CN101525712B

CN101525712B - 高强度高硬度镁合金及其制备方法

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Publication number: CN101525712B
Application number: CN2009101033459A
Authority: CN
Inventors: 高家诚; 李锐; 王勇; 范科
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: CN101525712A

Abstract

本发明涉及一种高强度高硬度镁合金及制备方法。合金的成分为镁、铝、锰、铜、锌，其中镁的原子百分比为20％-50％，其余元素物质的量百分比相等；在电磁感应炉内采用搅拌铸造法熔炼制成，熔炼及浇注过程中采用氩气保护；熔炼温度1000-1200℃，浇注温度为室温。本发明提供的高强度高硬度镁合金强度和比强度均明显优于普通镁合金，而且与金属镁以及镁合金结合性能良好。本发明所述高强度高硬度镁合金可用于制造航空航天、汽车工业承力构件，用于制备耐磨性能优异的特殊镁合金，或者熔覆于常规镁合金表面以提高其耐磨性能。本发明生产工艺简单，不需要特殊的设备，有生产成本低的优点。

Description

高强度高硬度镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高硬度镁合金，具体涉及一种可用于制备航空航天、汽车工业承力构件的高强度高硬度镁合金以及制备方法。

技术背景

镁合金是实际应用中最轻的结构材料，其密度只有铝的2/3，钢的1/5。其比强度、比刚度均能达到或优于钢和铝合金。镁合金还具有良好的导热性、电磁屏蔽性、抗振动性等特点；镁合金对环境无毒无污染，回收利用的成本低；而且镁在地球上储量极其丰富，约占地壳质量的2.7％，海水中镁的质量含量达到0.13％。因此镁合金被视为未来替代传统金属材料的新材料，而越来越受到世界各国的重视。我国是世界上镁资源最丰富的国家，也是镁以及镁合金最大的生产国和出口国，镁合金的开发研究对我国有着特殊的重要意义。目前常见的镁合金主要为Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系、Mg-Ca系、Mg-Si系、Mg-RE系等。

现在，镁及镁合金在航空航天领域以及民用汽车领域正发挥着越来越重要的作用。镁合金用于制造各种民用、军用飞机的发动机零部件，螺旋桨，齿轮箱，支架结构以及火箭、导弹和卫星的一些零部件。镁合金还可以用于制造汽车的阀套，离合器壳体，方向盘轴，凸轮罩，刹车托板支架，以及部分高温部件，如：齿轮箱，曲轴箱，发动机壳体，油盘等。这些部件大多对强度和耐磨性能有一定要求，但是镁及镁合金的强度与硬度难以达到要求，普通高强度镁合金的强度一般低于350MPa，硬度低于HB100，极大的限制了镁及镁合金在相关工业中的应用。提高镁及镁合金的强度和硬度，扩展其应用领域和服役环境，不仅可以减轻工业零部件的自身重量、大大降低能耗、减少使用成本，还可以推广镁这种绿色金属材料的应用，带来资源和环境方面的巨大收益。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度高硬度镁合金及制备方法。通过向镁中添加四种常见金属，大大提高了镁合金的强度和硬度。本发明所述镁合金可以用于制造航空、航天和汽车工业用承力结构件，也可用于制造特殊用途的耐磨镁合金，或熔覆于常规镁合金表面以提高其表面硬度和耐磨性。

本发明生产工艺简单，不需要特殊的设备，有生产成本低的优点。

本发明的技术方案是：

高强度高硬度镁合金由镁、铝、锰、铜、锌组成，各组分原子百分含量为

镁：20-50％；其余组元含量相等。

其中，各金属原料均以固态方式加入氧化镁或氧化铝容器中熔炼，按照高强度高硬度镁合金配比要求调整各组元的加入量，并使用氩气进行保护。

使用的各种金属原料均采用市售的常规产品。

制备高强度高硬度镁合金的方法有以下步骤：

A.按照权利要求1所述的原料配比取工业用纯金属镁、铝、锰、铜、锌置于氧化镁或氧化铝容器中；

B.将步骤A所得的坩埚放入电磁感应炉内，用氩气作为保护气氛，温度为1000-1200℃，将各金属原料熔化、搅拌均匀，并在有保护气氛或者覆盖剂下常温浇注于铜模中，得到合金铸坯。

