CN103243251A - 一种镁合金及其熔炼、热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种镁合金,按重量百分比计包含:0.5~1.5%钙;0.5~2.5%锌;其中直至100%的余量是镁;还提供一种镁合金的熔炼工艺,步骤如下:(1)镁锭切块去杂质,锌、钙称量待用;(2)将坩埚与模具预热;(3)将镁块放入坩埚,置于炉中,抽真空完成后,充入混合气体;(4)加热至镁块完全熔化,再升温搅拌;(5)用铝箔将金属钙包好,加入镁溶液的底部,再加入锌块,搅拌,拔渣,温度升高后保温;(6)将熔融液体降温后再保温,开炉取模,将熔融液体浇入到模具中,待模;还提供一种镁合金的热处理工艺,步骤如下:(1)均匀化退火;(2)固溶处理。本发明镁合金的优点是:提高合金的机械性能;改善铸造性能;增加合金的抗蠕变性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金及其工艺方法,具体地说,涉及一种镁钙锌合金及其熔炼和热处理工艺。
背景技术
在工业材料领域,镁作为一种最轻的金属结构材料,性能优异,资源丰富,在航天、电子、汽车、家电等各领域应用广泛。尽管如此,由于受抗蚀性能、材料制备以及加工技术等多种因素的制约,镁的发展潜力和实际应用存在很大的差异。
纯镁在工业应用中的主要问题有:一、纯镁有很差的机械性能,不能达到工业零件对抗拉强度和屈服强度的要求;二、纯镁晶粒比较粗大并且分布不均匀,对强度和力学性能极其不利,因此晶粒需要细化。
为了改善这些问题,学界开始研究镁的表面改性处理方法,但仅仅做表面处理不能从根本上解决问题,经过各种实验发现一个提高镁性能的有效手段:合金化,目前市场急需一种具有质量轻、导电性好、热性好、耐冲击、价格便宜及环保等众多优点的镁合金产品。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种镁合金,可以解决现有技术中纯镁机械性能差、强度和力学性能不佳的问题。
为实现上述目的,本发明提供一种镁合金,按重量百分比计包含:
0.5~1.5%钙;
0.5~2.5%锌;
其中直至100%的余量是镁。
需要说明的是,直至100重量%的余量包括镁以及不可避免的杂质,这样的杂质可来自于合金的制造过程或来自已经存在于原料中的杂质。
钙是提高镁合金性能的典型合金因素,起到重要的作用:第一:Ca在Mg中有很低的固溶度,加入少量的钙能有效的细化晶粒,显著改善纯镁的晶粒尺寸、形状;第二:可以增强高温下镁合金的抗氧化性,表面可以形成复合保护膜MgO+CaO,加强保护作用;第三:可改变抗蠕变性能,在镁合金中加入Ca后形成的Mg2Ca化合物,为六方晶体结构,与纯镁结构相似。Mg2Ca有很好的热稳定性,与基体形成牢固界面,起到钉扎的作用,从而使合金整体蠕变抗力提高;第四:在铸造过程中,形成的Mg2Ca相还能够起到阻燃作用,但对抗腐蚀性不利,所以要适量加入。研究发现,元素Ca对AZ91D镁合金的组织结构、腐蚀性能及其力学性能的影响。当Ca的加入量小于1.0%时,镁合金的抗拉强度及延伸率随含量的增加得到提高,当Ca的加入量达到1.0%时,抗拉强度和延伸率达到最高,当Ca的加入量超过1.0%时,抗拉强度和延伸率均下降。
Mg-Zn是重要的镁合金系,Zn在Mg中有很大的固溶度,并且随温度降低而明显降低,Zn能提高液体的流动性、合金的机械性能,改善铸件品质,并且容易与其它合金元素形成化合物,进一步加强固溶强化的作用,提高合金的耐蚀性,生成化合物MgZn还能起到固溶强化与时效强化的双重效果。国外研究时发现:当在镁合金中加入少量的Zn时,可以使基体的电位适当的提高,因而镁合金的耐蚀性也提高。
另外,本发明还提供一种镁合金的熔炼工艺,所述镁合金按重量百分比计包含:
0.5~1.5%钙;
0.5~2.5%锌;
其中直至100%的余量是镁;
需要说明的是,直至100重量%的余量包括镁以及不可避免的杂质,这样的杂质可来自于合金的制造过程或来自已经存在于原料中的杂质。
其熔炼工艺具体步骤如下:
(1)将镁锭分割成小块,去掉镁锭表面的杂质和氧化皮,将金属锌和金属钙分别称量好待用;
(2)熔炼前,将石墨坩埚与模具预热到280~290℃;
(3)熔炼时,首先将镁块放入坩埚,置于炉中,抽真空完成后,接着充入高纯氩气和六氟化硫气体的混合气体;
(4)加热至纯镁块完全熔化,此后升温到700~740℃,搅拌3~8min;
(5)用铝箔将金属钙包好,迅速加入到镁溶液的底部,3~8min后加入锌块,搅拌,拔渣,最终温度升高到750~800℃时保温8~12min;
(6)将熔融液体降温至在700~740℃,保温3~8min,开炉取出模具,然后将熔融液体浇入到模具中,待模。
另外,本发明还提供一种镁合金的热处理工艺,所述镁合金按重量百分比计包含:
0.5~1.5%钙;
0.5~2.5%锌;
其中直至100%的余量是镁;
需要说明的是,直至100重量%的余量包括镁以及不可避免的杂质,这样的杂质可来自于合金的制造过程或来自已经存在于原料中的杂质。
其热处理工艺具体步骤如下:
(1)均匀化退火:将所述镁合金置于氢气管式炉中热处理3~8h,热处理温度为300~350℃;
(2)固溶处理:将合金继续金相热处理5~10h,热处理温度为400~500℃,取出后在60~75℃的恒温水浴中冷却。
本发明一种镁合金的优点是:
一、提高合金的机械性能,为其在在工业上的应用开拓了广阔前景;
二、改善合金的铸造性能,由于纯镁的熔点高,收缩量大,流动性差,并且在150℃温度以上强度明显下降的缺点,采用合金化的方法能使镁合金的液相温度降低,流动性增加,收缩倾向减少,铸造性能提高;
三、增加合金的抗蠕变性能。
本发明一种镁合金的热处理工艺的优点是:可以充分发挥合金元素的作用,减小镁合金铸件的内应力,消除铸造过程中产生的缺陷从而使镁合金产生强化,需要对镁合金铸锭进行热处理。
附图说明
图1所示为本发明一种镁合金制成的可生物降解气道支架结构示意图。
图2所示为实施例3中球囊装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图提供本发明的具体实施方式。
实施例1
预备制作镁合金I,本实验以镁锭为主要成分(见表1-1),金属钙和金属锌为合金元素,在保护气(高纯氩气99.5%,六氟化硫0.05%)下,制备镁钙锌合金,所用实验材料与、重量及药品如表1-2所示,本实验所用到的主要设备列于表1-3。
表1-1纯镁锭的成分
表1-2实验材料、重量及药品
表1-3实验仪器及设备
熔炼工艺步骤:
(1)将镁锭分割成小块,去掉镁锭表面的杂质和氧化皮,将金属锌和金属钙分别称量好待用;
(2)将所用设备清理干净,尽量避免熔炼过程中混入杂质;
(3)熔炼前,将石墨坩埚与模具预热到280~290℃;
(4)熔炼时首先将纯镁块放入坩埚,置于炉中,抽真空完成后,接着充入高纯氩气和六氟化硫气体的混合气体(其中高纯氩气99.5%,六氟化硫0.05%);
(5)加热至纯镁块完全熔化,此后升温到大约720℃,搅拌大约5min;
(6)用铝箔将金属钙包好(因为钙太轻,容易漂浮在上面),迅速加入到镁溶液的底部,5min后加入Zn块,用细铁棒进行搅拌,拔渣,最终温度升高780保温10min;
(7)将熔融液体降温至在720℃,保温5min,开炉取出模具,然后将熔融液体浇入到模具中,待模。
热处理工艺步骤:
(1)均匀化退火:在温度为330℃,将镁合金置于氢气管式炉中热处理5h,目的是合金元素通过发生固态扩散,得到的成分较均匀。
(2)固溶处理:在温度为435℃,将合金继续金相热处理8h,取出后在恒温水浴(70±5℃)中冷却。
实验设计镁合金I的成分为镁97.79%、钙1.0%,锌1.2%,其他<0.01%,熔炼过程中虽然有保护气(氩气和六氟化硫),但熔融镁也会不同程度的蒸发,同时Ca和Zn元素有一定的损失,因此制备的合金实际的成分与设计成分不完全符合。
熔炼过程中,为了减少镁的质量损失,熔炼时镁的加入量应超出实际比例的5~10%。镁合金熔炼前后失重分析,结果为:合金Ⅰ失重为6.6%,符合冶炼要求。对制备的镁钙锌合金取样进行了EDS分析,结果见表1-4。
表1-4镁合金I实际成分
实施例2
