一種高彈性模量鎂合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高彈性模量的鎂合金及其制備方法。該鎂合金由包括下述重量百分含量的組分制成：1.0-10.0％的鋁和/或鋅，1.0-15.0％的硅和/或鍺，余量為鎂；其制備方法是在保護(hù)氣氛下將純鎂加熱熔化，將純硅加入到純鎂熔體內(nèi)，攪拌、溶解后，再升溫，加入其余組分并攪拌，控制中間合金完全熔化至澆鑄時(shí)間小于等于3分鐘，精煉扒渣，澆鑄，得到鑄錠。發(fā)明組分配比合理、加工制造容易、價(jià)格低廉，制備的高彈性模量鎂合金具有高的室溫強(qiáng)度和彈性模量，較好的塑性，綜合性能明顯高于現(xiàn)有的一般鎂合金，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】一種高彈性模量鎂合金及其制備方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明涉及有色金屬材料及其加工領(lǐng)域，特別涉及一種鎂合金及其制備方法。 【背景技術(shù)】
[0002] 為達(dá)到減重增效的目的，汽車制造業(yè)對(duì)高性能輕質(zhì)材料的需求量迅速增長(zhǎng)，鎂合 金材料作為可工業(yè)化生產(chǎn)的最輕金屬結(jié)構(gòu)材料，受到了特別的重視。近年來(lái)，航空航天及交 通運(yùn)輸工具的速度越來(lái)越高，所需的動(dòng)力功率越來(lái)越大，對(duì)材料的耐熱性能及抗彈性變形 能力提出了更高的要求。合金化是提高合金力學(xué)性能的有效手段。
[0003] 由混合定律可知，多相合金的彈性模量是由其組成相的彈性模量及其體積分?jǐn)?shù)決 定的?？上У氖牵琈g-Al、Mg-Zn 以及Mg-Al-Zn系合金中Mg17Al12(47. 4GPa)和MgZn2(44. 8GPa) 等相的彈性模量都比較低，使得合金的彈性模量也比較低，僅為40?45GPa，最終導(dǎo)致其抗 彈性變形能力差，不能滿足汽車制造業(yè)以及工程領(lǐng)域?qū)p質(zhì)高強(qiáng)高彈性模量鎂合金材料的 需求。因此，研發(fā)高強(qiáng)高彈性模量鎂合金材料的需求已變得非常迫切。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種高彈性模量鎂合金，該合金組 分配比合理、加工制造容易、價(jià)格低廉，可滿足室溫條件下對(duì)要求彈性模量為50?65GPa并 且抗拉性能和延展率優(yōu)異的輕質(zhì)材料和（或）零部件制造的需求。
[0005] 本發(fā)明提供的高彈性模量鎂合金，由包括下述組分按重量百分比的組分制成：
[0006] 鋁和 / 或鋅 1. 0-10. 0 %，
[0007] 硅和 / 或鍺 1. 0-15. 0 %，
[0008] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0009] 鋁和/或鋅、以及硅和/或鍺為本發(fā)明添加的合金元素，所述鋁和/或鋅、以及硅 和/或鍺的總重量百分含量為2-25%。
[0010] 所述鋁和/或鋅的重量百分含量?jī)?yōu)選為5. 0-10. 0%，最優(yōu)選為8. 0-10. 0%。
[0011] 鋁和鋅可以同時(shí)加入，也可加入其中的一種。當(dāng)其同時(shí)加入時(shí)，鋁和鋅添加重量比 為 優(yōu)選為
[0012] 所述硅和/或鍺的重量百分含量?jī)?yōu)選為5. 0-15. 0%，最優(yōu)選為10. 0-15. 0%。
[0013] 硅和鍺可以同時(shí)加入，也可加入其中的一種。。當(dāng)其同時(shí)加入時(shí)，硅和鍺添加重量 比為 優(yōu)選為
[0014] 本發(fā)明提供的高彈性模量鎂合金，優(yōu)選由包括下述重量百分含量的組分制成：
[0015] 鋁和 / 或鋅 5. 0-10. 0 %，
[0016] 硅和 / 或鍺 5. 0-15. 0%，
[0017] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0018] 為了細(xì)化晶粒，改善晶界結(jié)構(gòu)，提高鎂合金的塑性，本發(fā)明的制成高彈性模量鎂合 金的組分，還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選自鈦（Ti)、銀 (Ag)、鋯（Zr)、鈣（Ca)、鈧（Sc)、鑭（La)、鈰（Ce)、銪（Eu)、鐠（Pr)、钷（Pm)、釤（Sm)中的任 意一種。實(shí)驗(yàn)證明，小于等于2%的活性元素 X的添加可以細(xì)化晶粒，改善晶界結(jié)構(gòu)，提高鎂 合金的塑性。所述活性元素 X的重量百分含量?jī)?yōu)選為0. 1-2. 0 %，更優(yōu)選為1. 0-2. 0%。
