CN104109790B - 高强镁合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强镁合金材料及其制备方法，该镁合金材料组分中包含铝(Al)，锌(Zn)，氯化锰(MnCl2)，碳化硅(SiC)晶粒，铍(Be)，镁(Mg)，其中，镁合金材料各组分组成按重量百分比分别为：铝(Al)：10.5-12％，锌(Zn)：6-7％，氯化锰(MnCl2)：0.6-1.5％，碳化硅(SiC)晶粒：2-3.5％，铍(Be)：0.01-0.03％，余量为镁(Mg)。本发明所提供的高强镁合金材料及其制备方法，通过连续铸造的方式取代传统的挤压工艺，以短流程的方式完成镁合金的生产，缩短了生产流程，节约了成本，所制备的镁合金材料相比于传统的镁合金材料，在抗拉强度、屈服强度、延伸率、弹性模量、硬度等方面均得到明显改善。

Description

高强镁合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金材料领域，尤其涉及高强镁合金材料及其制备方法。
背景技术
镁合金是最轻的工程金属材料之一，是以镁为基础加入其它元素组成的合金。其特点是密度小(1.8g/cm3镁合金左右)，比强度高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好，特别适合制造有重量轻、强度高、减震降噪要求的工程结构部件和有一定强度要求的壳体类零件。因此，镁合金是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中大量使用的最轻金属结构材料。但是，随着我国航空航天业的续迅速发展，对轻质、高强的合金材料的要求不断提高，而现有的镁合金材料为典型密排六方结构，室温变形时只有单一的基面滑移系，变形能力较差，强度只有200MPa左右，限制了其应用，只适用于制造低承力的结构零件；无法满足高强度承载力结构件的要求。因此，高性能的航空航天结构件用镁合金材料将有广阔的发展前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强镁合金材料及其制备方法，利用本发明在保证相应性能的同时，进一步改善镁合金的强度和塑性，从而得到一种高强镁合金材料。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强镁合金材料，该镁合金材料组分中包含铝(Al)，锌(Zn)，氯化锰(MnCl2)，碳化硅(SiC)晶粒，铍(Be)，镁(Mg)，其中，镁合金材料各组分组成按重量百分比分别为：铝(Al)：10.5-12％，锌(Zn)：6-7％，氯化锰(MnCl2)：0.6-1.5％，碳化硅(SiC)晶粒：2-3.5％，铍(Be)：0.01-0.03％，余量为镁(Mg)。其中氯化锰含量为所加原料的0.6-1.5％，即起到了除铁的作用，同时又能增加合金的力学性能；
进一步地，镁合金材料各组分组成按重量百分比分别为：铝(Al)：10.75-11.5％，锌(Zn)：6.25-6.75％，氯化锰(MnCl2)：0.8-1.2％，碳化硅(SiC)晶粒：2.3-3.2％，铍(Be)：0.015-0.025％，余量为镁(Mg)。
进一步地，镁合金材料各组分组成按重量百分比分别为：铝(Al)：11％，锌(Zn)：6.5％，氯化锰(MnCl2)：1.0％，碳化硅(SiC)晶粒：2.8％，铍(Be)：0.02％，余量为镁(Mg)。
进一步地，其中所述碳化硅(SiC)晶粒的粒径在10μm-100μm范围内。
一种上述高强镁合金材料的制备方法，具有以下步骤：
1)根据测算结果准备材料，将设定好的元素成分按照比例称重并在170℃预加热准备的材料中的金属块；
2)预加热坩埚电炉并加入1.5-2.5公斤的金属卤化物溶剂A；待温度达到300℃且坩埚变红时，将坩埚内清理干净，以确保无任何其他杂物；
