CN102876958B - 一种高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料,包括分布于合金中的以下百分比重量的合金化元素成份Zn=35%~38%,Ca=2%~4%,Fe=12%~21%,余量为Mg和不可避免的杂质;其中,Fe以游离的Fe颗粒形式存在。其生产工艺流程为:先熔炼出Mg-Zn-Ca合金液,而后将Fe颗粒加入合金液中感应加热,最终制得成分均匀的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料。本发明复合材料具有高强度高塑性的特点,同时又保留了原共晶成分铸造性能优良的特性,使得该合金具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及含铁颗粒的高强度高塑性多元镁合金及其制造方法,具体的说是高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料。
背景技术
镁的弹性模量比较小,在受力作用下能产生较大的变形,因而镁合金在冲击载荷作用下,能吸收较大的冲击能,可制造承受冲击的零件。镁及其合金作为最轻的常用金属结构材料,已受到人们越来越多的关注,并已在国防军工、航空航天、高速轨道交通、电子通讯等领域得到了一定程度的应用。而Zn合金具有优良的抗大气腐蚀性能,在常温下表面易生成一层保护膜,被主要用于钢材和钢结构件的表面镀层(如镀锌板),广泛用于汽车、建筑、船舶、轻工等行业。Mg-Zn基合金一直以来受到人们的广泛关注。在Mg-Zn合金中添加一定量的Ca形成的Mg-Zn-Ca系(ZX系)合金在近几年来受到广大学者的关注。由于Ca的质量轻,细化晶粒效果好,可明显的提高合金的比强度。然而Ca提高合金强度仍是有限。
当前人们研究Mg-Zn合金主要都集中在较低锌含量合金中,主要研究Zn的固溶强化以及时效强化。简单的Mg-Zn二元铸造合金由于存在较大的热冷缩敏感性、铸造缺陷较大、强度不高、塑性较低、不易焊接、时效析出组织粗大且不均匀分布等缺点,大大限制了在实际工业上的生产和应用。
CN200510111792.0公开了“生物体内可吸收的Mg-Zn-Ca-Fe多元镁合金材料”,该成份含量为:Zn:1~8wt%,Ca:0.1~2wt%,Fe:0.1-2 wt%,其余为Mg和不可避免的杂质元素。该专利合金经氩气保护熔炼、热处理及热加工后,其强度为210MPa-300MPa,塑性为2%-12%。该专利合金主要涉及的是一种生物医用领域的多元镁合金,而非工程应用领域的合金,该合金强度还达不到某些工程结构材料的应用要求。同时由于较低的合金元素含量,该合金仍为变形镁合金范畴,这就限制了该合金的铸造性能。而且,该合金中Fe含量较低,并未与基体作用形成复合材料,且Fe的存在形式未经说明。
借助合金在共晶成分附近一般都具有良好的铸造性能这个特点,我们选取了Mg-Zn-Ca三元共晶成分进行熔炼,对合金添加一定量的Fe颗粒形成Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料,从而改善镁合金的综合力学性能和使用性能,拓展其应用范围。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明解决的技术问题是如何改善镁合金强度,提供一种高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料。本发明采用的技术方案如下:
一种高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料,其特征在于,所述复合材料各组分及其质量百分含量为: Zn=35%~38%,Ca=2%~4%,Fe=12%~21%,余量为Mg和不可避免的杂质;其中,Fe以游离的Fe颗粒形式存在。
本发明高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料的制备过程如下:
(1) 按照上述Mg-Zn-Ca合金组分计算需要原料的重量,原料采用工业纯镁(纯度99.9%)、高纯锌(纯度99.995%)、Mg-Ca中间合金(Mg-33.17.wt%Ca);采用氩气保护感应熔炼,在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化,待合金全部熔化后继续感应搅拌5分钟、得到均匀Mg-Zn-Ca合金液;
(2)按照上述Fe颗粒组分计算所需要的工业纯还原Fe颗粒(纯度99.9%, 颗粒大小200目)的质量,在氩气保护气氛下,将Fe颗粒与Mg-Zn-Ca合金液混合,同时仍继续在850℃保温并电磁感应搅拌5分钟后进行水冷,得到均匀的Fe颗粒复合材料,制得复合材料合金锭。
本发明中所制备的复合材料经X射线衍射(XRD) (如图1所示)和差热分析(DSC)证实, Fe粉的加入没有引入新的合金相,完全以Fe颗粒的形式存在于合金中。