[0019] 具體的，所述鎂合金由下述組分制成：
[0020] 鋁和 / 或鋅 1-10%，
[0021] 硅和 / 或鍺 1-15%，
[0022] 所述活性元素 X小于等于2 %，
[0023] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[〇〇24] 所述鎂合金優(yōu)選由下述組分制成：
[0025] 鋁和 / 或鋅 1. 0-10. 0 %，
[0026] 硅和 / 或鍺 1. 0-15. 0 %，
[0027] 所述活性元素 X 1. 0-2. 0 %，
[0028] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0029] 本發(fā)明還提供上述鎂合金的方法，包括下述步驟：
[〇〇3〇] 按照上述的制備鎂合金的組分，將鎂錠在Ar氣保護(hù)氣氛下加熱至700-720°C，待 鎂錠熔化后，將硅加入到鎂熔體內(nèi)，攪拌，待硅塊全部溶解后，升溫至730-740°C，然后，加入 其余組分，并攪拌，精煉扒渣，澆鑄，得到鑄錠。
[0031] 所述方法中,Mg用純鎂的方式加入，Si用純硅的方式加入，所述硅為粒徑為1.0? 2. 0cm的硅塊；若制成鎂合金的組分中含有鋅，鋅以純鋅的方式加入鎂熔體內(nèi)，其余組分的 均以鎂基中間合金的形式添加。
[0032] 所述方法中，控制鎂基中間合金完全熔化至澆鑄時(shí)間小于等于3分鐘，
[0033] 所述方法還包括將所述鑄錠經(jīng)400-425 °C /2_24h均勻化處理及 200-250°C /0· 5-6h時(shí)效處理后獲得鎂合金；或者所述鑄錠經(jīng)400-425°C /2-24h均勻化處 理后，于200-350°C進(jìn)行擠壓、熱軋或熱鍛塑性變形處理，然后，進(jìn)行200-250°C /0. 5-6h時(shí) 效處理，分別獲得鎂合金的擠壓材、熱軋材或熱鍛材。
[0034] 本發(fā)明的高彈性模量鎂合金，通過(guò)添加合金元素（如Si、Ge等元素）與鎂基體發(fā) 生原位反應(yīng)生成大量的具有高彈性模量的Mg 2Si (120GPa)粒子，從而使本發(fā)明所指的鎂合 金獲得了很高的彈性模量。采用本發(fā)明所制得的材料（部件）在室溫下的抗拉強(qiáng)度大于 350MPa，彈性模量為50?65GPa，延伸率不低于4. 5 %。
[0035] 綜上所述，發(fā)明組分配比合理、加工制造容易、價(jià)格低廉，制備的高彈性模量鎂合 金具有高的彈性模量和室溫強(qiáng)度，較好的塑性。綜合性能明顯高于現(xiàn)有的一般鎂合金。適 于工業(yè)化生產(chǎn)。 【具體實(shí)施方式】
[0036] 以下為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本發(fā)明的范圍不應(yīng)被理解為只局限于此。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明，提供的高彈性模量鎂合金，由包括下述組分按重量百分比的組分制 成：
[0038] 鋁和 / 或鋅 1. 0-10. 0 %，
[0039] 硅和 / 或鍺 1. 0-15. 0 %，
[0040] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0041] 鋁和/或鋅、以及硅和/或鍺為本發(fā)明添加的合金元素，所述鋁和/或鋅、以及硅 和/或鍺的總重量百分含量為2-25%。
[0042] 所述鋁和/或鋅的重量百分含量?jī)?yōu)選為5. 0-10. 0%，最優(yōu)選為10. 0-10. 0%。
[0043] 鋁和鋅可以同時(shí)加入，也可加入其中的一種。當(dāng)其同時(shí)加入時(shí)，鋁和鋅添加重量比 為 優(yōu)選為
[0044] 所述硅和/或鍺的重量百分含量?jī)?yōu)選為、5. 0-15. 0%，最優(yōu)選為10. 0-15. 0%。
[0045] 硅和鍺可以同時(shí)加入，也可加入其中的一種。。當(dāng)其同時(shí)加入時(shí)，硅和鍺添加重量 比為 優(yōu)選為