3)将预加热备用的镁锭加入熔化炉中熔化，时间为2-2.5小时；镁锭熔化后，立即升温坩埚电炉至700℃，并加入定量的锌锭和锰，然后升高坩埚电炉温度到730-750℃，熔炼10-15分钟后开启机械搅拌装置进行搅拌，搅拌速度为30r/分搅拌15分钟，然后调整搅拌速度为45r/分搅拌5分钟；
4)往坩埚电炉中添加2-3公斤熔剂A，然后按照速度40r/分搅拌，并进行精炼8-10分钟，关闭搅拌装置；
5)将搅拌完成的合金液保温至720℃，静置沉淀20分钟后，取样用直读光谱仪检测其化学成份，确定在设定范围之内；
6)将坩埚熔炼电炉进行密封，按照低压转注方式用移液管把坩埚熔炼炉内的合金液体移入工频保温铸造炉内，并添加预加热温度为170℃的碳化硅细微颗粒，人工搅拌10-15分钟后冲入保护性气体B静置3分钟；
7)将静置后的液体用连续铸造法生产合金坯锭，毛坯锭材按照预期所需尺寸设定为圆棒直径10mm-600mm，方棒15-500mm；
8)对铸造完成的合金锭进行热处理，在200-250℃的温度下淬火1.5-2小时，进一步提升材料的强度；
9)按照航空航天结构件的尺寸进行适当的机械加工成型。
进一步地，所述步骤2)中的金属卤化物溶剂A中各组分及他们的重量百分比含量分别为：MgCl2：40-45％，KCl：30-35％，BaCl2：10-15％，CaF2：4-6％，NaCl：4-7％。此溶剂可以很好的去除杂质。
进一步地，所述步骤2)中的金属卤化物溶剂A中各组分及他们的重量百分比含量分别为：MgCl2：43％，KCl：33％，BaCl2：14％，CaF2：4％，NaCl：6％。
进一步地，所述步骤2)中的保护性气体B为40％的CO2和60％的SF6的混合体。此气体可以很好的保护合金液不被氧化。
本发明还提供了一种高强镁合金材料在制备航空航天用结构件中的用途。
本发明所提供的高强镁合金材料及其制备方法，首先，通过相图计算技术(CALPHAD)寻找合金材料各元素的最佳组合，以确定合金的元素组成成分的最佳范围，通过碳化硅颗粒在合金凝固过程中细化了合金的晶粒度，并析出了非常稳定的弥散相，有助于提高组织的硬度；其次，采用300公斤坩埚电炉进行溶剂保护下熔炼，熔炼完成后合金液转入500公斤工频保温电炉中，结合保护气体进行连续铸造，以铸造成长型的圆棒、六角棒或方锭；再次，通过反复热处理的方式对合金锭进行结晶细化；最后通过机械加工的方式完成不同形状的结构件。
本发明通过连续铸造的方式取代传统的挤压工艺，以短流程的方式完成镁合金的生产，缩短了生产流程，节约了成本。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1本发明的高强镁合金材料的制备
按照重量比为铝(Al)：10.5％，锌(Zn)：6％，氯化锰(MnCl2)：0.6％，碳化硅(SiC)晶粒：2％，铍(Be)：0.01％，余量为镁(Mg)准备合金原料，其中所述碳化硅(SiC)晶粒的粒径为50μm，不可避免的杂质总和小于0.1％，氯化锰(MnCl2)的加入起到了除铁的作用，同时又增加了合金的力学性能。
根据测算结果准备材料，将设定好的元素成分按照比例称重并在170℃预加热镁锭、铝锭、锰等金属块；
预加热坩埚电炉并加入1.5公斤的溶剂A，其组成成分的重量百分比含量分别为：MgCl2：40％，KCl：35％，BaCl2：15％，CaF2：6％，NaCl：4％；待温度达到300℃且坩埚变红时，将坩埚内清理干净，以确保无任何其他杂物；
将预加热备用的300kg的镁锭加入熔化炉中熔化，时间为2.5小时；镁锭熔化后，立即升温坩埚电炉至700℃，并加入定量的锌锭和锰，然后升高坩埚电炉温度到730℃，熔炼11分钟后开启机械搅拌装置进行搅拌，搅拌速度为30r/分搅拌15分钟，然后调整搅拌速度为45r/分搅拌5分钟；
往坩埚电炉中添加2-3公斤熔剂A，然后按照速度40r/分搅拌，并进行精炼9分钟，关闭搅拌装置；
将搅拌完成的合金液保温至720℃，静置沉淀20分钟后，取样用直读光谱仪检测其化学成份，确定在设定范围之内；
