CN104087800B - 一种含SiC颗粒的高弹性模量镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含SiC颗粒的高弹性模量的镁基复合材料。它包括如下重量百分含量的组分：铝和/或锌,1.0‑10.0％，SiC,1.0‑15.0％，余量为镁；各组分重量百分之和为100％；所述合金元素为铝和/或锌。其制备方法是在纯镁锭上打孔，将进行了表面改性处理并烘干后的SiC颗粒装入孔内，在保护气氛下将纯镁加热熔化，搅拌后，再迅速升温，加入其余组分的中间合金并搅拌，控制中间合金完全熔化至浇铸时间小于等于3分钟，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭。本发明组分配比合理、加工制造容易、价格低廉，制备的镁基复合材料具有高的室温强度和弹性模量，较好的塑性。综合性能明显高于现有的一般镁合金。适于工业化生产。

Description

一种含SiC颗粒的高弹性模量镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含SiC颗粒的高弹性模量镁基复合材料，该合金弹性模量可达50～70GPa。属于有色金属材料及其加工领域。

背景技术

为达到减重增效的目的，汽车制造业对高性能轻质材料的需求量迅速增长，镁合金材料作为可工业化生产的最轻金属结构材料，受到了特别的重视。近年来，航空航天及交通运输工具的速度越来越高，所需的动力功率越来越大，对材料的耐热性能及抗弹性变形能力提出了更高的要求。合金化是提高合金力学性能的有效手段。SiC颗粒具有高弹性模量(360～460GPa)，低密度(3.21×10³Kg﹒m^-3)，高熔点(2100℃)，高弯曲强度(400～500MPa)和低热膨胀系数(4.0×10^-6K^-1)等优点，是镁合金理想的增强体，对提高镁合金的耐热性能以及抗弹性变形能力具有显著的效果。

由混合定律可知，多相合金的弹性模量是由其组成相的弹性模量及其体积分数决定的。可惜的是，Mg-Al、Mg-Zn以及Mg-Al-Zn系合金中Mg₁₇Al₁₂(47.4GPa)和MgZn₂(44.8GPa)等相的弹性模量都比较低，使得合金的弹性模量也比较低，仅为40～45GPa，最终导致其抗弹性变形能力差，不能满足汽车制造业以及工程领域对轻质高强高弹性模量镁合金材料的需求。因此，研发高强高弹性模量镁基复合材料的需求已变得非常迫切。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理、加工制造容易、价格低廉的高弹性模量镁基复合材料，该材料可满足室温条件下对要求弹性模量为50～70GPa的轻质材料和(或)零部件制造的需求。

本发明的高弹性模量镁基复合材料，包括下述重量百分含量的组分：

铝和/或锌 1.0-10.0％，

SiC 1.0-15.0％，

余量为镁；各组分重量百分之和为 100％。

铝和/或锌为本发明添加的合金元素，合金元素和SiC的添加总重量占所述镁基复合材料的2-25％。

所述SiC的重量百分含量优选为5.0-15.0％，更优选为8.0-15.0％，最优选10.0-15.0％。

上述铝和锌可以单独使用也可以同时使用。同时使用时，铝和锌的重量比可以为9:1-1:1、9:1-2:1,、9:1-3:1、9:1，3:1或4.9:4.0。铝和/或锌的重量百分含量优选为4.0-10.0％，更优选为6.0-10.0％。

本发明的高弹性模量镁基复合材料，还包含有占高弹性模量镁基复合材料总量为小于等于2％的活性元素X，所述活性元素X选自钛(Ti)、银(Ag)、锆(Zr)、钙(Ca)、钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)中的任意一种；各组分重量百分之和为100％。所述活性元素X的重量百分含量优选为0.9-1.9％。实验证明，活性元素X的添加可以细化晶粒，改善晶界结构，提高镁合金的塑性。

优选的，所述镁基复合材料由下述重量份数比的组分组成：

铝和/或锌 1.0-10.0％，

SiC 1.0-15.0％，

所述活性元素X 小于等于2％。

余量为镁；各组分重量百分之和为 100％。

更优选的，所述镁基复合材料由下述重量份数比的组分组成：

铝和/或锌 2.0-10.0％，

SiC 5.0-15.0％，

所述活性元素X 0.9-1.9％；

余量为镁；各组分重量百分之和为 100％。

或者，所述镁基复合材料还可由下述重量百分含量的组分组成：

铝和/或锌 4.0-10.0％，

SiC 8.0-15.0％，

所述活性元素X 0.9-1.9％；

余量为镁；各组分重量百分之和为 100％；其中SiC的重量百分含量优选10.0-15.0％，具体可以为10％、12％或15％。

更具体的，所述镁基复合材料由下述重量份数比的组分组成：

铝和锌 6.0-10.0％，

SiC 10.0-15.0％，

所述活性元素X 0.9-1.9％；

余量为镁；各组分重量百分之和为 100％。

即，所述镁基复合材料可以由下述重量份数比的组分组成：

1)

