CN102051539A - 一种耐热镁合金材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐热镁合金材料及其制备方法，该材料具有良好的性能。该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。该材料以镁合金为基体，在基体上分布着由铁丝和铜丝形成的金属丝团，所用铁丝和铜丝直径均为1-2mmm，金属丝团的直径为10-15cm，材料中铁丝的总体长度是铜丝的二倍；铜丝与铁丝二者共占材料的体积百分比为15-35%。

Description

一种耐热镁合金材料及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种耐热镁合金材料及其制备方法。

背景技术

在金属材料领域中, 耐热镁合金作为耐热材料一直受到普遍重视。

CN201010209259.9号申请公开了一种耐热镁合金及其制备方法，属于耐热镁合金材料领域。本发明所提供的合金中各组分及其重量百分数为：Zn为4.7～5.1％，Nd为1.4～1.5％，Er为2.1～2.2％，Ca为1.2～2.5％，杂质元素为Si、Fe、Cu、Co，总含量小于0.02％，其余为Mg。本发明通过将镁锭、锌锭在石墨坩埚中采用覆盖剂保护下经780℃加热至熔化后，再加入钙锭、镁钕及镁铒中间合金，待钙锭和中间合金全部熔化后，经搅拌、保温后撇去合金液表面浮渣及覆盖剂，浇注入钢制模具中，在空气中自然冷却，将得到的铸造态镁合金进行T1热处理，得到高强耐热的Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金。该合金具有较高的室温强度和高温强度。

CN201010157925.9号申请公开一种镁合金，它由以下组分和重量百分比组成：Al 1.5～6.0％，Zn 0.15～0.25％，Si 0.5～3.0％，Ca 0.1～0.8％和Co 0.1～0.5％，余量为Mg。该镁合金的室温抗拉强度、伸长率分别大于128MPa和7.8％，150℃的抗拉强度和伸长率大于120MPa和20％，相同条件下抗拉强度比对比例提高15％以上，伸长率提高10％以上。

以上的两种普通镁合金的耐热性不高。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种耐热镁合金材料，该材料具有良好的性能。

本发明的另一目的是提供一种耐热镁合金材料的制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种耐热镁合金材料，该材料以镁合金为基体，在基体上分布着由铁丝和铜丝形成的金属丝团，所用铁丝和铜丝直径均为1-2mmm，金属丝团的直径为10-15cm，材料中铁丝的总体长度相当于铜丝的二倍；铜丝与铁丝二者共占材料的体积百分比为15-35%；

镁合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为10-12％，Co为0.2％～0.5％，Si为4％～6％，Pb为2％～3％，Sn为2％～3％，Fe为1％～2％，Gd为0.5％～1％，Pr为0.01％～0.03％，其余为Mg；

铜为纯铜；铁丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.05-0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。

所述基体中还分布有化合物MgB2、Mg3N2和Si3B颗粒。

一种耐热镁合金材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

铜丝及渗氮铁丝、渗硼铁丝的准备：取直径为1-2mm、成分为纯铜及取直径为1-2mm、成分为重量百分含量：C为0.05-0.09，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，所用铁丝的总体长度相当于铜丝的二倍；控制铜丝和铁丝二者共占材料的体积百分比为15-35%；

按常规方法分别在一半铁丝表面渗硼和另一半铁丝表面渗氮，分别形成渗硼铁丝和渗氮铁丝；渗氮层和渗硼层的厚度均为为200-300微米；铜丝与得到的渗硼铁丝和渗氮铁丝三者总体长度相当；

按清洁球生产的常规方法将上述铜丝、渗硼铁丝和渗氮铁丝各取一根丝形成球状的混合三丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铜丝和铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待合金液浇注；

镁合金材料基体的准备：按重量百分含量Al为10-12％，Co为0.2％～0.5％，Si为4％～6％，Pb为2％～3％，Sn为2％～3％，Fe为1％～2％，Gd为0.5％～1％，Pr为0.01％～0.03％，其余为Mg进行配料；镁合金原料在感应电炉中熔化，熔化温度为700-720℃；

    将上述镁合金铁水浇入装有金属丝团的干砂铸型；合金液将渗硼及渗氮铁丝包围，然后冷却凝固，得到以镁合金为基的其中分布有金属丝团的耐热材料。

本发明相比现有技术的有益效果如下：

1、本发明的渗硼及渗氮铁丝自身具有相当的强度和较高的耐热。渗硼及渗氮铁丝上的B和N进入液态镁基体中，与镁合金中的元素形成MgB2、Mg3N2、Si3B等特殊化合物，弥散增强镁合金； Fe固溶在镁合金，对镁固溶强化；未熔的渗硼及渗氮铁丝与镁合金冶金结合，对镁合金起到增强增韧的作用。

