CN109355540A - 一种高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料工程技术领域,提出了一种高强度Mg‑Zn‑Cu‑Zr‑Cr‑Ca合金及其制备方法,采用固溶强化、细晶强化及第二相强化等手段制备出一种新型低成本、高强度Mg‑Zn‑Cu‑Zr‑Cr‑Ca合金。(1)在传统铸造Mg‑Zn‑Cu合金中加入Zr元素可以细化铸造合金晶粒,降低其他杂质元素对合金组织和性能的损害;(2)利用高压凝固技术进一步细化铸造Mg‑Zn‑Cu‑Zr合金凝固组织,改善Mg(Zn,Cu)2共晶相的形态与分布;(3)加入Cr元素增加时效初期强化相形核数量,提高时效硬化速率;(3)加入Ca元素增加合金的抗蠕变性能,提高熔炼时的抗氧化性,更重要的是Ca在时效过程中能形成盘状Ca2Mg6Zn3强化相,与Mg‑Zn系合金的主要强化相MgZn2共同作用达到两相复合强化的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金及其制备方法,属于金属材 料工程技术领域。
背景技术
镁合金是目前最轻的金属结构材料,具有比强度高、压铸性好、切削性好、 电磁屏蔽、减震降噪性能好、散热性好、易于再生循环等诸多优点,被誉为“21 世纪绿色工程金属”,主要应用领域为航空、航天、汽车、便携工具、电子工业 等,镁合金的广泛应用有利于减缓能源短缺和环境污染两大世界危机。
Mg-Zn-Cu合金是20世纪80年代发展起来的新型耐热镁合金,在Mg-Zn二 元合金中加入Cu可显著提高固溶温度,有效提高时效强化效果。目前Mg-Zn-Cu 合金在150℃以下的高温性能较好,已成功用于汽车发动机部件、推进器等需耐 中高温的零部件上。但由于铸造Mg-Zn-Cu合金组织较粗大,且主要强化相 Mg(Zn,Cu)2共晶相多连成网状分布在枝晶间,不但Mg(Zn,Cu)2相的强化作用不 能够充分发挥,还会降低铸造Mg-Zn-Cu合金的力学性能。
为进一步提高Mg-Zn-Cu合金各项力学性能,技术人员尝试通过有效合金化、 热处理或挤压工艺来改善第二相形态结构或生成新的高熔点、高稳定相,从而提 高Mg-Zn-Cu合金系合金的耐高温性能。例如:专利CN 102071345 A公开了一 种含Zr的Mg-Zn-Cu合金,其组分的重量百分比为:Zn 5~7%,Cu 0.5~2%, Zr 0.3~0.8%,余量为Mg,经充分热处理后最大抗拉强度、屈服强度、延伸率分 别达240~270MPa、160~190MPa和11~17%;J.Buha研究了时效处理对 Mg-6Zn-2Cu-0.1Mn合金性能的影响,其峰时效合金最大抗拉强度、屈服强度、 延伸率分别达220~253MPa、121~168MPa和2.8~8.6%(J.Buha,Mechanicalproperties of naturally aged Mg-Zn-Cu-Mn alloy,Materials Science andEngineering A,2008,489:127-137);赵冲研究了挤压工艺对Mg-Zn-Cu-Ce合金性能的影响, 经不同挤压工艺处理后合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率分别达293~321MPa、 215~282MPa和2.04~15.7%(赵冲,Mg-Zn-Cu-Ce合金组织与性能研究,重庆 大学硕士学位论文,2012年)。
尽管上述方法对Mg-Zn-Cu合金的力学性能有所改善,但高温下合金中的强 化相易长大为过时效相,其强化效果仍不理想。且贵金属元素(如Ce等)的引 入也增加了合金成本。此外,单一的强化方式已不能满足工业生产对Mg-Zn-Cu 合金的性能要求,而综合利用各种强化手段被认为是开发低成本高性能镁合金行 之有效方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,采用固溶强化、细晶强化及第二相强化等手段 制备出一种新型低成本、高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金。(1)在传统铸造 Mg-Zn-Cu合金中加入Zr元素可以细化铸造合金晶粒,降低其他杂质元素对合金 组织和性能的损害;(2)利用高压凝固技术进一步细化铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金凝 固组织,改善Mg(Zn,Cu)2共晶相的形态与分布;(3)加入Cr元素增加时效初期 强化相形核数量,提高时效硬化速率;(3)加入Ca元素增加合金的抗蠕变性能, 提高熔炼时的抗氧化性,更重要的是Ca在时效过程中能形成盘状Ca2Mg6Zn3强 化相,与Mg-Zn系合金的主要强化相MgZn2共同作用达到两相复合强化的效果。
