CN108179338B

CN108179338B - 高强度镁合金及其压铸方法

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Publication number: CN108179338B
Application number: CN201810106843.8A
Authority: CN
Inventors: 仝仲盛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2019-12-10
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: CN108179338A

Abstract

本发明提供了一种高强度镁合金，包括以下成分：Zn、Al、Cr、Mn、La、Ce、Nd、Yb、Y、VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂、Mg。本发明还提供了高强度镁合金的压铸方法，本发明的镁合金通过在合金中加入La等稀土元素其在镁合金中溶解度大，不仅可以起到弥散强化作用还可以起到很好的固溶强化作用，此外稀土元素还可以与原料合金中的氧、氢、氮、硫、铁等杂质元素有较强的结合作用，可以减少合金中的气体和夹杂，改善夹杂物形态，使夹杂相趋于球化，有利于夹杂物和气体的排除，也起到了熔体净化效果，并且这些加入的稀土元素的含量不同，各种稀土元素间协同作用大大提高了镁合金强度以及耐腐蚀性能。

Description

高强度镁合金及其压铸方法

技术领域

本发明涉及镁合金材料技术领域，具体涉及一种高强度镁合金及其压铸方法。

背景技术

镁合金具有低密度、高比强度、较低的刚性、较大的冲击功吸收、容易切削加工以及易回收利用等优点，目前在汽车、航空航天、电子等领域得到日益广泛的应用，被认为是一种有效减轻质量、节约能源、环境友好、有利于可持续发展的理想材料。但镁合金的强度不高妨碍了其扩大应用范围。由于强度低，用于汽车等镁合金的零部件不得不增大壁厚，因此，提高镁合金的强度使其具有良好的综合性能，是新型镁合金开发的热点之一。为改善镁合金的性能，合金化对提高铸造镁合金和变形镁合金的机械性能都是行之有效的方法，铸件中微观组织的合金化能使溶质元素分布更加均匀，第二相更加细小，合金化还可以提高合金的挤压性能、轧制性能、抗热裂性能和表面光洁度等，并能降低变形镁合金加工件的生产成本。采用新的增强元素和特殊的材料复合制备工艺进一步提高镁合金的强度时镁合金材料发展的趋势。

Mg-Al系合金是应用最早、也是迄今为止牌号最多、应用最为广泛的一类镁合金，但这类镁合金结晶凝固温度范围较宽，晶粒有粗化的倾向，凝固过程中粗大的β-Mg17Al12相以离异共晶的方式沿晶界呈网状析出，导致合金的力学性能变差，极大地限制了Mg-Al系合金作为结构件在汽车、飞机等领域的应用。因此，急需一种高性能的镁合金材料。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的一个目的是提供一种高强度镁合金，通过在合金中加入La、Ce、Nd、Yb、Y稀土元素，不仅可以起到弥散强化作用还可以起到很好的固溶强化作用，各种稀土元素间协同作用大大提高了镁合金强度以及耐腐蚀性能。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高强度镁合金，包括以下质量百分比的成分：

Zn1.5～3％、Al0.1～1％、Cr0.1～0.5％、Mn0.1～0.2％、La0.1～0.5％、Ce0.1～0.3％、Nd0.2～0.5％、Yb0.05～0.1％、Y0.05～0.1％、VC0.1～0.2％、ZrC0.3～0.5％、WC0.2～0.4％、TiC0.1～0.3％、TiB₂0.1～0.3％、ZrB₂0.3～0.5％，余量Mg。

本发明还提供了一种高强度镁合金的压铸方法，包括以下步骤：

S1、按合金成分质量百分比称取镁锭、锌锭、铝锭、铬锭、锰锭、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金、VC粉末、ZrC粉末、WC粉末、TiC粉末、TiB₂粉末、ZrB₂粉末；

S2、将VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂混合，加入乙醇，搅拌混合均匀后，加入聚乙二醇，继续搅拌，然后于温度为120～150℃下干燥2～3h，研磨得第一混合物；

S3、在镁锭上钻孔，孔径大小以容纳第一混合物为准，并收集钻孔过程产生的镁，将第一混合物填充中的孔内并将钻孔过程产生的镁一起置于坩埚中于温度为200～250℃下，保持2～3h，然后加入铬锭、锰锭并以12～15℃/min升温至850～900℃保持2～3h，然后以8～10℃/min降温至700～720℃加入锌锭、铝锭并保持4～5h，然后加入Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金以1～2℃/min升温至720～740℃，搅拌均匀，保持0.5～1h，然后以1～2℃/min升温至740～760℃再加入Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金搅拌均匀，保持1～2h，得到金属液体；