铝 9.0％，

锌 1.0％，

SiC 10.0％，

所述活性元素X 0.9％，

余量为镁；各组分重量百分之和为100％；或，

2)

铝 3.0％，

锌 1.0％，

SiC 15.0％，

所述活性元素X 0.9％，

余量为镁；各组分重量百分之和为100％；或，

3)

铝 4.9％，

锌 4.0％，

SiC 10.0％，

所述活性元素X 1.0％，

余量为镁；各组分重量百分之和为100％；或

4)

铝 9.0％，

锌 1.0％，

SiC 15.0％，

所述活性元素X 0.9％，

余量为镁；各组分重量百分之和为100％。

上述SiC为SiC颗粒，粒径为1.0-20μm，具体可以为β-SiC_p。

本发明还提供上述高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

1)在纯镁锭上打孔，孔的直径为2.0～2.5cm；对SiC颗粒进行表面改性处理，烘干后将其装入孔内得到装有β-SiC_p颗粒的纯镁锭；

2)熔铸：将装有SiC颗粒的纯镁锭放入铁坩埚中在Ar气保护气氛下加热至700-720℃，待纯镁锭熔化后，对熔体进行搅拌后，迅速升温至730-740℃，然后，加入其余组分，并搅拌，控制中间合金完全熔化至浇铸时间小于等于3分钟，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭。

上述方法中，按设计的高模量镁基复合材料组分配比分别取各组分，本发明镁基复合材料的制备方法中，如果组分中含有锌，Zn以纯锌的方式加入纯镁熔体内；Mg用纯镁的方式加入，SiC颗粒用微米级尺寸(粒径为1.0-20μm)

的β-SiC_p加入，其余组分以镁基中间合金的形式加入。

本发明的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，还包括将所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理及200-250℃/0.5-6h时效处理后获得高弹性模量镁基复合材料；或者优选的，将所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理后，于200-350℃进行挤压、热轧或热锻塑形变形处理，然后，进行200-250℃/0.5-6h时效处理，分别获得到镁基复合材料的挤压材、热轧材或热锻材。

本发明的高弹性模量镁基复合材料，通过添加具有高弹性模量的SiC颗粒(360～460GPa)，从而使本发明所指的镁合金获得了很高的弹性模量。采用本发明所制得的材料(部件)在室温下的抗拉强度大于370MPa，弹性模量为50～70GPa，延伸率不低于4.0％。在优选的条件下，本发明的镁基复合材料的弹性模量达到60GPa以上。

综上所述，发明组分配比合理、加工制造容易、价格低廉，制备的高弹性模量镁基复合材料具有高的弹性模量和室温强度，较好的塑性。综合性能明显高于现有的一般镁合金。适于工业化生产。

具体实施方式

以下为本发明的优选实施方式，但本发明的范围不应被理解为只局限于此。

根据本发明，提供一种高弹性模量镁基复合材料，包括下述重量百分含量的组分：

铝和/或锌 1.0-10.0％，

SiC 1.0-15.0％，

余量为镁；各组分重量百分之和为 100％。

铝和/或锌为本发明添加的合金元素，合金元素和SiC的添加总重量占所述镁基复合材料的2-25％。

在本发明的一个实施方式中，所述SiC的重量百分含量优选为5.0-15.0％，更优选为8.0-15.0％，最优选10.0-15.0％。

上述铝和锌可以单独使用也可以同时使用。同时使用时，铝和锌的重量比可以为9:1-1:1、9:1-2:1,、9:1-3:1、9:1，3:1或4.9:4.0。铝和/或锌的重量百分含量优选为4.0-10.0％，更优选为6.0-10.0％。

在本发明的另一个实施方式中，本发明的高弹性模量镁基复合材料，还包含有占高弹性模量镁基复合材料总量为小于等于2％的活性元素X，所述活性元素X选自钛(Ti)、银(Ag)、锆(Zr)、钙(Ca)、钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)中的任意一种；各组分重量百分之和为100％。所述活性元素X的重量百分含量优选为0.9-1.9％。