本发明采用如下的技术方案:
一种高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金,其各组分的质量百分数为:Zn 4%~ 10%,Cu 0.5%~1.5%,Zr 0.1%~0.5%,Cr 0.1~0.5%,Ca 0.5~2%,余量为Mg。
前述合金组分的质量百分数的优选范围为:Zn 6.5%,Cu 0.5%,Zr 0.2%, Cr0.1%,Ca 1.0%,余量为Mg。
所述高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金的制备方法,其特征在于,包括以下步 骤:
(1)采用纯度为99.99%的Mg锭、Zn锭、金属Cr、金属Ca以及Cu/Zn质 量比为7:3的黄铜和Mg-30%Zr中间合金作为原材料,根据目标合金成分计算各 原料所需质量百分数;
(2)将步骤(1)所述原料在250℃进行预热;
(3)将坩埚电阻炉的加热温度设定为740~780℃,当坩埚温度达到300~ 350℃时加入Mg锭、Zn锭及金属Cr,通入体积比CO2/SF6=99:1的混合气体作为 熔炼保护气;待坩埚中各原料完全融化且坩埚温度达到650~700℃时依次加入质 量比Cu/Zn为7:3的黄铜和Mg-30%Zr中间合金并保温2~5min;之后加入金属 Ca,待原料完全熔化后轻轻搅拌2~5min;当炉温达到740~780℃时除去熔液表 面浮渣,保温20~30min,然后将金属熔液浇到预热好的金属型中,金属型预热 温度为450~500℃,得到所需Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca铸态合金试样;
(4)将步骤(3)制备的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca铸态合金试样放入真空电阻炉 中进行均匀化退火,温度设定为200~300℃,保温时间15~25小时,然后线切 割成直径8mm、高12mm的高压用试样;
(5)将步骤(4)得到的高压用试样装入石墨组装套中,然后将组装好的石 墨组装套放入高压六面顶的腔体位置,锤头对准后开始高压凝固:先将压力升高 到设定凝固压力2~6GPa,同时启动测温装置,并快速加热到预设的加热温度 750℃~950℃,在该温度下保温保压15~20min,关闭电源停止加热,待自然冷 却到室温后卸压并取出,得到进一步细化的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试 样;
(6)将步骤(5)得到的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样在160℃~240℃ 时效4~200h,最终得到具有高强度的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金。
前述步骤(1)中,选择纯度为99.99%的Mg锭、Zn锭、金属Cr、金属Ca 作为原材料,既能保证合金成分的准确性,又能避免有害杂质的混入;Cu和Zr 分别以Cu/Zn为7:3的黄铜和Mg-30%Zr中间合金作为原材料,可有效避免Cu 和Zr合金熔炼过程中过度烧损。
前述步骤(2)中各熔炼原料预热前应切成约1cm3的小块,并去除表面氧化 层等杂质,这样既可以使各添加原料充分预热,又能避免熔炼过程中杂质元素的 引入。
前述步骤(2)中各熔炼原料放入坩埚前需充分预热,防止原料中含有水份引 起爆炸。
前述步骤(3)中,采用金属型铸造合金,利用金属传热快的特点,加速合 金熔液冷却速度,从而获得组织更加细小的铸态试样。
前述步骤(4)中,均匀化退火可以消除铸锭在凝固过程中的成分偏析,使成 分均匀化。
前述步骤(5)中,采用的是CS-1B型高压六面顶压机进行高压凝固实验,与 两面顶压机系统相比,六面顶压机省去一个预应力模具和一个大型机架,同时高 压腔内的压力场更为理想。
前述步骤(5)中,高压用试样装入石墨组装套前,为有效避免杂质元素的引 入,需清洁样品表面:首先用600~2000#细砂纸去除样品各表面油污及氧化层等 杂质,然后放入超声波清洗机中进行清洗,最后放入110℃烘干箱中干燥12h以 上。
前述步骤(5)中,设定加热温度前需测试各试样样品在GPa级高压作用下 的液相线温度。根据Clausius-Clapeyren方程,物质熔点随压力变化受固-液相变 时体积变化的影响。由于Mg在高压作用下的熔化过程为膨胀反应,故Mg熔点 随压力增加而升高。将实验样品分别在2~6GPa高压作用下进行不同温度的加 热及保温,保压下快速冷却至室温,根据其凝固组织特征来确定液相线温度;设 定的加热温度为各高压样品液相线温度+30℃。