S4、将S3中得到的金属液体以20～25℃/min速度冷却凝固得到母合金锭；

S5、将S4中得到的母合金锭置于温度为530～550℃的热处理炉中处理3～4h，取出后空气冷却，然后将冷却后的母合金锭于温度为220～230℃的热处理炉中处理8～12h，取出后水冷，即得镁合金。

优选的是，所述的高强度镁合金的压铸方法，S3中加入铝锭、铬锭、锰锭的同时还加入添加剂，所述添加剂包括以下重量份组分0.8～1份的KCl、2～3份的NaF、5～6份的NaCl、1～2份的碳酸镁、1～2份的碳酸锶、0.5～1份的石墨、1～2份的玻璃纤维，所述添加剂的质量为锌锭质量的0.3～0.5倍。

优选的是，所述的高强度镁合金的压铸方法，S2中VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂的粒径为200～300nm，所述VC、乙醇、聚乙二醇的质量体积比为1～2g:25～35ml:5～10ml。

优选的是，所述的高强度镁合金的压铸方法，S3中坩埚置于体积比为90～95:5～10的N₂和SF₆的混合气体环境下。

优选的是，所述的高强度镁合金的压铸方法，S4中每次搅拌的搅拌速率均为50～60r/min。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明的高强度镁合金的压铸方法，通过在合金中加入La、Ce、Nd、Yb、Y稀土元素其在镁合金中溶解度大，不仅可以起到弥散强化作用还可以起到很好的固溶强化作用，此外，La、Ce、Nd、Yb、Y元素还可以与原料合金中的氧、氢、氮、硫、铁等杂质元素有较强的结合作用，可以减少合金中的气体和夹杂，改善夹杂物形态，使夹杂相趋于球化，有利于夹杂物和气体的排除，也起到了熔体净化效果，并且这些加入的稀土元素的含量不同，各种稀土元素间协同作用大大提高了镁合金强度以及耐腐蚀性能。

2、本发明的镁合金中还加入VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂混合物，这些混合物经过乙醇、聚乙二醇处理后，在合金中形成良好的弥散分布的强化相，这种强化相与合金间的结合较好、颗粒细小、分布均匀，对合金的强化效果好，且其与稀土元素间协同作用，提升了镁合金的综合性能。

3、本发明的镁合金还添加了添加剂，在添加剂与N₂和SF₆的混合气体保护下使得镁合金被氧化率低，而且添加剂可以加大形核率，细化晶粒提高强度，同时在制备镁合金过程中原料分批次加入，避免镁合金熔炼过程中的氧化烧损和氧化物夹杂的产生，提升镁合金产品的品质。

4、本发明的镁合金，在制备得到母合金锭后对母合金锭，对其进行热处理，对母合金锭热处理后合金成分稳定，合金中稀土相分布均匀，大大提高了合金的综合性能。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

一种所述的高强度镁合金的压铸方法，包括以下步骤：

其中，Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金中La、Ce、Nd、Yb、Y元素的含量均为10％；

锌锭、铝锭、铬锭、锰锭、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金、VC粉末、ZrC粉末、WC粉末、TiC粉末、TiB₂粉末、ZrB₂粉末、镁锭的质量比为1.5:0.1:0.1:0.1:1:1:2:0.5:0.5:0.1:0.3:0.2:0.1:0.1:0.3:91.2。

S2、将上述质量比的VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂混合，加入乙醇，搅拌混合均匀后，加入聚乙二醇，继续搅拌，然后于温度为120℃下干燥2h，研磨得第一混合物；

S3、在镁锭上钻孔，孔径大小以容纳第一混合物为准，并收集钻孔过程产生的镁，将第一混合物填充中的孔内并将钻孔过程产生的镁一起置于坩埚中于温度为200℃下，保持2h，然后加入铬锭、锰锭并以12℃/min升温至850℃保持2h，然后以8℃/min降温至700℃加入锌锭、铝锭并保持4h，然后加入Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金以1℃/min升温至720℃，搅拌均匀，保持0.5h，然后以1℃/min升温至740℃再加入Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金搅拌均匀，保持1h，得到金属液体；

S4、将S3中得到的金属液体以20℃/min速度冷却凝固得到母合金锭；

S5、将S4中得到的母合金锭置于温度为530℃的热处理炉中处理3h，取出后空气冷却，然后将冷却后的母合金锭于温度为220℃的热处理炉中处理8h，取出后水冷，即得镁合金。