[0046] 本發(fā)明提供的高彈性模量鎂合金，優(yōu)選由包括下述重量百分含量的組分制成：
[0047] 鋁和 / 或鋅 1. 0-10. 0 %，
[0048] 硅和 / 或鍺 1. 0-15. 0 %，
[0049] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0050] 為了細(xì)化晶粒，改善晶界結(jié)構(gòu)，提高鎂合金的塑性，本發(fā)明的制成高彈性模量鎂合 金的組分，還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選自鈦（Ti)、銀 (Ag)、鋯（Zr)、鈣（Ca)、鈧（Sc)、鑭（La)、鈰（Ce)、銪（Eu)、鐠（Pr)、钷（Pm)、釤（Sm)中的任 意一種。實(shí)驗(yàn)證明，小于等于2%的活性元素 X的添加可以細(xì)化晶粒，改善晶界結(jié)構(gòu)，提高鎂 合金的塑性。所述活性元素 X的重量百分含量?jī)?yōu)選為0. 1-2. 0 %，更優(yōu)選為1. 0-2. 0%。
[0051] 具體的，所述鎂合金由下述組分制成：
[0052] 鋁和 / 或鋅 1. 0-10. 0 %，
[0053] 硅和 / 或鍺 1. 0-15. 0 %，
[0054] 所述活性元素 X小于等于2 %，
[0055] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0056] 所述鎂合金優(yōu)選由下述組分制成：
[0057] 鋁和 / 或鋅 1. 0-10. 0 %，
[0058] 硅和 / 或鍺 1. 0-15. 0 %，
[0059] 所述活性元素 X 1. 0-2. 0%，
[0060] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[0061] 所述鎂合金更優(yōu)選由下述組分制成：
[0062] 鋁和 / 或鋅 5. 0-10. 0 %，
[0063] 硅和 / 或鍺 5. 0-15. 0 %，
[0064] 所述活性元素 X 1. 0-2. 0%，
[0065] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[〇〇66] 所述鎂合金最優(yōu)選由下述組分制成：
[0067] 鋁和 / 或鋅 8. 0-10. 0 %，
[0068] 硅和 / 或鍺 10. 0-15. 0 %，
[0069] 所述活性元素 X 1. 0-2. 0%，
[0070] 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
[〇〇71] 本發(fā)明還提供上述鎂合金的方法，包括下述步驟：
[0072] 按照上述的制備鎂合金的組分，將鎂錠在Ar氣保護(hù)氣氛下加熱至700-720°C，待 鎂錠熔化后，將硅加入到鎂熔體內(nèi)，攪拌，待硅塊全部溶解后，升溫至730-740°C，然后，加入 其余組分，并攪拌，精煉扒渣，澆鑄，得到鑄錠。
[0073] 所述方法中，Mg用純鎂的方式加入，Si用純硅的方式加入，所述硅為粒徑為1.0? 2. 0cm的硅塊；若制成鎂合金的組分中含有鋅，鋅以純鋅的方式加入鎂熔體內(nèi)，其余組分的 均以鎂基中間合金的形式添加。
[0074] 所述方法中，控制鎂基中間合金完全熔化至澆鑄時(shí)間小于等于3分鐘，
[0075] 所述方法還包括將所述鑄錠經(jīng)400-425 °C /2-24h均勻化處理及 200-250°C /0· 5-6h時(shí)效處理后獲得鎂合金；或者所述鑄錠經(jīng)400-425°C /2-24h均勻化處 理后，于200-350°C進(jìn)行擠壓、熱軋或熱鍛塑性變形處理，然后，進(jìn)行200-250°C /0. 5-6h時(shí) 效處理，分別獲得鎂合金的擠壓材、熱軋材或熱鍛材。
[0076] 實(shí)施例
[0077] 下述實(shí)施例中所述的百分含量如無(wú)特別說(shuō)明，均為重量百分含量。
[0078] 本發(fā)明提供表1-4所示的不同組分配比實(shí)施例，組分中雜質(zhì)含量不超過(guò)0. 1 %，除 表格中列出的組分外，剩余的是Mg。
[0079] 本發(fā)明實(shí)施例中，按照表1-表4(X選自鋁（A1)、鈦（Ti)、銀(Ag)、鋯（Zr)、鈣（Ca)、 鈧（Sc)、鑭（La)、鈰（Ce)、銪（Eu)、鐠（Pr)、钷（Pm)、釤（Sm)中的任意一種）設(shè)計(jì)的鎂合金 組分配比分別取各組分，分別制備鎂合金，具體制備方法如下所述：