相比现有技术,本发明具有以下优点:
1、本发明配方设计独特,添加质量分数为12%~21%的Fe颗粒并没有改变原有合金的组织结构,也没有改变合金的热力学行为,保留了原有合金良好的铸造性能的特点,同时大幅度提高了原有合金的力学性能。该复合材料具有高强度高塑性的特点,同时又保留了原共晶成分铸造性能优良的特性,使得该合金具有广阔的应用前景。
2、本发明工艺方法简单,熔炼温度和时间容易控制,具有较好的可操作性。
3、本发明中的元素Mg、Zn、Ca、Fe均为常见的元素,原料资源丰富,同时不含稀土元素,成本较低。
附图说明:
图1为Mg-Zn-Ca共晶合金及添加Fe颗粒后Mg-Zn-Ca/Fe颗粒X射线衍射图谱。
图2为Mg-Zn-Ca共晶合金及添加Fe颗粒后Mg-Zn-Ca/Fe颗粒的力学性能曲线。
具体实施方式:
实施例1:
一种高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料,其重量百分比Mg为46.8%,Zn为37.2%,Ca为3.6%,Fe为12.4%。原材料工业纯镁纯度大于99.9%,高纯锌纯度大于99.995%,Mg-Ca中间合金(Mg-33.17.wt%Ca),工业还原Fe粉。先将纯镁,纯锌,Mg-Ca中间合金在氩气保护下熔炼在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化,待合金全部熔化后继续感应搅拌5分钟、得到均匀Mg-Zn-Ca合金液;而后在氩气保护下添加Fe粉,同时仍继续在850℃保温并电磁感应搅拌5分钟后进行水冷,得到混合均匀的Fe颗粒复合材料,最终制得复合材料合金锭。
对该材料进行力学性能测试,该复合材料具有良好的力学性能,其屈服强度σy=536.02Mpa,抗拉强度:σb=694.28Mpa,延伸率:ε=11.6%。
实施例2:
一种高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料,其重量百分比Mg为41.7%,Zn为35.1%,Ca为2.4%,Fe为20.8%。原材料工业纯镁纯度大于99.9%,高纯锌纯度大于99.995%,Mg-Ca中间合金(Mg-33.17.wt%Ca),工业还原Fe粉。先将纯镁,纯锌,Mg- Ca中间合金在氩气保护下熔炼在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化,待合金全部熔化后继续感应搅拌5分钟、得到均匀Mg-Zn-Ca合金液;而后在氩气保护下添加Fe粉,同时仍继续在850℃保温并电磁感应搅拌5分钟后进行水冷,得到混合均匀的Fe颗粒复合材料,最终制得复合材料合金锭。
对该材料进行力学性能测试,该复合材料具有良好的力学性能,其屈服强度σy=507.74Mpa,抗拉强度:σb=672.72Mpa,延伸率:ε=14.2%。
综上,结合附图1和图2可知,本发明添加质量分数为12%~21%的Fe颗粒并没有改变原有合金的组织结构,也没有改变合金的热力学行为,保留了原有合金良好的铸造性能的特点,同时大幅度提高了原有合金的力学性能。本发明复合材料可以很好的满足当前结构材料的要求。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料,其特征在于,所述复合材料各组分及其质量百分含量为: Zn=35%~38%,Ca=2%~4%,Fe=12%~21%,余量为Mg和不可避免的杂质;其中,Fe以游离的Fe颗粒形式存在;其制备方法包括:
(1) 按照上述Mg-Zn-Ca合金组分计算需要原料的重量,原料采用工业纯镁、高纯锌、Mg-Ca中间合金;采用氩气保护感应熔炼,在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化,待合金全部熔化后继续感应搅拌5分钟、得到均匀Mg-Zn-Ca合金液;
其中,所述Mg-Ca中间合金为Mg-33.17.wt%Ca;
(2)按照上述Fe颗粒组分计算所需要的工业纯还原Fe颗粒,颗粒大小200目;在氩气保护气氛下,将Fe颗粒与Mg-Zn-Ca合金液混合,同时仍继续在850℃保温并电磁感应搅拌5分钟后进行水冷,得到均匀的Fe颗粒复合材料,制得复合材料合金锭。
2.根据权利要求1所述高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料,其特征在于,各组分重量百分比Mg为46.8%,Zn为37.2%,Ca为3.6%,Fe颗粒为12.4%。
3.根据权利要求1所述高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料,其特征在于,各组分重量百分比Mg为41.7%,Zn为35.1%,Ca为2.4%,Fe颗粒为20.8%。
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