前述步骤(5)中,用于盛装高压凝固试样的坩埚选用的是氮化硼坩埚,氮 化硼坩埚在真空下使用温度为1800℃,其抗热震性能良好,急冷下不易开裂;氮 化硼坩埚尺寸应根据试样尺寸选择或机加工,其过大会影响试样盛装及受热,过 小则可能因金属加热过程中发生热膨胀而胀裂坩埚。
前述步骤(5)中,实验前严格擦拭并检查CS-1B型高压六面顶压机的每个 锤头是否有裂纹。
前述步骤(5)中,CS-1B型高压六面顶压机使用前需提前预热30min;加 热过程时刻关注电流表变化,电流不宜过大;卸压时,先采用慢速卸压至20MPa 后再改为快速卸压。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、单一的强化方式已不能满足工业生产对Mg-Zn-Cu系合金的性能要求, 本发明在复合添加Zr、Cr和Ca等合金元素的基础上,利用高压凝固技术制备晶 粒尺寸在20~80um、主要强化相以岛状或颗粒状分散分布在基体上,且Zn等元 素在基体中具有过饱和溶解度的细晶高压凝固镁合金,综合利用固溶强化、细晶 强化及第二相强化等多种强化手段制备出一种超高强度、高硬度 Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金。该方法制备出的镁合金其最大抗压强度、屈服强度和 延伸率分别为320.8~530.1MPa、281.2~470.5MPa、16.8~21.7%,最大时效硬 度达106.7~141.2HV。
2、Mg-Zn-Cu合金较好的高温性能与Cu存在于共晶相Mg(Zn,Cu)2有关,但 铸造Mg-Zn-Cu合金铸态组织较粗大,且主要强化相Mg(Zn,Cu)2为共晶相且多连 成网状分布在枝晶间。采用高压凝固技术首先可使Mg-Zn-Cu-Zr合金获得更多的 结晶晶核数目,显著细化凝固组织;其次在高压凝固过程中Mg(Zn,Cu)2共晶相 网状形态被打断,成为断续分布的颗粒状或岛状形态,其分布更加均匀;再次, 增大Zn、Cu等元素在基体中的溶解度。因此,合金的强度得到大幅提升。
3、本发明在采用高压凝固技术强化合金性能的基础上,再通过时效强化手 段进一步提升合金的强度和硬度。为提高时效强化效果,在Mg-Zn-Cu合金中复 合添加Cr-Ca元素,一方面增加时效初期强化相形核数量,提高时效硬化速率; 另一方面利用Ca元素在时效过程中形成盘状Ca2Mg6Zn3强化相,与Mg-Zn系合 金的主要强化相MgZn2共同作用,最终达到两相复合强化的效果。
附图说明
图1为实施例1、2、3、4中Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金时效硬度曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明,但本发明的内容不限于下 述实施例。
实施例1:一种高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金及其制备方法,其各组分的 质量百分数为:Zn 6%,Cu 0.5%,Zr 0.2%,Cr 0.2%,Ca 1.5%,余量为Mg,总 质量100%。
其制备方法如下:
(1)采用纯度为99.99%的Mg锭、Zn锭、金属Cr、金属Ca以及Cu/Zn为 7:3的黄铜和Mg-30%Zr中间合金作为原材料,按质量百分数Zn为6%,Cu为 0.5%,Zr为0.2%,Cr为0.2%,Ca为1.5%,余量为Mg的合金组分配比进行 配料;
(2)将步骤(1)所述原料在250℃进行预热;
(3)将坩埚电阻炉的加热温度设定为750℃,当坩埚温度达到320℃时加入 Mg块、Zn块及金属Cr,通入CO2/SF6=99:1的混合气体作为熔炼保护气;待坩 埚中各原料完全融化且坩埚温度达到660℃时依次加入Cu/Zn为7:3的黄铜和 Mg-30%Zr中间合金并保温3min;之后加入金属Ca,待原料完全熔化后轻轻搅 拌2min;当炉温达到750℃时除去熔液表面浮渣,保温25min,然后将金属熔液 浇到预热好的金属型中(金属型预热温度为450℃),得到所需Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca 铸态合金试样;
(4)将上述制备的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca铸态合金材料放入真空电阻炉中进 行均匀化退火,温度设定为240℃,保温时间16h,然后线切割成直径8mm、高 12mm的高压用试样;
(5)将步骤(4)得到的高压用试样装入石墨组装套中,然后将组装好的石 墨组装套放入高压六面顶的腔体位置,锤头对准后开始高压凝固:先将压力升高 到设定凝固压力2GPa,同时启动测温装置,并快速加热到预设的加热温度780℃, 在该温度下保温保压15min,关闭电源停止加热,待自然冷却到室温后卸压并取 出,得到进一步细化的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样;