2、Gd和Pr与Mg可以形成化合物Mg5Gd和Mg12Pr，对镁合金的组织具有显著细化的作用，分布于基体中有助于材料耐热的提高。本发明材料中P、S为杂质，控制在允许的范围。

3、合金材料用铁代替了部分镁，材料成本低，制备工艺简便，生产成本低，生产的合金材料性能好，而且非常便于工业化生产。它是一种具有良好的组织及性能，尤其是高温性能的耐热镁合金，适用于汽车、3C等行业。

本发明的合金性能见表1。

附图说明

图1为本发明实施例一制得的金属丝增强耐热镁合金材料的金相组织。

图1可以看到在镁合金与金属丝结合良好。

具体实施方式

以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分比均可换成重量g、kg或其它重量单位。以下铜丝与铁丝均为市购，渗氮、渗硼层自制。

实施例一：

铜丝、渗硼铁丝及渗氮铁丝的准备：

铜丝及渗氮铁丝、渗硼铁丝的准备：取直径为1mm、成分为纯铜；

取直径为1mm、成分重量百分含量：C为0.05%，Si为0.2%, Mn为0.25%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，所用铁丝的总体长度为铜丝的二倍；铜丝和铁丝两种金属丝占材料的体积百分比为15%。

按常规方法分别将上述一半铁丝表面渗硼和另一半铁丝表面渗氮，分别形成渗硼铁丝和渗氮铁丝；渗氮层和渗硼层的厚度均为为200微米，形成的渗硼铁丝和渗氮铁丝与铜丝三者长度相当； 

按清洁球生产的常规方法将上述铜丝、渗硼铁丝和渗氮铁丝各取一根丝形成球状的混合三丝金属丝团（三根丝各取一根同时成团，形成三丝金属丝团，成型可按洗碗用的清洁球或称钢丝球的方法），金属丝团直径为15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铜丝和铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待合金液浇注；

镁合金材料基体的准备：按重量百分含量Al为10％，Co为0.2％，Si为4％，Pb为2％，Sn为2％，Fe为1％，Gd为0.5％，Pr为0.01％，其余为Mg进行配料；镁合金原料在感应电炉中熔化，熔化温度为710-715℃；

将上述镁合金铁水浇入装有金属丝团的干砂铸型；合金液将渗硼及渗氮铁丝包围，然后冷却凝固，得到以镁合金为基的其中分布有金属丝团的耐热材料。

实施例二：

镁合金材料基体成分按重量百分含量：Al为12％，Co为0.5％，Si为6％，Pb为3％，Sn为3％，Fe为2％，Gd为1％，Pr为0.03％，其余为Mg进行配料。

铜丝为纯铜；铁丝成分的重量百分含量：C为0.09%，Si为0.3%, Mn为0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝和铜丝直径均为2mm，所用铁丝的总体长度为铜丝的二倍，控制两种金属丝共占材料的体积百分比为35%。

按常规方法分别将上述一半铁丝表面渗硼和另一半铁丝表面渗氮，分别形成渗硼铁丝和渗氮铁丝；渗氮层和渗硼层的厚度均为为300微米；形成的渗硼铁丝和渗氮铁丝就与铜丝长度相当；按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝混合的三丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

实施例三：

镁合金材料基体成分按重量百分含量：Al为11％，Co为0.4％，Si为5％，Pb为2.5％，Sn为2.5％，Fe为1.5％，Gd为0.8％，Pr为0.02％，其余为Mg进行配料。

渗硼为纯铜。铁丝的成分为C为0.07%，Si为0.25%, Mn为0.3%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝和铜丝金属丝直径为1.5mm，所用铁丝的总体长度为铜丝的二倍，控制两种金属丝共占材料的体积百分比为20%。

按常规方法分别将上述一半铁丝表面渗硼和另一半铁丝表面渗氮，分别形成渗硼铁丝和渗氮铁丝；渗氮层和渗硼层的厚度均为为250微米；形成的渗硼铁丝和渗氮铁丝就与铜丝长度相当；按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝混合的三丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例四：原料配比不在本发明范围内的实例