各金属组元融化后在电磁搅拌作用下均匀混合。由于组元众多，熔体内混合熵ΔS很高，且由Gibbs自由能方程ΔG＝ΔH-TΔS可以看出混合焓与混合熵处于相互竞争的地位，高温下混合熵起主导作用(参见《物理》第37卷(2008)8期，p600，作者张勇)。在高温下，高混合熵效应能显著降低熔体系统的自由能ΔG，使各元素处于随即混合状态时比形成金属间化合物更加稳定(参见《材料导报》第20卷(2006)4期，p4，作者刘源)。因此熔体快速凝固后，不产生复杂的金属间化合物，而形成原子堆垛紧密的固溶体结构；虽然各组元密度不同，但来不及产生宏观偏析，从而保证了显微结构和宏观成分的均匀性。

本发明的有益效果是：

1.大大提高了镁合金的强度，而且密度较低，获得强度和比强度明显优于现有高强度镁合金的新型镁合金。

2.大大提高了镁合金的硬度，克服了镁以及镁合金不耐磨的弱点。而且可以熔覆于常规镁合金表面，以明显提高其耐磨性能，延长使用寿命。

3.本发明使用的原料价格便宜，资源相对丰富，不大量使用稀有、贵重金属提高镁合金性能；工艺相对简单，适合大规模工业化生产。

4.本发明拓宽了镁合金在工业中使用的范围。

本发明方法操作简单，由于使用的原料和设备均为市场常见产品，因此还具有成本低廉，适合大规模工业化生产的特点。

附图说明

图1：合金中Mg物质的量百分比与显微硬度关系

图2：合金中Mg物质的量百分比与显微硬度关系(730K退火1小时处理)

图3：合金中Mg物质的量百分比浓度与抗压强度关系

图4：合金中Mg物质的量百分比浓度与延伸率关系

图5：合金中Mg物质的量百分比浓度与密度关系

具体实施方式

取工业用纯金属镁、铝、锰、铜、锌置于氧化镁或者氧化铝容器中，金属镁、铝、锰、铜、锌各元素的原子百分比为：镁20％-50％，其余金属比例相等。本实施例用氧化镁或者氧化铝容器，所述容器为坩埚。本发明盛装熔炼金属的容器采用氧化镁或者氧化铝作为容器，是为避免在制备过程中带入本合金以外的其它元素。坩埚放入电磁感应炉内，用氩气做保护气氛，温度为1000-1200℃，将各金属原料熔化、搅拌1-3分钟。如果熔炼搅拌的时间为1分钟，则镁与锌两种金属分别另外多加5％弥补烧损，如果熔炼搅拌时间为2-3分钟，则镁与锌分别多加10％弥补烧损。并在有气氛保护或者覆盖剂保护的情况下常温浇注于模具中，本发明采用铜模，同样是为避免带入本合金以外的其它元素，快速凝固后取出铸锭为高硬度镁合金。

坩埚放入电磁感应炉内，用氩气做保护气氛，温度为1000-1200℃，将各金属原料熔化、搅拌1-3分钟。搅拌时采用电磁搅拌，以保证熔体内各组元成分的均匀性。在有气氛保护或者覆盖剂保护的情况下常温浇注于铜模中，快速凝固后取出铸锭为高强度高硬度镁合金。搅拌时采用电磁搅拌，以保证熔体内各组元成分的均匀性。浇注时，用氩气做保护气氛，也可以用覆盖剂保护，以防止高温下镁在空气中氧化而引起烧损，所述覆盖剂选用无水光卤石或者JDMF覆盖剂，与采用氩气做保护气氛的效果相当。

