CN104233123B - 一种Mg‑Al‑Cd‑Zn系增强镁基合金及其制备方法 - Google Patents

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一种Mg‑Al‑Cd‑Zn系增强镁基合金，其特征在于，按重量百分比含量含有：Al 3‑3.5％，Cd 3‑4％，Zn 3‑4％，Gd 0.2‑0.25％，Si 1‑1.5％，Ca 0.7‑0.8％，Ba 0.1‑0.2％，Li 0.7‑0.8％、Sr 0.5‑0.6％，La 0.6‑0.7％，Pr 0.35‑0.4％，Nd 0.4‑0.5％，Y 0.5‑0.6％，Zr 0.3‑0.4％，Sn 1.2‑1.3％，Mn 1.3‑1.4％，Ni 0.3‑0.4％，Ti 0.3‑0.35％，Hf0.3‑0.35％，Ce 0.1‑0.2％、Nb 1‑1.2％，氮化硅纳米颗粒1‑2％，氮化硼纳米颗粒1‑1.5％，石墨烯1.5‑2％，硼酸镁晶须1‑1.5％，余量为Mg。该合金的抗拉性能、屈服性能以及韧性都得到显著提升。

Description

一种Mg-Al-Cd-Zn系增强镁基合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁基合金材料领域，尤其是一种Mg-Al-Cd-Zn系增强镁基合金及其制备方法。
背景技术
镁合金是以镁为原料的高性能轻型结构材料，全球镁合金的需求年均增长达到10％左右，西方镁合金的市场需求增长率达到了15％以上，未来镁合金的市场需求将呈现快速增长的趋势。镁合金因其具有低密度、散热好、比刚度高、比弹性量大，易回收利用等特点，在机械、电子航天航空灯领域被广泛应用，但是镁合金拉伸倾点和屈服强度低，抗蠕变性能差，限制了其进一步的推广应用。
中国专利CN1360078A涉及一种固溶强化镁基合金，该合金中加入量Ce和Mn等元素，提高了镁基合金的各种性能，但是该合金仍有很大的局限性。
中国专利CN 1441074A涉及一种镁基合金的制备工艺，其通过球磨法控制原料的粒径，使得原料分散均匀，提高了合金的性能，但是仅工艺改进带来的效果，还不足以使得镁基合金性能得到大幅提升。
中国专利CN1560299A涉及一种含Mg、Si、Y合金，该合金中加入了Si、Y并且改进了熔炼工艺，提高了镁基合金的抗蠕变性能，但是该合金的强度和拉伸性能较差。
因此现有技术中，急需提高镁基的合金的各项性能，从而拓宽其应用领域，尤其是对镁基合金要求较高的领域。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的镁基合金抗拉伸和屈服强度低等的缺陷，提供一种性能优良的的Mg-Al-Cd-Zn系增强镁基合金。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种Mg-Al-Cd-Zn系增强镁基合金，其特征在于，按重量百分比含量含有：Al 3-3.5％，Cd 3-4％，Zn 3-4％，Gd 0.2-0.25％，Si 1-1.5％，Ca 0.7-0.8％，Ba 0.1-0.2％，Li0.7-0.8％、Sr 0.5-0.6％，La 0.6-0.7％，Pr 0.35-0.4％，Nd 0.4-0.5％，Y 0.5-0.6％，Zr0.3-0.4％，Sn 1.2-1.3％，Mn 1.3-1.4％，Ni 0.3-0.4％，Ti 0.3-0.35％，Hf 0.3-0.35％，Ce 0.1-0.2％、Nb 1-1.2％，氮化硅纳米颗粒1-2％，氮化硼纳米颗粒1-1.5％，石墨烯1.5-2％，硼酸镁晶须1-1.5％，余量为Mg。
上述增强镁基合金优选的组成为：
按重量百分比含量含有：Al 3.3％，Cd 3.5％，Zn 3.5％，Gd 0.23％，Si 1.2％，Ca0.75％，Ba 0.15％，Li 0.75％、Sr 0.55％，La 0.65％，Pr 0.37％，Nd 0.45％，Y 0.55％，Zr 0.35％，Sn 1.25％，Mn 1.35％，Ni 0.35％，Ti 0.33％，Hf 0.33％，Ce 0.15％、Nb1.1％，氮化硅纳米颗粒1.5％，氮化硼纳米颗粒1.4％，石墨烯1.7％，硼酸镁晶须1.3％，余量为Mg。
所述镁基合金的制备方法如下：
(1)按照既定重量百分比进行配料：准备对应比例的纯Mg、Al、Cd以及Zn锭、其他合金元素、以及氮化硅纳米颗粒、氮化硼纳米颗粒、石墨烯、硼酸镁晶须，备用；
(2)将氮化硅纳米颗粒、氮化硼纳米颗粒在600℃进行预热处理，备用；
(3)将坩埚预热至650℃，将纯Mg锭置于坩埚内，通入氮气和SF6混合气体，待纯Mg锭完全熔化后，加入纯Al、Cd、Zn锭以及其他合金元素充分熔化；加入预热后的氮化硅纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒，随后加入石墨烯、硼酸镁晶须，机械搅拌使其混合均匀，继续熔炼，熔炼的同时继续进行搅拌，熔炼完成后充分静置；
(4)精炼：继续升高温度至740℃以上，进行精炼；
(5)浇铸并冷却。
本发明的制备方法还可以包括现有技术中常见的热处理。
本发明具有以下优点：
加入氮化硼纳米颗粒、氮化硅纳米颗粒、石墨烯以及硼酸镁晶须，上述物质共同作用提高了镁基合金的综合力学性能。
六种稀土元素Gd、La、Pr、Nd、Y、Ce同时加入，改变了合金的微观组织结构，提高了镁基合金的耐热性能，并且提高了其铸造性能。