(6)将步骤(5)得到的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样在200℃时 效20h,最终得到具有高强度的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金。
实施例2:一种高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金及其制备方法,其各组分的 质量百分数为:Zn 8%,Cu 0.8%,Zr 0.3%,Cr 0.1%,Ca 1.0%,余量为Mg,总 质量100%。
其制备方法如下:
(1)采用纯度为99.99%的Mg锭、Zn锭、金属Cr、金属Ca以及Cu/Zn 为7:3的黄铜和Mg-30%Zr中间合金作为原材料,按质量百分数Zn为8%,Cu 为0.8%,Zr为0.3%,Cr为0.1%,Ca为1.0%,余量为Mg的合金组分配比进 行配料;
(2)将步骤(1)所述原料在250℃进行预热;
(3)将坩埚电阻炉的加热温度设定为770℃,当坩埚温度达到350℃时加入 Mg块、Zn块及金属Cr,通入CO2/SF6=99:1的混合气体作为熔炼保护气;待坩 埚中各原料完全融化且坩埚温度达到670℃时依次加入Cu/Zn为7:3的黄铜和 Mg-30%Zr中间合金并保温4min;之后加入金属Ca,待原料完全熔化后轻轻搅 拌3min;当炉温达到770℃时除去熔液表面浮渣,保温23min,然后将金属熔液 浇到预热好的金属型中(金属型预热温度为480℃),得到所需Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca 铸态合金试样;
(4)将上述制备的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca铸态合金材料放入真空电阻炉中进 行均匀化退火,温度设定为250℃,保温时间18小时,然后线切割成直径8mm、 高12mm的高压用试样;
(5)将步骤(4)得到的高压用试样装入石墨组装套中,然后将组装好的石 墨组装套放入高压六面顶的腔体位置,锤头对准后开始高压凝固:先将压力升高 到设定凝固压力4GPa,同时启动测温装置,并快速加热到预设的加热温度820℃, 在该温度下保温保压18min,关闭电源停止加热,待自然冷却到室温后卸压并取 出,得到进一步细化的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样;
(6)将步骤(5)得到的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样在160℃时 效24h,最终得到具有高强度的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金。
实施例3:一种高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金及其制备方法,其各组分的 质量百分数为:Zn 7.5%,Cu 0.8%,Zr 0.3%,Cr 0.2%,Ca 1.5%,余量为Mg, 总质量100%。
其制备方法如下:
(1)采用纯度为99.99%的Mg锭、Zn锭、金属Cr、金属Ca以及Cu/Zn为 7:3的黄铜和Mg-30%Zr中间合金作为原材料,按质量百分数Zn为7.5%,Cu为 0.8%,Zr为0.3%,Cr为0.2%,Ca为1.5%,余量为Mg的合金组分配比进行 配料;
(2)将步骤(1)所述原料在250℃进行预热;
(3)将坩埚电阻炉的加热温度设定为760℃,当坩埚温度达到340℃时加入 Mg块、Zn块及金属Cr,通入CO2/SF6=99:1的混合气体作为熔炼保护气;待坩 埚中各原料完全融化且坩埚温度达到680℃时依次加入Cu/Zn为7:3的黄铜和 Mg-30%Zr中间合金并保温5min;之后加入金属Ca,待原料完全熔化后轻轻搅 拌3min;当炉温达到760℃时除去熔液表面浮渣,保温30min,然后将金属熔液 浇到预热好的金属型中(金属型预热温度为500℃),得到所需Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca 铸态合金试样;
(4)将上述制备的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca铸态合金材料放入真空电阻炉中进 行均匀化退火,温度设定为240℃,保温时间20小时,然后线切割成直径8mm、 高12mm的高压用试样;