[0080] 1、按設(shè)計(jì)的高彈性模量鎂合金組分配比分別取各組分，其中：Mg用純鎂的方式加 入，Si、Zn以用純硅、純鋅的方式加入，其余組分以鎂基中間合金的形式加入；
[0081] 2、將純鎂錠放入鐵坩堝中在Ar氣保護(hù)氣氛下加熱至710° 1，待純鎂錠熔化后，將 純硅用鐵絲網(wǎng)盛裝加入到純鎂熔體內(nèi)，純硅的粒徑為1. 0?2. 0cm的硅塊，以300rpm的速 度每5min對(duì)熔體攪拌一次，待硅塊全部溶解后，升溫至730° 3,然后，依次加入其余組分的 中間合金并攪拌，精煉扒渣，澆鑄，得到鑄錠。
[0082] 3、制備的鎂合金鑄錠，經(jīng)415°C /12h均勻化處理及215°C /4h時(shí)效處理得到的鑄 件，或者經(jīng)415°C /12h均勻化處理后熱軋、熱鍛或熱擠壓，然后，進(jìn)行215°C /4h時(shí)效處理 得到的鎂合金熱加工坯料。將獲得的材料進(jìn)行性能檢測(cè)，其室溫拉伸性能測(cè)試方法按GB/ T228-2010,試樣標(biāo)距段直徑為6mm，標(biāo)距長(zhǎng)度為30mm，拉伸速度為0. 5mm/min。
[0083] 其中：熱軋、熱鍛和熱擠壓參數(shù)為300°C，熱軋、熱鍛、擠壓后進(jìn)行上述的215°C /4h 時(shí)效處理。
[0084] 本發(fā)明實(shí)施例中：
[0085] 鑄錠，經(jīng)415°C /12h均勻化處理及215°C /12h時(shí)效處理得到的鑄件，定義為A制 備方法。
[0086] 經(jīng)415°C /12h均勻化處理后熱軋、熱鍛、熱擠壓，然后，進(jìn)行215°C /12h時(shí)效處理 得到的熱加工料分別定義為B、C、D制備方法。
[〇〇87] 本發(fā)明實(shí)施例的合金元素重量百分含量、制備方法及力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1、表2、 表3和表4。上述方法中X選自鋁（A1)、鈦（Ti)、銀（Ag)、鋯（Zr)、鈣（Ca)、鈧（Sc)、鑭（La)、 鋪（Ce)、銪（；Eu)、鐠（Pr)、钷（Pm)、杉（Sm)中的任意一種,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，這些活性元素的 在上述范圍內(nèi)的選擇之間的效果沒(méi)有明顯差異。
[0088] 從實(shí)施例得到的性能參數(shù)可以看出：在稀土鎂合金中添加一定量的硅和/或鍺元 素能顯著提高其彈性模量，得到高強(qiáng)高模量稀土鎂基復(fù)合材料，具體的：
[0089] 1)當(dāng)硅和/或鍺的重量百分含量在1. 0-15. 0%之間，鋁和/或鋅的質(zhì)量百分含量 在1. 0-10. 0%的范圍，彈性模量達(dá)到50GPa以上，抗拉強(qiáng)度在350MPa以上；
[0090] 2)硅和/或鍺的重量百分含量?jī)?yōu)選為優(yōu)選為5. 0-15. 0%，更優(yōu)選為8. 0-15. 0%， 最優(yōu)選為10. 0-15. 0%。在這個(gè)范圍內(nèi)，隨著硅和/或鍺的重量百分含量增加彈性模量增 力口，并且，延展率等其他參數(shù)也能達(dá)到要求的效果。
[0091] 3)硅和鍺可以同時(shí)加入，也可加入其中的一種。。當(dāng)其同時(shí)加入時(shí)，硅和鍺添加重 量比為優(yōu)選為
[0092] 5)在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述鎂合金所述鎂合金優(yōu)選由下述組分 制成：5. 0-10. 0 %的鋁和鋅（鋁和鋅的重量比為9 :1至1 :1),5.0-15. 0 %硅和/或鍺， 1. 0-2. 0%所述活性元素 X，余量為鎂；。在該數(shù)值范圍內(nèi)彈性模量達(dá)到50GPa以上，抗拉強(qiáng) 度在350MPa以上，延展率也在5. 5%以上。
[0093] 6)在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述鎂合金由8. 0-10.0%的鋁和鋅 (鋁和鋅的重量比為3 :1至1 :1)，10. 0-15. 0%硅和鍺（硅和鍺的重量比為2 :1至1 :1)， 1. 0-2. 0%所述活性元素 X，余量為鎂組成。在該數(shù)值范圍內(nèi)彈性模量達(dá)到58GPa以上，抗拉 強(qiáng)度在350MPa以上，延展率也在6. 0%以上。