Nb和Mn的加入，进一步提高了合金的性能。
Zr、Sn和Ni的加入，进一步优化了合金的组成，提高了其性能。
优化了各种成分的比例，进一步提高了镁基合金的各种性能。优选，所述继续升高温度至800、900、1000、1100、1200℃。
具体实施方式
实施例1：
制备成分如下所示的镁基合金，按重量百分比含有如下组分：Al 3％，Cd 3％，Zn3％，Gd 0.2％，Si 1％，Ca 0.7％，Ba 0.1％，Li 0.7％、Sr 0.5％，La 0.6％，Pr 0.35％，Nd0.4％，Y 0.5％，Zr 0.3％，Sn 1.2％，Mn 1.3％，Ni 0.3％，Ti 0.3％，Hf 0.3％，Ce 0.1％、Nb 1％，氮化硅纳米颗粒1％，氮化硼纳米颗粒1％，石墨烯1.5％，硼酸镁晶须1％，余量为Mg。
该镁基合金的制备方法如下：
(1)按照既定重量百分比进行配料：准备对应比例的纯Mg、Al、Cd以及Zn锭、其他合金元素、以及氮化硅纳米颗粒、氮化硼纳米颗粒、石墨烯、硼酸镁晶须，备用；
(2)将氮化硅纳米颗粒、氮化硼纳米颗粒在600℃左右进行预热处理30min，备用；
(3)将坩埚预热至650℃，将纯Mg锭置于坩埚内，通入氮气和SF6混合气体，待纯Mg锭完全熔化后，加入纯Al、Cd、Zn锭以及其他合金元素充分熔化；加入预热后的氮化硅纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒，随后加入石墨烯、硼酸镁晶须，机械搅拌使其混合均匀，继续熔炼，熔炼的同时继续进行搅拌，熔炼完成后充分静置；
(4)精炼：继续升高温度至740℃，进行精炼；
(5)浇铸并冷却。
在室温下对上述合金进行性能测定，结果显示该合金的综合力学性能较现有技术有很大提高，其中断裂韧性为12MPam1/2，抗拉强度是497MPa，屈服强度为409MPa。
实施例2：
制备成分如下所示的镁基合金，按重量百分比含有如下组分：Al 3.5％，Cd 4％，Zn 4％，Gd 0.25％，Si 1.5％，Ca 0.8％，Ba 0.2％，Li 0.8％、Sr 0.6％，La 0.7％，Pr0.4％，Nd 0.5％，Y 0.6％，Zr 0.4％，Sn 1.3％，Mn 1.4％，Ni 0.4％，Ti 0.35％，Hf0.35％，Ce 0.2％、Nb 1.2％，氮化硅纳米颗粒2％，氮化硼纳米颗粒1.5％，石墨烯2％，硼酸镁晶须1.5％，余量为Mg。
所述镁基合金的制备方法如下：
(1)按照既定重量百分比进行配料：准备对应比例的纯Mg、Al、Cd以及Zn锭、其他合金元素、以及氮化硅纳米颗粒、氮化硼纳米颗粒、石墨烯、硼酸镁晶须，备用；
(2)将氮化硅纳米颗粒、氮化硼纳米颗粒在600℃左右进行预热处理1h，备用；
(3)将坩埚预热至650℃，将纯Mg锭置于坩埚内，通入氮气和SF6混合气体，待纯Mg锭完全熔化后，加入纯Al、Cd、Zn锭以及其他合金元素充分熔化；加入预热后的氮化硅纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒，随后加入石墨烯、硼酸镁晶须，机械搅拌使其混合均匀，继续熔炼，熔炼的同时继续进行搅拌，熔炼完成后充分静置；
(4)精炼：继续升高温度至760℃，进行精炼；
(5)浇铸并冷却。
在室温下对上述合金进行性能测定，结果显示该合金的综合力学性能较现有技术有很大提高，其中断裂韧性为13.5MPam1/2，抗拉强度是523MPa，屈服强度为420MPa。
实施例3：
一种增强镁基合金，其特征在于，按重量百分比含量含有：Al 33％，Cd 3.5，Zn3.5％，Gd 0.23％，Si 1.2％，Ca 0.75％，Ba 0.15％，Li 0.75％、Sr 0.55％，La 0.65％，Pr0.37％，Nd 0.45％，Y 0.55％，Zr 0.35％，Sn 1.25％，Mn 1.35％，Ni 0.35％，Ti 0.33％，Hf 0.33％，Ce 0.15％、Nb 1.1％，氮化硅纳米颗粒1.5％，氮化硼纳米颗粒1.4％，石墨烯1.7％，硼酸镁晶须1.3％，余量为Mg。
所述镁基合金的制备方法如下：
(1)按照既定重量百分比进行配料：准备对应比例的纯Mg、Al、Cd以及Zn锭、其他合金元素、以及氮化硅纳米颗粒、氮化硼纳米颗粒、石墨烯、硼酸镁晶须，备用；
(2)将氮化硅纳米颗粒、氮化硼纳米颗粒在600℃左右进行预热处理40min，备用；
(3)将坩埚预热至650℃，将纯Mg锭置于坩埚内，通入氮气和SF6混合气体，待纯Mg锭完全熔化后，加入纯Al、Cd、Zn锭以及其他合金元素充分熔化；加入预热后的氮化硅纳米颗粒和氮化硼纳米颗粒，随后加入石墨烯、硼酸镁晶须，机械搅拌使其混合均匀，继续熔炼，熔炼的同时继续进行搅拌，熔炼完成后充分静置；
(4)精炼：继续升高温度至750℃，进行精炼；
(5)浇铸并冷却。
在室温下对上述合金进行性能测定，结果显示该合金的综合力学性能较现有技术有很大提高，其中断裂韧性为14.1MPam1/2，抗拉强度是549MPa，屈服强度为446MPa。
表1：实施例1-3合金的力学性能
实施例 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断裂韧性(MPam1/2)
1 497 409 12
2 523 420 13.5
3 549 446 14.1
从表1可以看出，本申请所制得的合金的抗拉强度、屈服强度以及断裂韧性均优于现有技术。

