CN109837439A - 一种高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种高阻尼Mg‑Zn‑Ca‑Cu‑Y‑Zr镁合金。合金中各元素的重量百分比为：3.0～5.0wt.％Zn，0.5～2.0wt.％Ca，0.5～1.0wt.％Cu，0.5～1.0wt.％Y，0.5～0.8wt.％Zr，杂质元素Si、Fe、Ni的总量小于0.02wt.％，余量为Mg。本发明通过在镁基体中添加Zn、Ca、Y、Cu元素形成少量的MgZnCa、Mg₂Ca、MgZnCu和MgZnY相实现第二相强化，并通过添加Zr元素细化晶粒，所获得的合金具有良好的强度和塑性。而且本发明通过引入游离分布的MgZnCa、Mg₂Ca、MgZnCu和MgZnY相与镁基体间的界面位错强钉轧阻尼机制及基体溶质原子的位错弱钉轧阻尼机制，使合金具有与纯镁相媲美的阻尼性能，室温条件下应变为10^‑3时阻尼性能Q^‑1达到0.18，可满足国防、电子及交通等领域对轻质高强阻尼材料的需求。

Description

一种高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金

所属技术领域

本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金。

背景技术

当今武器装备升级换代的发展趋势是轻量化、高速化和大功率化，由此引起的振动和噪声问题变得愈来愈突出。另外，新能源交通工具、3C产品对结构轻量化和减振降噪都提出更为迫切的需求。

在所有的金属结构材料中，镁合金因具有优良的阻尼性能和低密度而备受关注，纯镁的阻尼衰减系数是铸铁的5倍，是铝合金的12倍。但是纯镁的强度太低，难以满足结构材料的应用需求。而常规镁合金(AZ91、AZ31、ZK60和WE43等)中由于存在大量析出相，强烈阻碍镁合金基体中位错的往复运动，降低合金的阻尼性能。

中国发明专利申请CN201310351845.0(公开号CN103484742A)公开一种“高强度阻尼镁合金”。其组分及其质量百分比分别为：Gd：14～18％，Y：0.2～5％，Al：0.6～2％，Zr：0.0～0.1％，杂质元素Si、Fe和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。通过加入Al元素与Gd、Y等稀土元素，在合金中原位反应生成Al-RE金属间化合物的方法细化合金晶粒并提高合金强度，并通过金属间化合物与镁基体的界面作用，提高合金的阻尼性能。但是合金中加入大量昂贵的重稀土元素，提高合金密度，更增加合金成本。

中国发明专利申请CN201610020159.9(CN105568097A)公开“一种高阻尼Mg-Mn-Ce-Al-Zn-Y镁合金及其制备方法”。其组分及其质量百分比分别为：Mn：1.3～2.2％，Ce：0.15～0.35％，Al：0.1～0.3％，Zn：0.25～0.55％，Y：0.5～1.5％，余量为Mg和不可避免的杂质，通过真空熔炼及水淬等多方面的协同作用，获得的高阻尼镁合金，在室温条件下应变为10^-3时阻尼性能达到0.2。该合金采用真空熔炼，与普通工业熔炼工艺相比，增加制造成本，但是合金元素含量过低，合金强度没有达到预期。

发明内容

本发明的目的是为满足金属材料领域对轻质高强高阻尼镁合金的要求，提供一种高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，不仅能够解决振动和噪声的问题，而且能够解决高阻尼镁合金的力学性能较差的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，所述镁合金包含Zn、Ca、Cu、Y、Zr和Mg，其重量百分比如下：

Zn 3.0～5.0％，Ca 0.5～2.0％，Cu 0.5～1.0％，Y 0.5～1.0％，Zr 0.5～0.8％，杂质元素总量小于0.02％，余量为Mg。

所述的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，杂质元素包括Si、Fe和Ni。

所述的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，该合金中Cu和Y元素的重量百分比应满足：0.5％≤(Cu+Y)≤1.0％。

所述镁合金的制备方法，采用工业纯Mg、工业纯Zn、工业纯Cu和Mg-25wt.％Ca、Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金为原材料，通过熔炼和重力铸造成型或离心铸造成型获得所述镁合金。

所述镁合金的制备方法，具体步骤包括：

(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Cu、Mg-25wt.％Ca、Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金在150～200℃下预热20～30分钟；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在760℃±5℃保温使纯镁熔化并加入纯Cu，全部熔化后，降温至730℃±5℃，然后加入预热过的纯Zn、Mg-25wt.％Ca和Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金，保温20～30分钟，进行合金化，待合金化元素完全熔化后，搅拌均匀，静置15～20分钟后，将合金熔体温度调到700～720℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成型；