预备制作镁合金Ⅱ,本实验以镁锭为主要成分(见表1-1),金属钙和金属锌为合金元素,在保护气(高纯氩气99.5%,六氟化硫0.05%)下,制备镁钙锌合金,所用实验材料与、重量及药品如表1-5所示,本实验所用到的主要设备列于表1-3。
表1-5实验材料、重量及药品
熔炼工艺和热处理工艺步骤同实施例1。
实验设计镁合金Ⅱ的成分为镁98%、钙1.0%,锌2%,其他<0.01%,熔炼过程中虽然有保护气(氩气和六氟化硫),但熔融镁也会不同程度的蒸发,同时Ca和Zn元素有一定的损失,因此制备的合金实际的成分与设计成分不完全符合。
熔炼过程中,为了减少镁的质量损失,熔炼时镁的加入量应超出实际比例的5~10%。镁合金熔炼前后失重分析,结果为:合金Ⅱ失重为6.2%,符合冶炼要求。对制备的镁钙锌合金取样进行了EDS分析,结果见表1-6。
表1-6镁合金I实际成分
实施例3
将实施例1或2中制成的镁合金作为材料,可以制成一种医用的可生物降解气道支架,应用于儿童先天性或后天性气道狭窄。
目前气管狭窄的治疗方法主要为外科手术或气道内置入支架。外科手术并发症较多,如皮下气肿、感染、出血、气胸、气管食管瘘等,多不作为首选治疗方法。现有的气道支架有一个非常突出的缺点:无论治疗成功还是失败,需要再次将支架取出。这样会进一步增加相关不良并发症的风险,尤其是对婴幼儿气道狭窄的治疗进展受到很大制约。
而用本发明所述的可生物降解气道支架则可以避免以上弊端,因为上述镁合金气道支架在一定时间内可以被机体降解吸收,在婴幼儿气道狭窄的诊治过程中,既能保证患儿顺利康复,还能解决患儿气道动态生长发育和气道支架静态不变之间不匹配这一主要矛盾,而且避免再次取出气管支架而大大减少相关并发症的发生率。
所述可生物降解气道支架可设计成如图1所示的网状结构,然后根据实际需要进行切割,气道支架可以通过球囊装置(如图2所示)扩展后达到一定直径,最大扩展直径范围为5~10mm。可以气道内窥镜为引导,应用气管支架置入器将镁合金支架推送至气道内,使其通过气道狭窄段约50%,然后释放支架。
婴幼儿可降解镁合金气道支架具有重要的临床实用价值,患儿预后得到明显改善,为社会节约大量的医疗资源,带来较为可观的社会效益和经济效益。与此同时,也能为成人气道狭窄的治疗拓宽思路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明结构的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种镁合金,其特征在于,按重量百分比计包含:
0.5~1.5%钙;
0.5~2.5%锌;
其中直至100%的余量是镁。
2.一种镁合金的熔炼工艺,其特征在于,所述镁合金按重量百分比计包含:
0.5~1.5%钙;
0.5~2.5%锌;
其中直至100%的余量是镁;
其熔炼工艺具体步骤如下:
(1)将镁锭分割成小块,去掉镁锭表面的杂质和氧化皮,将金属锌和金属钙分别称量好待用;
(2)熔炼前,将石墨坩埚与模具预热到280~290 ℃;
(3)熔炼时,首先将镁块放入坩埚,置于炉中,抽真空完成后,接着充入高纯氩气和六氟化硫气体的混合气体;
(4)加热至纯镁块完全熔化,此后升温到700~740 ℃,搅拌3~8 min;
(5)用铝箔将金属钙包好,迅速加入到镁溶液的底部,3~8 min后加入锌块,搅拌,拔渣,最终温度升高到750~800℃时保温8~12 min;
(6)将熔融液体降温至在700~740 ℃,保温3~8 min,开炉取出模具,然后将熔融液体浇入到模具中,待模。
3.一种镁合金的热处理工艺,其特征在于,所述镁合金按重量百分比计包含:
0.5~1.5%钙;
0.5~2.5%锌;
其中直至100%的余量是镁;
其热处理工艺具体步骤如下:
(1)均匀化退火:将所述镁合金置于氢气管式炉中热处理3~8h,热处理温度为300~350 ℃;
(2)固溶处理:将合金继续金相热处理5~10 h,热处理温度为400~500 ℃,取出后在60~75℃的恒温水浴中冷却。
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