镁合金材料基体成分按重量百分含量：Al为9％，Co为0.1％，Si为3％,Pb为4％，Sn为1％，Fe为3％，Gd为2％，Pr为0.04％，其余为Mg进行配料。

铜丝为纯铜。铁丝的成分为C为0.04%，Si为0.1%, Mn为0.2%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。两种金属丝直径为0.5mm，所用铁丝的总体长度为铜丝的二倍，控制两种金属丝共占材料的体积百分比为5%。

铁丝不渗氮和也不渗硼。按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝（二股为铁丝）混合的三丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例五：原料配比不在本发明范围内的实例

镁合金材料基体成分按重量百分含量：Al为9％，Co为0.7％，Si为2％，Pb为4％，Sn为5％，Fe为3％，Gd为2％，Pr为0.1％，其余为Mg进行配料。

铜丝为纯铜。铁丝的成分为C为0.1%，Si为0.4%, Mn为0.4%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。两种金属丝直径为3mm，所用铁丝的总体长度为铜丝的二倍，控制二种金属丝共占材料的体积百分比为40%。

按常规方法分别将上述一半铁丝表面渗硼和另一半铁丝表面渗氮，分别形成渗硼铁丝和渗氮铁丝；渗氮层和渗硼层的厚度均为为350微米；形成的渗硼铁丝和渗氮铁丝就与铜丝长度相当；按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝混合的三丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

 表1

镁合金材料的Al、Co、Si、Pb、Fe、Gd、Pr增高利于合金的力学性能提高；但有些元素如Al、Co、Si、Pb、Fe过多则化合物过多，削弱合金的耐热。有些元素如Gd 、Pr过多，造成元素浪费。

铁丝的成分为C、Si、 Mn增高利于合金的力学性能提高；过多削弱合金的耐热。

金属丝体积百分比的增加，利于材料耐热的提高。但是过多，镁合金基体包不住渗硼及渗氮铁丝，基体出现裂纹，则降低了材料的耐热。因此影响合金的抗蚀能力。

金属丝直径太细，表面积太大，不利于镀层元素溶入镁水中。金属丝直径太粗，在镁合金基体中分布的密度减小，不利于材料整体耐热的提高。

Claims (3)

1.一种耐热镁合金材料，该材料以镁合金为基体，在基体上分布着由铁丝和铜丝形成的金属丝团，所用铁丝和铜丝直径均为1-2mmm，金属丝团的直径为10-15cm，材料中铁丝的总体长度相当于铜丝的二倍；铜丝与铁丝二者共占材料的体积百分比为15-35%；

镁合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为10-12％，Co为0.2％～0.5％，Si为4％～6％，Pb为2％～3％，Sn为2％～3％，Fe为1％～2％，Gd为0.5％～1％，Pr为0.01％～0.03％，其余为Mg；

铜为纯铜；铁丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.05-0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。

2.根据权利要求1所述耐热镁合金材料，其特征在于：所述基体中还分布有化合物MgB2、Mg3N2和Si3B颗粒。

3.一种耐热镁合金材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

铜丝及渗氮铁丝、渗硼铁丝的准备：取直径为1-2mm、成分为纯铜及取直径为1-2mm、成分为重量百分含量：C为0.05-0.09，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，所用铁丝的总体长度相当于铜丝的二倍；控制铜丝和铁丝二者共占材料的体积百分比为15-35%；

按常规方法分别在一半铁丝表面渗硼和另一半铁丝表面渗氮，分别形成渗硼铁丝和渗氮铁丝；渗氮层和渗硼层的厚度均为为200-300微米；铜丝与得到的渗硼铁丝和渗氮铁丝三者总体长度相当；

按清洁球生产的常规方法将上述铜丝、渗硼铁丝和渗氮铁丝各取一根丝形成球状的混合三丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铜丝和铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待合金液浇注；

镁合金材料基体的准备：按重量百分含量Al为10-12％，Co为0.2％～0.5％，Si为4％～6％，Pb为2％～3％，Sn为2％～3％，Fe为1％～2％，Gd为0.5％～1％，Pr为0.01％～0.03％，其余为Mg进行配料；镁合金原料在感应电炉中熔化，熔化温度为700-720℃；

    将上述镁合金铁水浇入装有金属丝团的干砂铸型；合金液将渗硼及渗氮铁丝包围，然后冷却凝固，得到以镁合金为基的其中分布有金属丝团的耐热材料。