Claims (2)

1.一种Mg-Al-Cd-Zn系增强镁基合金，其特征在于，按重量百分比计含有：Al3-3.5％，Cd3-4％，Zn3-4％，Gd0.2-0.25％，Si1-1.5％，Ca0.7-0.8％，Ba0.1-0.2％，Li0.7-0.8％、Sr0.5-0.6％，La0.6-0.7％，Pr0.35-0.4％，Nd0.4-0.5％，Y0.5-0.6％，Zr0.3-0.4％，Sn1.2-1.3％，Mn1.3-1.4％，Ni0.3-0.4％，Ti0.3-0.35％，Hf0.3-0.35％，Ce0.1-0.2％、Nb1-1.2％，氮化硅纳米颗粒1-2％，氮化硼纳米颗粒1-1.5％，石墨烯1.5-2％，硼酸镁晶须1-1.5％，余量为Mg。
2.如权利要求1所述的Mg-Al-Cd-Zn系增强镁基合金，其特征在于，按重量百分比计含有：Al3.3％，Cd3.5％，Zn3.5％，Gd0.23％，Si1.2％，Ca0.75％，Ba0.15％，Li0.75％、Sr0.55％，La0.65％，Pr0.37％，Nd0.45％，Y0.55％，Zr0.35％，Sn1.25％，Mn1.35％，Ni0.35％，Ti0.33％，Hf0.33％，Ce0.15％、Nb1.1％，氮化硅纳米颗粒1.5％，氮化硼纳米颗粒1.4％，石墨烯1.7％，硼酸镁晶须1.3％，余量为Mg。
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