(2)合金的固溶处理：固溶处理温度360～400℃下保温24～36h后温水淬火冷却。

按体积百分比计，CO₂和SF₆混合气体中，CO₂占99～99.5％，SF₆占0.5～1.0％。

本发明确定合金成分的设计思想是：

本发明选择在Mg-Zn-Ca合金的基础上，添加微量Cu、Y、Zr三种微合金化元素，形成少量的第二相。从而，通过提高合金元素的有效固溶以及形成游离态分布的析出相，在提高合金力学性能的前提下，减少析出相数量，降低析出相对位错往复运动的阻碍作用，在提高强度的同时，改善镁合金的阻尼性能。具体如下：

(1)Zn可以通过固溶强化的方式提高合金的强度。选择Zn的含量为3.0～5.0％，确保合金元素可以有效固溶。

(2)Ca含量0.5～2.0％，Ca元素可以与Mg和Zn形成MgZnCa和Mg₂Ca相，有助于提高合金力学性能。

(3)Cu、Y含量分别为0.5～1.0％，Cu和Y元素可以与Mg和Zn形成游离态MgZnCu和MgZnY三元相颗粒，有利于提高合金强度。另外，由于析出相与镁基体间的界面对位错的往复运动形成阻碍，会降低合金的阻尼性能，所以本发明规定0.5％≤(Cu+Y)≤1.0％。

(3)Zr含量为0.5～0.8％，添加Zr元素可以细化晶粒提高合金力学性能。

本发明与现有技术相比，其优点及有益效果主要有：

(1)本发明的Zn元素可以通过固溶强化的方式提高合金的强度；Ca元素可以与Mg和Zn形成MgZnCa和Mg₂Ca相，有助于提高合金力学性能；Cu和Y元素可以与Mg和Zn形成游离态MgZnCu和MgZnY三元相颗粒，有利于提高合金强度；添加Zr元素抑制晶粒长大，起到细化晶粒提高力学性能的作用。

(2)本发明通过引入游离分布的MgZnCa、Mg₂Ca、MgZnCu和MgZnY相与镁基体间的界面位错强钉轧阻尼机制及基体溶质原子的位错弱钉轧阻尼机制，使合金具有与纯镁相媲美的阻尼性能，室温条件下应变为10^-3时阻尼性能Q^-1达到0.25。

(3)本发明镁合金材料不含贵金属，成本低。

附图说明

图1是本发明高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金微观组织照片。其中，(a)重力铸造；(b)离心铸造。

图2是本发明高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金应变-阻尼性能曲线图。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金中，各元素的重量百分比为：3.0～5.0wt.％Zn，0.5～2.0wt.％Ca，0.5～1.0wt.％Cu，0.5～1.0wt.％Y，0.5～0.8wt.％Zr，杂质元素Si、Fe、Ni的总量小于0.02wt.％，余量为Mg。本发明通过在镁基体中添加Zn、Ca、Y、Cu元素形成少量的MgZnCa、Mg₂Ca、MgZnCu和MgZnY相实现第二相强化，并通过添加Zr元素细化晶粒，所获得的合金具有良好的强度和塑性。而且本发明通过引入游离分布的MgZnCa、Mg₂Ca、MgZnCu和MgZnY相与镁基体间的界面位错强钉轧阻尼机制及基体溶质原子的位错弱钉轧阻尼机制，使合金具有与纯镁相媲美的阻尼性能，室温条件下应变为10^-3时阻尼性能Q^-1达到0.18。该阻尼合金可通过常规重力铸造和离心铸造成型，可满足国防、电子及交通等领域对轻质高强阻尼材料的需求。

下面通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例中，合金成分(质量百分比)为：Zn为4.0％，Ca为1.0％，Cu为0.5％，Y为0.5％，Zr为0.6％，不可避免杂质0.02％，其余为镁。

所述镁合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)合金熔炼和浇注：先将纯Mg、纯Zn、纯Cu、Mg-25.0wt.％Ca、Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金在200℃预热20分钟，将纯镁放入铁坩埚中，置于电阻炉中，设定温度为760℃，纯Mg部分熔化后加入纯Cu，待纯Cu全部熔化后，降温至730℃，依次加入纯Zn、Mg-25wt.％Ca和Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金，待合金完全熔化后首先采用机械搅拌2～3分钟，然后向熔体中通入高纯氩气2～3分钟进行精炼，静置15分钟后降温到700℃，最后重力浇注成型，整个熔炼过程采用CO₂和SF₆混合气体(按体积百分比计，CO₂占99.5％，SF₆占0.5％)全程保护；

