金表面,以明顯提高其耐磨性能,延長使用壽命。
3. 本發(fā)明使用的原料價(jià)格便宜,資源相對豐富,不大量使用稀有、貴重金屬 提高鎂合金性能;工藝相對簡單,適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
4. 本發(fā)明拓寬了鎂合金在工業(yè)中使用的范圍。
本發(fā)明方法操作簡單,由于使用的原料和設(shè)備均為市場常見產(chǎn)品,因此還 具有成本低廉,適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)。


圖1:合金中Mg物質(zhì)的量百分比與顯微硬度關(guān)系
圖2:合金中Mg物質(zhì)的量百分比與顯微硬度關(guān)系(730K退火1小時(shí)處理) 圖3:合金中Mg物質(zhì)的量百分比濃度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系 圖4:合金中Mg物質(zhì)的量百分比濃度與延伸率關(guān)系 圖5:合金中Mg物質(zhì)的量百分比濃度與密度關(guān)系
具體實(shí)施例方式
取工業(yè)用純金屬鎂、鋁、錳、銅、鋅置于氧化鎂或者氧化鋁容器中,金屬 鎂、鋁、錳、銅、鋅各元素的原子百分比為鎂20%-50%,其余金屬比例相等。 本實(shí)施例用氧化4美或者氧化鋁容器,所述容器為坩堝。本發(fā)明盛裝熔煉金屬的 容器采用氧化鎂或者氧化鋁作為容器,是為避免在制備過程中帶入本合金以外 的其它元素。坩堝放入電磁感應(yīng)爐內(nèi),用氬氣做保護(hù)氣氛,溫度為1000-1200°C, 將各金屬原料熔化、攪拌l-3分鐘。如果熔煉攪拌的時(shí)間為l分鐘,則鎂與鋅兩 種金屬分別另外多加5%彌補(bǔ)燒損,如果熔煉攪拌時(shí)間為2-3分鐘,則鎂與鋅分 別多力。10%彌補(bǔ)燒損。并在有氣氛保護(hù)或者覆蓋劑保護(hù)的情況下常溫澆注于模具中,本發(fā)明采用銅模,同樣是為避免帶入本合金以外的其它元素,快速凝固 后取出鑄錠為高石嫂鎂合金。
坩堝放入電磁感應(yīng)爐內(nèi),用氬氣做保護(hù)氣氛,溫度為1000-1200°C,將各金 屬原料熔化、攪拌l-3分鐘。攪拌時(shí)采用電磁攪拌,以保證熔體內(nèi)各組元成分的 均勻性。在有氣氛保護(hù)或者覆蓋劑保護(hù)的情況下常溫澆注于銅模中,快速凝固 后取出鑄錠為高強(qiáng)度高硬度鎂合金。攪拌時(shí)采用電磁攪拌,以保證熔體內(nèi)各組 元成分的均勻性。澆注時(shí),用氬氣做保護(hù)氣氛,也可以用覆蓋劑保護(hù),以防止 高溫下鎂在空氣中氧化而引起燒損,所述覆蓋劑選用無水光卣石或者JDMF覆 蓋劑,與采用氬氣啦文保護(hù)氣氛的效果相當(dāng)。
參見圖1-圖5。 實(shí)施例1
取鎂14.6克,鋁16.2克,錳33克,銅38.4克,鋅39克,按照上述方法熔 煉制成高強(qiáng)度高硬度鎂合金。所得合金鑄錠通過顯微硬度計(jì)測定(載荷9.807N, 時(shí)間20秒),硬度為HV440 (HB415)。在730K溫度下,退火1小時(shí),硬度為 HV439 (HB415)。所得合金鑄錠通過Gleeble 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮測定,強(qiáng) 度為428.3MPa、延伸率3.3%。排水法測定密度為4.2g/cm3。 實(shí)施例2
取鎂21.2克,鋁12.2克,錳24.8克,銅28.8克,鋅29.3克,按照上述方法 熔煉制成高硬度鎂合金。所得合金鑄錠通過顯微硬度計(jì)測定(載荷9.807N,時(shí) 間20秒),硬度為HV315( HB300 )。在730K溫度下,退火1小時(shí),硬度為HV313 (HB296)。所得合金鑄錠通過Gleeble 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮測定,強(qiáng)度為 436.9MPa、延伸率3.4%。排水法測定密度為3.3g/cm3。 實(shí)施例3
取鎂25.7克,鋁9.6克,錳19.5克,銅22.7克,鋅23.8克,按照上述方法 熔煉制成高硬度鎂合金。所得合金鑄錠通過顯微硬度計(jì)測定(載荷9.807N,時(shí)間20秒),硬度為HV256( HB244 )。在730K溫度下,退火1小時(shí),硬度為HV226 (HB188)。所得合金鑄錠通過Gleeble 1500熱沖莫擬試-驗(yàn)機(jī)壓縮測定,強(qiáng)度為 491.3MPa、延伸率3.7%。排水法測定密度為2.5g/cm3。 實(shí)施例4