将坩埚熔炼电炉进行密封，按照低压转注方式用移液管把坩埚熔炼炉内的合金液体移入工频保温铸造炉内，并添加预加热温度为170℃的碳化硅细微颗粒，人工搅拌15分钟后冲入保护性气体B静置3分钟，保护性气体B为40％的CO2和60％的SF6的混合体；
将静置后的液体用连续铸造法生产合金坯锭，毛坯锭材按照预期所需尺寸设定为圆棒直径100mm；
对铸造完成的合金锭进行热处理，在220℃的温度下淬火1.5小时，进一步提升材料的强度；
按照航空航天结构件的尺寸进行适当的机械加工成型。
实施例2本发明的高强镁合金材料的制备
按照重量比为铝(Al)：12％，锌(Zn)：7％，氯化锰(MnCl2)：1.5％，碳化硅(SiC)晶粒：3.5％，铍(Be)：0.03％，余量为镁(Mg)准备合金原料，其中所述碳化硅(SiC)晶粒的粒径为70μm，不可避免的杂质总和小于0.1％，氯化锰(MnCl2)的加入起到了除铁的作用，同时又增加了合金的力学性能。
根据测算结果准备材料，将设定好的元素成分按照比例称重并在170℃预加热镁锭、铝锭、锰等金属块；
预加热坩埚电炉并加入2.5公斤的溶剂A，其组成成分的重量百分比含量分别为：MgCl2：43％，KCl：33％，BaCl2：14％，CaF2：6％，NaCl：4％；待温度达到300℃且坩埚变红时，将坩埚内清理干净，以确保无任何其他杂物；
将预加热备用的300kg的镁锭加入熔化炉中熔化，时间为2.5小时；镁锭熔化后，立即升温坩埚电炉至700℃，并加入定量的锌锭和锰，然后升高坩埚电炉温度到730℃，熔炼15分钟后开启机械搅拌装置进行搅拌，搅拌速度为30r/分搅拌15分钟，然后调整搅拌速度为45r/分搅拌5分钟；
往坩埚电炉中添加2-3公斤熔剂A，然后按照速度40r/分搅拌，并进行精炼10分钟，关闭搅拌装置；
将搅拌完成的合金液保温至720℃，静置沉淀20分钟后，取样用直读光谱仪检测其化学成份，确定在设定范围之内；
将坩埚熔炼电炉进行密封，按照低压转注方式用移液管把坩埚熔炼炉内的合金液体移入工频保温铸造炉内，并添加预加热温度为170℃的碳化硅细微颗粒，人工搅拌15分钟后冲入保护性气体B静置3分钟，保护性气体B为40％的CO2和60％的SF6的混合体；
将静置后的液体用连续铸造法生产合金坯锭，毛坯锭材按照预期所需尺寸设定为圆棒直径400mm；
对铸造完成的合金锭进行热处理，在220℃的温度下淬火1.5小时，进一步提升材料的强度；
按照航空航天结构件的尺寸进行适当的机械加工成型。
实施例3本发明的高强镁合金材料的制备
按照重量比为铝(Al)：10.75％，锌(Zn)：6.25％，氯化锰(MnCl2)：0.8％，碳化硅(SiC)晶粒：2.3％，铍(Be)：0.015％，余量为镁(Mg)准备合金原料，其中所述碳化硅(SiC)晶粒的粒径为70μm，不可避免的杂质总和小于0.1％，氯化锰(MnCl2)的加入起到了除铁的作用，同时又增加了合金的力学性能。
根据测算结果准备材料，将设定好的元素成分按照比例称重并在170℃预加热镁锭、铝锭、锰等金属块；
预加热坩埚电炉并加入2公斤的溶剂A，其组成成分的重量百分比含量分别为：MgCl2：42％，KCl：34％，BaCl2：14％，CaF2：5％，NaCl：5％；待温度达到300℃且坩埚变红时，将坩埚内清理干净，以确保无任何其他杂物；
将预加热备用的300kg的镁锭加入熔化炉中熔化，时间为2.5小时；镁锭熔化后，立即升温坩埚电炉至700℃，并加入定量的锌锭和锰，然后升高坩埚电炉温度到730℃，熔炼15分钟后开启机械搅拌装置进行搅拌，搅拌速度为30r/分搅拌15分钟，然后调整搅拌速度为45r/分搅拌5分钟；
往坩埚电炉中添加2-3公斤熔剂A，然后按照速度40r/分搅拌，并进行精炼10分钟，关闭搅拌装置；
将搅拌完成的合金液保温至720℃，静置沉淀20分钟后，取样用直读光谱仪检测其化学成份，确定在设定范围之内；
将坩埚熔炼电炉进行密封，按照低压转注方式用移液管把坩埚熔炼炉内的合金液体移入工频保温铸造炉内，并添加预加热温度为170℃的碳化硅细微颗粒，人工搅拌15分钟后冲入保护性气体B静置3分钟，保护性气体B为40％的CO2和60％的SF6的混合体；