在一个优选的技术方案中，所述镁基复合材料由下述重量份数比的组分组成：

铝和/或锌 1.0-10.0％，

SiC 1.0-15.0％，

所述活性元素X 小于等于2％。

余量为镁；各组分重量百分之和为 100％。

更优选的，所述镁基复合材料由下述重量份数比的组分组成：

铝和/或锌 2.0-10.0％，

SiC 5.0-15.0％，

所述活性元素X 0.9-1.9％；

余量为镁；各组分重量百分之和为 100％。

或者，所述镁基复合材料还可由下述重量百分含量的组分组成：

铝和/或锌 4.0-10.0％，

SiC 8.0-15.0％，

所述活性元素X 0.9-1.9％；

余量为镁；各组分重量百分之和为 100％；其中SiC的重量百分含量优选10.0-15.0％，具体可以为10％、12％或15％。

根据本发明，跟进一步的还提供上述高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

1)在纯镁锭上打孔，孔的直径为2.0～2.5cm；对SiC颗粒进行表面改性处理，烘干后将其装入孔内得到装有β-SiC_p颗粒的纯镁锭；

2)熔铸：将装有SiC颗粒的纯镁锭放入铁坩埚中在Ar气保护气氛下加热至700-720℃，待纯镁锭熔化后，对熔体进行搅拌后，迅速升温至730-740℃，然后，加入其余组分，并搅拌，控制中间合金完全熔化至浇铸时间小于等于3分钟，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭。

上述方法中，按设计的高模量镁基复合材料组分配比分别取各组分，本发明镁基复合材料的制备方法中，如果组分中含有锌，Zn以纯锌的方式加入纯镁熔体内；Mg用纯镁的方式加入，SiC颗粒用微米级尺寸(粒径为1.0-20μm)的β-SiC_p加入，其余组分以镁基中间合金的形式加入。

本发明的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，还包括将所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理及200-250℃/0.5-6h时效处理后获得高弹性模量镁基复合材料；或者优选的，将所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理后，于200-350℃进行挤压、热轧或热锻塑形变形处理，然后，进行200-250℃/0.5-6h时效处理，分别获得到镁基复合材料的挤压材、热轧材或热锻材。

实施例

下述实施例中所述的百分含量如无特别说明，均为重量百分含量。

本发明提供表1-4所示的不同组分配比实施例，各组分中杂质含量不超过0.1％，除表格中列出的组分如合金元素(Al、Zn和活性元素X)与SiC颗粒外，剩余的是Mg。

实施例1、本发明镁基复合材料的制备及其性能鉴定

本发明实施例中，按照表1-表4中所示的组分配比分别制备复合材料，具体制备方法如下所述：

1、按设计的高弹性模量镁基复合材料组分配比分别取各组分，其中：Mg用纯镁的方式加入，SiC颗粒用β-SiC_p颗粒(粒径为1.0-20μm)的形式加入，Zn用纯锌的方式加入，其余组分以镁基中间合金的形式加入；

2、在纯镁锭上打孔，孔的直径为2.0～2.5cm；对β-SiC_p颗粒进行表面改性处理，烘干后将其装入孔内；其中，表面改性处理是将SiC颗粒在浓度为2％的HF溶液中浸泡12h，然后超声清洗12min，再用蒸馏水洗涤至中性(用PH试纸检验其酸碱性)，最后在200℃烘箱中烘干备用。

3、熔铸：将步骤2得到的装有β-SiC_p颗粒的纯镁锭放入铁坩埚中在Ar气保护气氛下加热至710℃，待纯镁锭熔化后，以300rpm的速度对熔体进行搅拌2分钟，迅速升温至730℃，然后，加入其余组分的镁基中间合金，和纯锌(如果复合材料不含纯锌则不加)，并搅拌，控制中间合金完全熔化至浇铸时间小于等于3分钟，精炼扒渣，浇铸，得到镁基复合材料铸锭。

4、将步骤3中制备镁基复合材料铸锭，经415℃/12h均匀化处理及215℃/4h时效处理得到的铸件，即高弹性模量镁基复合材料。

上述方法定义为A制备方法。

或者将A方法中的步骤4的步骤变更为经415℃/12h均匀化处理后分别热轧、热锻或热挤压，然后，进行215℃/12h时效处理得到热加工料，其余方法同方法A分别定义为B、C、D制备方法。其中：热轧、热锻、热挤压参数为300℃。

对该A、B、C、D方法获得的镁基复合材料进行室温拉伸性能测试，其室温拉伸性能测试方法按GB/T228-2010，试样标距段直径为6mm，标距长度为30mm，拉伸速度为0.5mm/min。结果如表1-表4所示，实施例的合金元素与SiC颗粒重量百分含量、制备方法及力学性能参数见表1、表2、表3和表4。上述方法中X选自铝(Al)、钛(Ti)、银(Ag)、锆(Zr)、钙(Ca)、钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)中的任意一种，经过试验验证，这些活性元素的在上述范围内的选择之间的效果没有明显差异。