参见图1-图5。

实施例1

取镁14.6克，铝16.2克，锰33克，铜38.4克，锌39克，按照上述方法熔炼制成高强度高硬度镁合金。所得合金铸锭通过显微硬度计测定(载荷9.807N，时间20秒)，硬度为HV440(HB415)。在730K温度下，退火1小时，硬度为HV439(HB415)。所得合金铸锭通过Gleeble 1500热模拟试验机压缩测定，强度为428.3MPa、延伸率3.3％。排水法测定密度为4.2g/cm³。

实施例2

取镁21.2克，铝12.2克，锰24.8克，铜28.8克，锌29.3克，按照上述方法熔炼制成高硬度镁合金。所得合金铸锭通过显微硬度计测定(载荷9.807N，时间20秒)，硬度为HV315(HB300)。在730K温度下，退火1小时，硬度为HV313(HB296)。所得合金铸锭通过Gleeble 1500热模拟试验机压缩测定，强度为436.9MPa、延伸率3.4％。排水法测定密度为3.3g/cm³。

实施例3

取镁25.7克，铝9.6克，锰19.5克，铜22.7克，锌23.8克，按照上述方法熔炼制成高硬度镁合金。所得合金铸锭通过显微硬度计测定(载荷9.807N，时间20秒)，硬度为HV256(HB244)。在730K温度下，退火1小时，硬度为HV226(HB188)。所得合金铸锭通过Gleeble 1500热模拟试验机压缩测定，强度为491.3MPa、延伸率3.7％。排水法测定密度为2.5g/cm³。

实施例4

取镁34.3克，铝11.5克，锰23.7克，铜27.5克，锌27.9克，按照上述方法熔炼制成高硬度镁合金。所得合金铸锭通过显微硬度计测定(载荷9.807N，时间20秒)，硬度为HV226(HB226)。所得合金铸锭通过Gleeble 1500热模拟试验机压缩测定，强度为482.7MPa、延伸率4.0％。排水法测定密度为2.3g/cm³。

实施例5

取镁23.2克，铝6.5克，锰13.3克，铜15.5克，锌15.8克，按照上述方法熔炼制成高硬度镁合金。所得合金铸锭通过显微硬度计测定(载荷9.807N，时间20秒)，硬度为HV178(HB 178)。在730K温度下，退火1小时，硬度为HV176(HB176)。所得合金铸锭通过Gleeble 1500热模拟试验机压缩测定，强度为399.7MPa、延伸率4.5％。排水法测定密度为2.2g/cm³。

结论：

按照本发明专利所述方法，可制得镁含量在20-50％(物质的量百分比)的高强度高硬度镁合金。所述镁合金可以用于制造航空航天或者汽车工业的承力结构件；制备特殊用途的耐磨镁合金，或熔覆于常规镁合金表面以提高其表面硬度和耐磨性。

Claims

1.一种高强度高硬度镁合金，其特征在于所述合金由镁、铝、锰、铜、锌五种金属组成，其各组分原子百分含量为

镁：20％-50％；

其余元素等比例。

2.制备权利1所述的高强度高硬度镁合金的方法，其特征在于有以下步骤：

B.将步骤A所述的容器放入电磁感应炉内，用氩气作为保护气氛，温度为1000-1200℃，将各金属原料熔化、搅拌均匀，所述的搅拌的时间为1分钟时，则镁与锌两种金属分别另外再加5％；搅拌时间为2-3分钟时，则镁与锌分别另外再加10％，并在有氩气保护气氛或者无水光卤石或者JDMF覆盖剂下常温浇注于铜模中，得到合金铸坯。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤B所述的铜模为纯铜模具。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤B所述的搅拌采用电磁搅拌。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤A中所述的容器为氧化镁坩埚或氧化铝坩埚。