(5)将步骤(4)得到的高压用试样装入石墨组装套中,然后将组装好的石 墨组装套放入高压六面顶的腔体位置,锤头对准后开始高压凝固:先将压力升高 到设定凝固压力5GPa,同时启动测温装置,并快速加热到预设的加热温度870℃, 在该温度下保温保压20min,关闭电源停止加热,待自然冷却到室温后卸压并取 出,得到进一步细化的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样;
(6)将步骤(5)得到的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样在240℃时 效16h,最终得到具有高强度的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金。
实施例4:一种高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金及其制备方法,其各组分的 质量百分数为:Zn 6.5%,Cu 0.5%,Zr 0.2%,Cr 0.1%,Ca 1.0%,余量为Mg, 总质量100%。
其制备方法如下:
(1)采用纯度为99.99%的Mg锭、Zn锭、金属Cr、金属Ca以及Cu/Zn 为7:3的黄铜和Mg-30%Zr中间合金作为原材料,按质量百分数Zn为6.5%,Cu 为0.5%,Zr为0.2%,Cr为0.1%,Ca为1.0%,余量为Mg的合金组分配比进 行配料;
(2)将步骤(1)所述原料在250℃进行预热;
(3)将坩埚电阻炉的加热温度设定为760℃,当坩埚温度达到350℃时加入 Mg块、Zn块及金属Cr,通入CO2/SF6=99:1的混合气体作为熔炼保护气;待坩 埚中各原料完全融化且坩埚温度达到670℃时依次加入Cu/Zn为7:3的黄铜和 Mg-30%Zr中间合金并保温5min;之后加入金属Ca,待原料完全熔化后轻轻搅 拌5min;当炉温达到760℃时除去熔液表面浮渣,保温25min,然后将金属熔液 浇到预热好的金属型中(金属型预热温度为450℃),得到所需Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca 铸态合金试样;
(4)将上述制备的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca铸态合金材料放入真空电阻炉中进 行均匀化退火,温度设定为260℃,保温时间18h,然后线切割成直径8mm、高 12mm的高压用试样;
(5)将步骤(4)得到的高压用试样装入石墨组装套中,然后将组装好的石 墨组装套放入高压六面顶的腔体位置,锤头对准后开始高压凝固:先将压力升高 到设定凝固压力6GPa,同时启动测温装置,并快速加热到预设的加热温度920℃, 在该温度下保温保压20min,关闭电源停止加热,待自然冷却到室温后卸压并取 出,得到进一步细化的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样;
(6)将步骤(5)得到的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样在160℃时 效24h,最终得到具有高强度的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金。
性能对比:
下表为上述实施例中不同成分Mg-Zn-Cu-Zr合金的室温拉伸性能,其中对比 合金1、对比合金2分别为日本国立材料研究所J.Buha等人经T4和T6时效处 理得到的近峰值Mg-6Zn-2Cu-0.1Mn合金(Materials Science and Engineering A 2008,489:127-137),对比合金3为朱红梅等人经铸造及后续热处理得到的 Mg-Zn-Cu-Zr合金(专利CN 102071345A),对比合金4为赵冲经挤压工艺得到 的Mg-Zn-Cu-Ce合金的室温拉伸性能(赵冲,Mg-Zn-Cu-Ce合金组织与性能研究, 重庆大学硕士学位论文,2012年),实施例1~4为采用本发明技术得到的 Mg-Zn-Cu-Zr合金。
由上表可见,本发明综合利用固溶强化、细晶强化及第二相强化等手段制备 的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金,其最大抗压强度为320.8~530.1MPa、281.2~ 470.5MPa、16.8~21.7%,最大时效硬度达106.7~141.2HV,其性能显著优异于 对比合金1、2、3、4。