从以上实施例得到的性能参数可以看出：在镁合金中添加一定量的SiC颗粒能显著提高其弹性模量，得到高弹性模量镁基复合材料。由表1-表4的结果可以看出：

1)当SiC的重量百分含量在1.0-15.0％之间，铝和/或锌的质量百分含量在1.0-10.0％的范围，弹性模量达到50GPa以上，抗拉强度在353MPa以上；

2)SiC的重量百分含量优选为5.0-15.0％，更优选为8.0-15.0％，最优选10-15％；在这个范围内，随着SiC的重量百分含量增加弹性模量增加，并且，延展率等其他参数也能达到要求的效果。

3)当铝和锌的质量百分含量在2-10％的范围，延展性达到4.0％以上，当铝和锌的质量百分含量优选在4-10％的范围；

4)当铝和锌同时添加时效果更好，并且他们的总质量百分含量优选在4-10％的范围，SiC的重量百分含量在10.0-15.0％之间，并且添加活性元素X为0.9-1.9％时，所获得的镁基复合材料的性能更加优异，弹性模量达到60GPa以上，抗拉强度在370MPa以上，延展率也在4.0％以上，铝和锌同时添加，并且比例范围为9:1-1:1效果最优。

由此可见，本发明的通过优化了SiC的配比，特别是其与合金元素和活性元素的组配，产生了协同增效的优异效果，大幅度的提高了镁基复合材料的弹性模量和抗拉强度，并且保持了良好的延展性。并且，利用方法B、C或D进行热轧、热锻或热挤压后可明显提高抗拉强度和延展性。

表1.制备方法A制备的复合材料

表2.制备方法B制备的复合材料

表3.制备方法C制备的复合材料

表4.制备方法D制备的复合材料

Claims (11)

1.制备镁基复合材料的方法，包括下述步骤：

所述镁基复合材料包括下述重量百分含量的组分：

铝和/或锌 1.0-10.0％，

SiC 1.0-15.0％，

余量为镁；各组分重量百分之和为100％；

1)在镁锭上打孔；对SiC颗粒进行表面改性处理，烘干后将其装入孔内；

2)熔铸：将步骤1)得到的装有SiC颗粒的镁锭在Ar气保护气氛下加热至700-720℃，待镁锭熔化后，对熔体进行搅拌，迅速升温至730-740℃，然后，加入其余组分，并搅拌，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭；

将所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理及200-250℃/0.5-6h时效处理后获得镁基复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，若镁基复合材料的组分中含有锌，锌以纯锌的方式加入纯镁熔体内，其余的组分均以镁基中间合金的形式添加。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述在镁锭上打孔，孔的直径为2.0～2.5cm；步骤2)中，控制中间合金完全熔化至浇铸时间小于等于3分钟。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述铸锭经400-425℃/2-24h均匀化处理后，于200-350℃进行挤压、热轧或热锻塑性变形处理，然后，进行200-250℃/0.5-6h时效处理，分别获得镁基复合材料的挤压材、热轧材或热锻材。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述镁基复合材料中还包含有占所述镁基复合材料总量为小于等于2％的活性元素X，所述活性元素X选自钛、银、锆、钙、钪、镧、铈、铕、镨、钷、钐中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述镁基复合材料由下述重量百分含量的组分组成：

铝和/或锌 2.0-10.0％，

SiC 5.0-15.0％，

所述活性元素X 0.9-1.9％；

余量为镁；各组分重量百分之和为100％。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述镁基复合材料由下述重量百分含量的组分组成：

铝和/或锌 4.0-10.0％，

SiC 8.0-15.0％，

所述活性元素X 0.9-1.9％；

余量为镁；各组分重量百分之和为100％。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述镁基复合材料由下述重量百分含量的组分组成：

铝和/或锌 6.0-10.0％，

SiC 10.0-15.0％，

所述活性元素X 0.9-1.9％；

余量为镁；各组分重量百分之和为100％。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的制备方法，其特征在于：所述铝和锌添加重量比为9:1-1:1。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述镁基复合材料由下述重量份数比的组分组成：

铝和锌 6.0-10.0％，

SiC 10.0-15.0％，

所述活性元素X 0.9-1.9％；

余量为镁；各组分重量百分之和为100％。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：SiC为SiC颗粒，粒径为1.0-20μm。