所述的高强度镁合金的压铸方法，其特征在于，S3中加入铝锭、铬锭、锰锭的同时还加入添加剂，所述添加剂包括以下重量份组分0.8份的KCl、2份的NaF、5份的NaCl、1份的碳酸镁、1份的碳酸锶、0.5份的石墨、1份的玻璃纤维，所述添加剂的质量为锌锭质量的0.3倍。

所述的高强度镁合金的压铸方法，其特征在于，S2中VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂的粒径为200nm，所述VC、乙醇、聚乙二醇的质量体积比为1g:25ml:5ml。

所述的高强度镁合金的压铸方法，其特征在于，S3中坩埚置于体积比为90:5的N₂和SF₆的混合气体环境下。

所述的高强度镁合金的压铸方法，S4中每次搅拌的搅拌速率均为50r/min。

实施例2

一种高强度镁合金的压铸方法，包括以下步骤：

锌锭、铝锭、铬锭、锰锭、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金、VC粉末、ZrC粉末、WC粉末、TiC粉末、TiB₂粉末、ZrB₂粉末、镁锭的质量比为2:0.5:0.3:0.1:1:3:3:0.8:0.8:0.1:0.4:0.3:0.2:0.2:0.4:79.06。

S2、将上述质量比的VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂混合，加入乙醇，搅拌混合均匀后，加入聚乙二醇，继续搅拌，然后于温度为140℃下干燥3h，研磨得第一混合物；

S3、在镁锭上钻孔，孔径大小以容纳第一混合物为准，并收集钻孔过程产生的镁，将第一混合物填充中的孔内并将钻孔过程产生的镁一起置于坩埚中于温度为230℃下，保持3h，然后加入铬锭、锰锭并以13℃/min升温至870℃保持2h，然后以9℃/min降温至710℃加入锌锭、铝锭并保持5h，然后加入Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金以2℃/min升温至730℃，搅拌均匀，保持0.8h，然后以2℃/min升温至750℃再加入Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金搅拌均匀，保持2h，得到金属液体；

S4、将S3中得到的金属液体以23℃/min速度冷却凝固得到母合金锭；

S5、将S4中得到的母合金锭置于温度为540℃的热处理炉中处理4h，取出后空气冷却，然后将冷却后的母合金锭于温度为225℃的热处理炉中处理10h，取出后水冷，即得镁合金。

所述的高强度镁合金的压铸方法，S3中加入铝锭、铬锭、锰锭的同时还加入添加剂，所述添加剂包括以下重量份组分0.9份的KCl、3份的NaF、6份的NaCl、2份的碳酸镁、2份的碳酸锶、0.8份的石墨、2份的玻璃纤维，所述添加剂的质量为锌锭质量的0.4倍。

所述的高强度镁合金的压铸方法，S2中VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂的粒径为250nm，所述VC、乙醇、聚乙二醇的质量体积比为2g:30ml:8ml。

所述的高强度镁合金的压铸方法，S3中坩埚置于体积比为95:8的N₂和SF₆的混合气体环境下。

所述的高强度镁合金的压铸方法，S4中每次搅拌的搅拌速率均为55r/min。

实施例3

一种高强度镁合金的压铸方法，包括以下步骤：

锌锭、铝锭、铬锭、锰锭、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金、VC粉末、ZrC粉末、WC粉末、TiC粉末、TiB₂粉末、ZrB₂粉末、镁锭的质量比为3:1:0.5:0.2:5:3:5:1:1:0.2:0.5:0.4:0.3:0.3:0.5:65.15。

S2、将上述质量比的VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂混合，加入乙醇，搅拌混合均匀后，加入聚乙二醇，继续搅拌，然后于温度为150℃下干燥3h，研磨得第一混合物；

S3、在镁锭上钻孔，孔径大小以容纳第一混合物为准，并收集钻孔过程产生的镁，将第一混合物填充中的孔内并将钻孔过程产生的镁一起置于坩埚中于温度为250℃下，保持3h，然后加入铬锭、锰锭并以15℃/min升温至900℃保持3h，然后以10℃/min降温至720℃加入锌锭、铝锭并保持5h，然后加入Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金以2℃/min升温至740℃，搅拌均匀，保持1h，然后以2℃/min升温至760℃再加入Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金搅拌均匀，保持2h，得到金属液体；

S4、将S3中得到的金属液体以25℃/min速度冷却凝固得到母合金锭；

S5、将S4中得到的母合金锭置于温度为550℃的热处理炉中处理4h，取出后空气冷却，然后将冷却后的母合金锭于温度为230℃的热处理炉中处理12h，取出后水冷，即得镁合金。