图1为实施例1、2、3、4中Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金时效硬度曲线。实施 例1合金经2GPa高压凝固后硬度值为70.0HV,之后在200℃经20h时效达到近 峰值硬度106.7HV,过时效阶段硬度趋于稳定,100h后硬度为84HV;实施例2 合金经4GPa高压凝固后硬度值为88.4HV,之后在160℃经24h时效达到近峰值 硬度119.1HV;实施例3合金经5GPa高压凝固后硬度值为97.3HV,经240℃时 效,时效初期硬化速率较高,仅16h就达到近峰值硬度130.5HV;实施例4合金 经6GPa高压凝固后硬度值为109.5HV,之后在160℃经24h时效达到近峰值硬 度141.2HV,过时效阶段硬度有所下降,100h后硬度仍高达124.9HV。
Claims (7)
1.一种高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金,其特征在于,其各组分的质量百分数为:Zn4%~10%,Cu 0.5%~1.5%,Zr 0.1%~0.5%,Cr 0.1~0.5%,Ca 0.5~2%,余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金,其特征在于,其各组分的质量百分数为:Zn 6.5%,Cu 0.5%,Zr 0.2%,Cr 0.1%,Ca 1.0%,余量为Mg。
3.权利要求1或2所述高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)采用纯度为99.99%的Mg锭、Zn锭、金属Cr、金属Ca、Cu/Zn质量比为7:3的黄铜和Mg-30%Zr中间合金作为原材料,根据目标合金成分计算各原料所需质量百分数;
(2)将步骤(1)所述原料在250℃进行预热;
(3)将坩埚电阻炉的加热温度设定为740~780℃,当坩埚温度达到300~350℃时加入Mg锭、Zn锭及金属Cr,通入体积比CO2/SF6=99:1的混合气体作为熔炼保护气;待坩埚中各原料完全融化且坩埚温度达到650~700℃时依次加入质量比Cu/Zn为7:3的黄铜和Mg-30%Zr中间合金并保温2~5min;之后加入金属Ca,待原料完全熔化后轻轻搅拌2~5min;当炉温达到740~780℃时除去熔液表面浮渣,保温20~30min,然后将金属熔液浇到预热好的金属型中,金属型预热温度为450~500℃,得到所需Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca铸态合金试样;
(4)将步骤(3)制备的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca铸态合金试样放入真空电阻炉中进行均匀化退火,温度设定为200~300℃,保温时间15~25小时,然后线切割成高压用试样;
(5)将步骤(4)得到的高压用试样装入石墨组装套中,然后将组装好的石墨组装套放入高压六面顶的腔体位置,锤头对准后开始高压凝固:先将压力升高到设定凝固压力2~6GPa,同时启动测温装置,并快速加热到预设的加热温度750℃~950℃,在该温度下保温保压15~20min,关闭电源停止加热,待自然冷却到室温后卸压并取出,得到进一步细化的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样;
(6)将步骤(5)得到的高压凝固Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金试样在160℃~240℃时效4~200h,最终得到具有高强度的Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金。
4.根据权利要求3所述的高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金的制备方法,其特征在于,步骤(2)中各熔炼原料预热前切成约1cm3的小块,并去除表面氧化层杂质。
5.根据权利要求3或4所述的高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,高压用试样装入石墨组装套前,为有效避免杂质元素的引入,需清洁样品表面:首先用600~2000#细砂纸去除样品各表面油污及氧化层等杂质,然后放入超声波清洗机中进行清洗,最后放入110℃烘干箱中干燥12h以上。
6.根据权利要求3或4所述的高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,将高压用试样分别在2~6GPa高压作用下进行不同温度的加热及保温,保压下快速冷却至室温,根据其凝固组织特征确定液相线温度;设定的加热温度为各高压样品液相线温度+30℃。
7.根据权利要求3或4所述的高强度Mg-Zn-Cu-Zr-Cr-Ca合金的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,用于盛装高压凝固试样的坩埚选用的是氮化硼坩埚。
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