取鎂34.3克,鋁11.5克,錳23.7克,銅27.5克,鋅27.9克,按照上述方法 熔煉制成高硬度鎂合金。所得合金鑄錠通過顯微硬度計(jì)測定(載荷9.807N,時(shí) 間20秒),硬度為HV226 ( HB226 )。所得合金鑄錠通過Gleeble 1500熱模擬試 驗(yàn)機(jī)壓縮測定,強(qiáng)度為482.7MPa、延伸率4.0%。排水法測定密度為2.3g/cm3。 實(shí)施例5
取鎂23.2克,鋁6.5克,錳13.3克,銅15.5克,鋅15.8克,按照上述方法 熔煉制成高硬度鎂合金。所得合金鑄錠通過顯微硬度計(jì)測定(載荷9.807N,時(shí) 間20秒),硬度為HV178( HB178 )。在730K溫度下,退火1小時(shí),硬度為HV176 (HB176)。所得合金鑄錠通過Gleeble 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮測定,強(qiáng)度為 399.7MPa、延伸率4.5%。排水法測定密度為2.2g/cm3。 結(jié)論
按照本發(fā)明專利所述方法,可制得4美含量在20-50% (物質(zhì)的量百分比)的 高強(qiáng)度高硬度鎂合金。所述鎂合金可以用于制造航空航天或者汽車工業(yè)的承力 結(jié)構(gòu)件;制備特殊用途的耐磨鎂合金,或熔覆于常規(guī)鎂合金表面以提高其表面 石更度和耐磨性。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度高硬度鎂合金,其特征在于所述合金由鎂、鋁、錳、銅、鋅五種金屬組成,其各組分原子百分含量為鎂20%-50%;其余元素等比例。
2. 制備權(quán)利1所述的高強(qiáng)度高硬度鎂合金的方法,其特征在于有以下步驟A. 按照權(quán)利要求1所述的原料配比取工業(yè)用純金屬鎂、鋁、錳、銅、鋅置 于氧化鎂或氧化鋁容器中;B. 將步驟A所得的坩堝放入電磁感應(yīng)爐內(nèi),用氬氣作為保護(hù)氣氛,溫度為 1000-120(TC,將各金屬原料熔化、攪拌均勻,并在有保護(hù)氣氛或者覆蓋劑下常 溫澆注于銅模中,得到合金鑄坯。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于步驟B)中所述的攪拌的時(shí) 間為l分鐘時(shí),則鎂與鋅兩種金屬分別另外再加5%;攪拌時(shí)間為2-3分鐘時(shí), 則鎂與鋅分別另外再加10%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于步驟B)中所述的保護(hù)氣氛為 氬氣o
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于步驟B)中所述的保護(hù)覆蓋劑 為無水光卣石或者JDMF覆蓋劑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于步驟B)所述的澆注模具為純 銅模具。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于步驟B)所述的攪拌采用電磁攪拌。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于步驟A)中所述的容器為氧 化鎂坩堝或氧化鋁坩堝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度高硬度鎂合金及制備方法。合金的成分為鎂、鋁、錳、銅、鋅,其中鎂的原子百分比為20%-50%,其余元素物質(zhì)的量百分比相等;在電磁感應(yīng)爐內(nèi)采用攪拌鑄造法熔煉制成,熔煉及澆注過程中采用氬氣保護(hù);熔煉溫度1000-1200℃,澆注溫度為室溫。本發(fā)明提供的高強(qiáng)度高硬度鎂合金強(qiáng)度和比強(qiáng)度均明顯優(yōu)于普通鎂合金,而且與金屬鎂以及鎂合金結(jié)合性能良好。本發(fā)明所述高強(qiáng)度高硬度鎂合金可用于制造航空航天、汽車工業(yè)承力構(gòu)件,用于制備耐磨性能優(yōu)異的特殊鎂合金,或者熔覆于常規(guī)鎂合金表面以提高其耐磨性能。本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單,不需要特殊的設(shè)備,有生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C22C30/06GK101525712SQ20091010334
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者銳 李, 勇 王, 科 范, 高家誠 申請人:重慶大學(xué)
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