将静置后的液体用连续铸造法生产合金坯锭，毛坯锭材按照预期所需尺寸设定为方棒直径400mm；
对铸造完成的合金锭进行热处理，在220℃的温度下淬火1.5小时，进一步提升材料的强度；
按照航空航天结构件的尺寸进行适当的机械加工成型。
实施例4本发明的高强镁合金材料的制备
按照重量比为铝(Al)：11.5％，锌(Zn)：6.75％，氯化锰(MnCl2)：1.2％，碳化硅(SiC)晶粒：3.2％，铍(Be)：0.025％，余量为镁(Mg)准备合金原料，其中所述碳化硅(SiC)晶粒的粒径为70μm，不可避免的杂质总和小于0.1％，氯化锰(MnCl2)的加入起到了除铁的作用，同时又增加了合金的力学性能。
根据测算结果准备材料，将设定好的元素成分按照比例称重并在170℃预加热镁锭、铝锭、锰等金属块；
预加热坩埚电炉并加入2公斤的溶剂A，其组成成分的重量百分比含量分别为：MgCl2：43％，KCl：33％，BaCl2：14％，CaF2：4％，NaCl：6％；待温度达到300℃且坩埚变红时，将坩埚内清理干净，以确保无任何其他杂物；
将预加热备用的300kg的镁锭加入熔化炉中熔化，时间为2.5小时；镁锭熔化后，立即升温坩埚电炉至700℃，并加入定量的锌锭和锰，然后升高坩埚电炉温度到730℃，熔炼15分钟后开启机械搅拌装置进行搅拌，搅拌速度为30r/分搅拌15分钟，然后调整搅拌速度为45r/分搅拌5分钟；
往坩埚电炉中添加2-3公斤熔剂A，然后按照速度40r/分搅拌，并进行精炼10分钟，关闭搅拌装置；
将搅拌完成的合金液保温至720℃，静置沉淀20分钟后，取样用直读光谱仪检测其化学成份，确定在设定范围之内；
将坩埚熔炼电炉进行密封，按照低压转注方式用移液管把坩埚熔炼炉内的合金液体移入工频保温铸造炉内，并添加预加热温度为170℃的碳化硅细微颗粒，人工搅拌15分钟后冲入保护性气体B静置3分钟，保护性气体B为40％的CO2和60％的SF6的混合体；
将静置后的液体用连续铸造法生产合金坯锭，毛坯锭材按照预期所需尺寸设定为方棒直径400mm；
对铸造完成的合金锭进行热处理，在220℃的温度下淬火1.5小时，进一步提升材料的强度；
按照航空航天结构件的尺寸进行适当的机械加工成型。
实施例5本发明的高强镁合金材料的制备
按照重量比为铝(Al)：11％，锌(Zn)：6.5％，氯化锰(MnCl2)：1.0％，碳化硅(SiC)晶粒：2.8％，铍(Be)：0.02％，余量为镁(Mg)准备合金原料，其中所述碳化硅(SiC)晶粒的粒径为100μm，不可避免的杂质总和小于0.1％，氯化锰(MnCl2)的加入起到了除铁的作用，同时又增加了合金的力学性能。
根据测算结果准备材料，将设定好的元素成分按照比例称重并在170℃预加热镁锭、铝锭、锰等金属块；
预加热坩埚电炉并加入2公斤的溶剂A，其组成成分的重量百分比含量分别为：MgCl2：43％，KCl：33％，BaCl2：14％，CaF2：4％，NaCl：6％；待温度达到300℃且坩埚变红时，将坩埚内清理干净，以确保无任何其他杂物；
将预加热备用的300kg的镁锭加入熔化炉中熔化，时间为2.5小时；镁锭熔化后，立即升温坩埚电炉至700℃，并加入定量的锌锭和锰，然后升高坩埚电炉温度到730℃，熔炼15分钟后开启机械搅拌装置进行搅拌，搅拌速度为30r/分搅拌15分钟，然后调整搅拌速度为45r/分搅拌5分钟；
往坩埚电炉中添加2-3公斤熔剂A，然后按照速度40r/分搅拌，并进行精炼10分钟，关闭搅拌装置；
将搅拌完成的合金液保温至720℃，静置沉淀20分钟后，取样用直读光谱仪检测其化学成份，确定在设定范围之内；
将坩埚熔炼电炉进行密封，按照低压转注方式用移液管把坩埚熔炼炉内的合金液体移入工频保温铸造炉内，并添加预加热温度为170℃的碳化硅细微颗粒，人工搅拌15分钟后冲入保护性气体B静置3分钟，保护性气体B为40％的CO2和60％的SF6的混合体；
将静置后的液体用连续铸造法生产合金坯锭，毛坯锭材按照预期所需尺寸设定为方棒直径300mm；