(2)固溶处理工艺：在375℃固溶24h后，采用85℃温水淬火至室温。

如图1(a)所示，从高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金微观组织照片可以看出，合金平均晶粒尺寸为60μm，析出相数量很少，尺寸小，且游离分布在合金。通过合金化提高合金强度的前提下，由于没有粗大析出相产生，合金阻尼性能下降不明显，见图2。

实施效果：本实施例制备的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金室温条件下应变为10^-3时阻尼性能Q^-1达到0.18，见图2。

实施例2

本实施例中，合金成分(质量百分比)为：Zn为4.2％，Ca为1.5％，Cu为0.35％，Y为0.5％，Zr为0.6％，不可避免杂质0.02％，其余为镁。

所述镁合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)合金熔炼和浇注：先将纯Mg、纯Zn、纯Cu、Mg-25.0wt.％Ca、Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金在200℃预热20分钟，将纯镁放入铁坩埚中，置于电阻炉中，设定温度为760℃，纯Mg部分熔化后加入纯Cu，待纯Cu全部熔化后，降温至730℃，依次加入纯Zn、Mg-25wt.％Ca和Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金，待合金完全熔化后首先采用机械搅拌2～3分钟，然后向熔体中通入高纯氩气2～3分钟进行精炼，静置15分钟后降温到700℃，最后离心浇注成型，整个熔炼过程采用CO₂和SF₆混合气体(按体积百分比计，CO₂占99.5％，SF₆占0.5％)全程保护；

(2)离心铸造成型工艺：卧式离心铸造，离心机转速1140r/min，模具温度350℃，熔体浇铸温度700℃。

(3)固溶处理工艺：在375℃固溶24h后，采用85℃温水淬火至室温。

如图1(b)所示，从高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金微观组织照片可以看出，合金平均晶粒尺寸为30μm，析出相数量很少，尺寸小，且游离分布在合金。通过合金化提高合金强度的前提下，由于没有粗大析出相产生，合金阻尼性能下降不明显，见图2。

实施效果：本实施例制备的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金室温条件下应变为10^-3时阻尼性能Q^-1达到0.12，见图2。

实施例结果表明，本发明提出的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，室温条件下应变为10^-3时阻尼性能Q^-1达到0.1以上，远超高阻尼合金标准：Q^-1＞0.01，而且合金制备工艺简单，有利于企业规模化生产。

Claims (6)

1.一种高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，其特征在于，所述镁合金包含Zn、Ca、Cu、Y、Zr和Mg，其重量百分比如下：

Zn 3.0～5.0％，Ca 0.5～2.0％，Cu 0.5～1.0％，Y 0.5～1.0％，Zr 0.5～0.8％，杂质元素总量小于0.02％，余量为Mg。

2.按照权利要求1所述的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，其特征在于，杂质元素包括Si、Fe和Ni。

3.按照权利要求1所述的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，其特征在于，该合金中Cu和Y元素的重量百分比应满足：0.5％≤(Cu+Y)≤1.0％。

4.按照权利要求1所述的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，其特征在于，所述镁合金的制备方法，采用工业纯Mg、工业纯Zn、工业纯Cu和Mg-25wt.％Ca、Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金为原材料，通过熔炼和重力铸造成型或离心铸造成型获得所述镁合金。

5.按照权利要求4所述的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，其特征在于，所述镁合金的制备方法，具体步骤包括：

(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、纯Zn、纯Cu、Mg-25wt.％Ca、Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金在150～200℃下预热20～30分钟；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在760℃±5℃保温使纯镁熔化并加入纯Cu，全部熔化后，降温至730℃±5℃，然后加入预热过的纯Zn、Mg-25wt.％Ca和Mg-30wt.％Y、Mg-25wt.％Zr中间合金，保温20～30分钟，进行合金化，待合金化元素完全熔化后，搅拌均匀，静置15～20分钟后，将合金熔体温度调到700～720℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成型；

(2)合金的固溶处理：固溶处理温度360～400℃下保温24～36h后温水淬火冷却。

6.按照权利要求4所述的高阻尼Mg-Zn-Ca-Cu-Y-Zr镁合金，其特征在于，按体积百分比计，CO₂和SF₆混合气体中，CO₂占99～99.5％，SF₆占0.5～1.0％。