[0094] 由此可見(jiàn)，本發(fā)明的通過(guò)優(yōu)化了鋁和鋅、硅和鍺的配比，特別是其與活性元素的組 配，產(chǎn)生了協(xié)同增效的優(yōu)異效果，大幅度的提高了鎂基復(fù)合材料的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，并 且保持了良好的延展性。并且，利用方法B、C或D進(jìn)行熱軋、熱鍛或熱擠壓后可明顯提高抗 拉強(qiáng)度和延展性。
[0095] 表1制備方法A制備的合金
[0096]
【權(quán)利要求】
1. 一種鎂合金，由包括下述重量百分含量的組分制成： 鋁和/或鋅1.0-10.0%， 硅和/或鍺1.0-15. 0%， 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金，其特征在于：由包括下述重量百分含量的組分 制成： 鋁和/或鋅2. 0-10. 0%， 硅和/或鍺5. 0-15. 0%， 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎂合金，其特征在于：制成鎂合金的組分還包括重量百分含 量小于等于2%的活性元素 X，所述活性元素 X選自錯(cuò)、鈦、銀、锫、興、鈧、鑭、鋪、銪、鐠、钷、 杉中的任意一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎂合金，其特征在于：所述鎂合金由下述組分制成： 鋁和/或鋅1-10%， 硅和/或鍺1-15%， 所述活性元素 X小于等于2%， 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鎂合金，其特征在于：所述鎂合金由下述組分制成： 鋁和/或鋅5. 0-10.0%， 硅和/或鍺5.0-15.0%， 所述活性元素 X 1.0-2. 0 %， 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的鎂合金，其特征在于：所述鎂合金中包括鋁和 鋅，鋁和鋅添加重量比為9:1-1:1。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的鎂合金，其特征在于：所述鎂合金中包括硅和 鍺，添加重量比為4:1-1:1。
8. 制備如權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述的鎂合金的方法，包括下述步驟： 按照權(quán)利要求1-7所述的制備鎂合金的組分，將鎂錠在Ar氣保護(hù)氣氛下加熱 至700-720°C，待鎂錠熔化后，將硅加入到鎂熔體內(nèi)，攪拌，待硅全部溶解后，升溫至 730-740°C，然后，加入其余組分，并攪拌，精煉扒渣，澆鑄，得到鑄錠。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于：所述硅為粒徑為1. 0?2. 0cm的硅 塊；若制成鎂合金的組分中含有鋅，鋅以純鋅的方式加入鎂熔體內(nèi)，其余組分的均以鎂基中 間合金的形式添加。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于：控制鎂基中間合金完全熔化至澆鑄 時(shí)間小于等于3分鐘。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一所述的制備方法，其特征在于：所述方法還包括將所述 鑄錠經(jīng)400-425°C /2-24h均勻化處理及200-250°C /0· 5-6h時(shí)效處理后獲得鎂合金。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一所述的制備方法，其特征在于：所述方法還包括所述鑄 錠經(jīng)400-425°C /2-24h均勻化處理后，于200-350°C進(jìn)行擠壓、熱軋或熱鍛塑性變形處理， 然后，進(jìn)行200-250°C /0. 5-6h時(shí)效處理，分別獲得鎂基復(fù)合材料的擠壓材、熱軋材或熱鍛 材。
【文檔編號(hào)】C22C1/03GK104046870SQ201410324673
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】胡繼龍 申請(qǐng)人:北京汽車股份有限公司