所述的高强度镁合金的压铸方法，S3中加入铝锭、铬锭、锰锭的同时还加入添加剂，所述添加剂包括以下重量份组分1份的KCl、3份的NaF、6份的NaCl、2份的碳酸镁、2份的碳酸锶、1份的石墨、2份的玻璃纤维，所述添加剂的质量为锌锭质量的0.5倍。

所述的高强度镁合金的压铸方法，S2中VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂的粒径为300nm，所述VC、乙醇、聚乙二醇的质量体积比为2g:35ml:10ml。

所述的高强度镁合金的压铸方法，S3中坩埚置于体积比为95:10的N₂和SF₆的混合气体环境下。

所述的高强度镁合金的压铸方法，S4中每次搅拌的搅拌速率均为60r/min。

对比例1

同实施例1，不同在于，不加入Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Yb中间合金、Mg-Y中间合金。

对比例2

同实施例1，不同在于，不加入VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂。

对比例3

同实施例1，不同在于，S3中不加入添加剂。

对比例4

同实施例1，不同在于，得到母合金锭后不置于热处理炉中处理。

采用上述实施例1～3、对比例1～4的方法对制备得到的镁合金，测试其室温抗拉强度、屈服强度、以及延伸率，结果如表1所示。

表1-不同实施例制备得到的镁合金性能

从表1中看出，本发明的制备的得到的镁合金的抗拉强度可达435～448Mpa，屈服强度可达335～345Mpa远大于对比例的强度，说明本发明的镁合金具有良好的力学性能。

将实施例1制备得到的镁合金、将型号为AZ91E镁合金作为对照组，分别测试其腐蚀性能，实验结果如表2所示，具体实验步骤如下：

A、先用水磨砂纸将镁合金样品表面的氧化层去掉，然后用金相砂纸进行细磨，再用蒸馏水冲洗后暖风吹干，称出镁合金样品的原始重量W₀；

B、将经步骤A处理后的镁合金样品用腐蚀介质浸泡，腐蚀后的镁合金样品用蒸馏水冲洗干净暖风吹干，然后用铬酸溶液清洗除去镁合金样品表面的腐蚀产物，用蒸馏水冲洗干净后暖风吹干，用分析天平称出腐蚀后的镁合金样品重量W₁，W₁和W₀之间的差值即为样品的失重量；样品腐蚀速率的计算公式为

其中，V_corr为腐蚀速率，单位为mg·cm^-2·d^-1；W₀为样品腐蚀前的质量，单位为mg；W₁为样品腐蚀后的质量，单位为mg；S为样品的表面积，单位为cm²；T为腐蚀时间(浸泡时间)，单位为d(天)。

表2-不同镁合金的腐蚀速率

实施例	实施例1	对照组
			腐蚀速率V<sub>corr</sub>(mg·cm<sup>-2</sup>·d<sup>-1</sup>)	5.31	10.81

从表2中可以看出本发明制备得到的镁合金，其腐蚀速率远低于对照组的AZ91E镁合金，说明本发明制备得到的镁合金不仅具有良好的力学性能还具有优异的耐腐蚀性能。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims

1.一种高强度镁合金的压铸方法，其特征在于，高强度镁合金包括以下质量百分比的成分：

Zn1.5～3％、Al0.1～1％、Cr0.1～0.5％、Mn0.1～0.2％、La0.1～0.5％、Ce0.1～0.3％、Nd0.2～0.5％、Yb0.05～0.1％、Y0.05～0.1％、VC0.1～0.2％、ZrC0.3～0.5％、WC0.2～0.4％、TiC0.1～0.3％、TiB₂0.1～0.3％、ZrB₂0.3～0.5％，余量Mg；

压铸方法包括以下步骤：

S5、将S4中得到的母合金锭置于温度为530～550℃的热处理炉中处理3～4h，取出后空气冷却，然后将冷却后的母合金锭于温度为220～230℃的热处理炉中处理8～12h，取出后水冷，即得镁合金；

S3中加入铝锭、铬锭、锰锭的同时还加入添加剂，所述添加剂包括以下重量份组分0.8～1份的KCl、2～3份的NaF、5～6份的NaCl、1～2份的碳酸镁、1～2份的碳酸锶、0.5～1份的石墨、1～2份的玻璃纤维，所述添加剂的质量为锌锭质量的0.3～0.5倍；

S3中坩埚置于体积比为90～95:5～10的N₂和SF₆的混合气体环境下。

2.如权利要求1所述的高强度镁合金的压铸方法，其特征在于，S2中VC、ZrC、WC、TiC、TiB₂、ZrB₂的粒径为200～300nm，所述VC、乙醇、聚乙二醇的质量体积比为1～2g:25～35ml:5～10ml。