对铸造完成的合金锭进行热处理，在220℃的温度下淬火1.5小时，进一步提升材料的强度；
按照航空航天结构件的尺寸进行适当的机械加工成型。
本发明提供的高强镁合金材料在常温下与传统的镁合金材料的性能对比如表1所示：
表1
本发明提供的高强镁合金材料经过加热至200℃之后与传统的镁合金材料的性能对比如表2所示：
表2
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种高强镁合金材料，其特征在于，该镁合金材料组分中包含铝(Al)，锌(Zn)，氯化锰(MnCl2)，碳化硅(SiC)晶粒，铍(Be)，镁(Mg)，其中，镁合金材料各组分组成按重量百分比分别为：铝(Al)：10.75-11.5％，锌(Zn)：6.25-6.75％，氯化锰(MnCl2)：0.8-1.2％，碳化硅(SiC)晶粒：2.3-3.2％，铍(Be)：0.015-0.025％，余量为镁(Mg)。
2.根据权利要求1所述的高强镁合金材料，其特征在于，镁合金材料各组分组成按重量百分比分别为：铝(Al)：11％，锌(Zn)：6.5％，氯化锰(MnCl2)：1.0％，碳化硅(SiC)晶粒：2.8％，铍(Be)：0.02％，余量为镁(Mg)。
3.根据权利要求1或2所述的高强镁合金材料，其特征在于，其中所述碳化硅(SiC)晶粒的粒径在10μm-100μm范围内。
4.一种上述权利要求所述的高强镁合金材料的制备方法，其特征在于，具有以下步骤：
1)根据测算结果准备材料，将设定好的元素成分按照比例称重并在170℃预加热准备的材料中的镁锭、铝锭、锰金属块；
2)预加热坩埚电炉并加入1.5-2.5公斤的金属卤化物熔剂A；待温度达到300℃且坩埚变红时，将坩埚内清理干净，以确保无任何其他杂物；
3)将预加热备用的镁锭加入熔化炉中熔化，时间为2-2.5小时；镁锭熔化后，立即升温坩埚电炉至700℃，并加入定量的锌锭和锰，然后升高坩埚电炉温度到730-750℃，熔炼10-15分钟后开启机械搅拌装置进行搅拌，搅拌速度为30r/分搅拌15分钟，然后调整搅拌速度为45r/分搅拌5分钟；
4)往坩埚电炉中添加2-3公斤金属卤化物熔剂A，然后按照速度40r/分搅拌，并进行精炼8-10分钟，关闭搅拌装置；
5)将搅拌完成的合金液保温至720℃，静置沉淀20分钟后，取样用直读光谱仪检测其化学成份，确定在设定范围之内；
6)将坩埚熔炼电炉进行密封，按照低压转注方式用移液管把坩埚熔炼炉内的合金液体移入工频保温铸造炉内，并添加预加热温度为170℃的碳化硅细微颗粒，人工搅拌10-15分钟后冲入保护性气体B静置3分钟；
7)将静置后的液体用连续铸造法生产合金坯锭，毛坯锭材按照预期所需尺寸设定为圆棒直径10mm-600mm，方棒15-500mm；
8)对铸造完成的合金锭进行热处理，在200-250℃的温度下淬火1.5-2小时，进一步提升材料的强度；
9)按照航空航天结构件的尺寸进行适当的机械加工成型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中的金属卤化物熔剂A中各组分及他们的重量百分比含量分别为：MgCl2：40-45％，KCl：30-35％，BaCl2：10-15％，CaF2：4-6％，NaCl：4-7％。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中的金属卤化物熔剂A中各组分及他们的重量百分比含量分别为：MgCl2：43％，KCl：33％，BaCl2：14％，CaF2：4％，NaCl：6％。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中的保护性气体B为40％的CO2和60％的SF6的混合体。
8.一种权利要求1-3中任一项所述的高强镁合金材料在制备航空航天用结构件中的用途。
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