CN109957692A - 一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料及制备方法 - Google Patents

一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料及制备方法，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：4.00～25.00％；Al：4.00～25.00％；Sr：0.00～3.00％；Ba：0.00～8.00％；Zn：0.00～8.00％；Mn：0.00～5.00％；Sn：0.00～8.00％，其余为Mg和杂质。制备方法包括如下步骤：(1)准备材料；(2)铸锭熔炼。本发明的有益效果是：高钙高铝含量铸造镁基复合材料原料均为价格较为低廉的金属及合金；与常规镁基复合材料相比，本发明形成的增强体为原位自生增强体，且分散均匀；与常规的镁铝钙系镁合金相比，本发明Ca、Al元素含量较高，形成共晶组织，利用Al2Ca、(Mg,Al)2Ca相兼具强塑性，并与镁基体界面结合良好的特点，制备高性能复合材料。本发明采用普通铸造，工艺流程简单，通过调控成分来调控共晶组织含量及形貌，进一步提高性能。

Description

一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于镁合金及镁基复合材料领域，尤其涉及一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料及制备方法。
背景技术
近年来，能源危机、资源枯竭和环境恶化对航空航天，汽车工业的轻量化，节能减排和低碳环保提出了更高的要求。镁合金以其低密度、高比强度、高比刚度等优良特性，受到日益广泛的关注，成为近年来金属结构材料研究的一个重要方向。前期大部分相关研究工作集中于镁合金的强韧性研究：通过加入铝、锌等在镁中最大固溶度较大且随温度变化显著的合金元素来实现固溶强化和析出强化；通过加入锆、锰、银、硅等元素来细化晶粒，达到强韧性兼备的目的；通过调控凝固速率，加工工艺，热处理的工艺手段来调控合金组织。然而当镁合金应用于形状较为复杂的构件中时，铸造成为唯一的成型方法。目前商用铸造镁合金为AZ80，AZ91D等牌号，特点为高铝低锌含量，合金中的第二相主要为γ-Mg17Al12相，由于γ相熔点较低(437℃)，AZ系铸造镁合金材料有热裂倾向且不适用于在高于150℃条件下长时间服役。目前，Mg-RE系镁合金具有较高的室温强度和高温强度，可作为耐热镁合金，但是，高含量的稀土元素不仅使镁合金成本显著增加，还增加了合金的密度，这极大削弱了镁合金作为轻量化材料的优势。近几年来有很多关于新型非稀土的变形镁合金，特别是在镁合金中添加Ca、Al、Zn、Mn、Sr、Ba、Sn等元素的研究得到了广泛的关注，可以制备出高强韧性镁合金材料，然而关于铸造的非稀土镁合金材料研究进展缓慢。
共晶组织是在钢铁材料中普遍存在的组织，典型的如珠光体。目前非稀土镁合金中所加入的合金元素一般不超过10％(质量百分比)，镁合金材料的强化设计思路也大部分模仿铝合金材料，即采取微合金化+固溶—时效的热处理工艺取得高密度析出的细小第二相，例如Mg-Zn系合金中通过Ag、Ca、Zr等微合金化元素及固溶—时效的热处理工艺来调控析出相尺寸和形貌，然而关于大量的共晶组织甚至完全共晶组织的镁合金材料设计鲜有报道。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料及制备方法，选用廉价的低密度的非稀土元素，降低成本，得到铸造镁基复合材料。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：4.00～25.00％；Al：4.00～25.00％；Sr：0.00～3.00％；Ba：0.00～8.00％；Zn：0.00～8.00％；Mn：0.00～5.00％；Sn：0.00～8.00％，其余为Mg和杂质；制得的铸造镁基复合材料的第二相含有(Mg,Al)2Ca，所述第二相的含量按体积比占20％～70％。
所述Ca为纯钙，所述Al为纯铝，所述Sr为镁锶中间合金，所述Ba为纯钡。
所述Zn为纯锌，所述Mn为镁锰中间合金，所述Sn为纯锡。
所述一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Sr：1.00～3.00％。
所述一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ba：2.00～8.00％。
所述一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Zn：0.50～8.00％。
所述一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Mn：0.10～5.00％。
所述一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Sn：2.00～8.00％。
所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中保护气体的保护下，加入镁，加热至740～780℃充分搅拌至其全部熔化；
然后，保持温度在740～780℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌3～6分钟后，将熔液温度控制在700～750℃静置10～20分钟，清除表面的浮渣，在700～750℃的条件下浇铸至提前预热到200～350℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，所述的步骤(2)中的保护气体为CO2+SF6或高纯氩气，所述CO2和SF6按体积比为(19～199)：1。
本发明的有益效果是：本发明提出的高钙高铝含量铸造镁基复合材料原料均为价格较为低廉的金属及合金，具有一定的成本优势。与常规镁基复合材料相比，本发明形成的增强体为原位自生增强体，且分散均匀。与常规的镁铝钙系镁合金相比，本发明Ca、Al元素含量较高，形成共晶组织，共晶组织相组成为α-Mg及Mg2Ca、Al2Ca、(Mg,Al)2Ca相，利用Al2Ca、(Mg,Al)2Ca相兼具强塑性，并与镁基体界面结合良好的特点，制备高性能复合材料。本发明采用普通铸造，工艺流程简单，通过调控成分来调控共晶组织含量及形貌，进一步提高性能。
附图说明
图1(a)为金相显微镜下Mg-4Ca-4Al-0.5Zn-0.1Mn合金铸造组织形貌，图1(b)为扫描电镜下Mg-4Ca-4Al-0.5Zn-0.1Mn合金铸造组织形貌。
图2(a)为金相显微镜下Mg-8.5Ca-8.5Al-2Sn-0.5Zn合金铸造组织形貌，图2(b)为扫描电镜下Mg-8.5Ca-8.5Al-2Sn-0.5Zn合金铸造组织形貌。
图3(a)为金相显微镜下Mg-12.5Ca-12.5Al-8Ba-0.3Mn合金铸造组织形貌，图3(b)为扫描电镜下Mg-12.5Ca-12.5Al-8Ba-0.3Mn合金铸造组织形貌。
图4为试验实施例中各样品的力学性能。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
金属基复合材料近几年备受材料研究工作者关注，例如在铝合金中加入Y2O3，铜合金中加入石墨烯，镁合金中加入碳纳米管等。大部分金属基复合材料采用外加增强体的方法制备，需要复杂的加入和分散工艺，如铜合金中石墨烯的加入采用粉末冶金工艺、碳纳米管加入镁合金中需要超声熔体分散工艺等，考虑镁基体中增强体性能及与基体的界面效应，通过选用廉价的低密度的非稀土元素，得到含有共晶组织的镁合金，是制备高性能铸造镁基复合材料的一种思路，且该制备方法具有复合体为原位自生且分散均匀的优点。申请人近期的研究结果表明，Ca、Al作为主合金化元素，Sr、Ba、Zn、Mn、Sn作为微合金化元素可以使铸态镁合金的力学性能达到令人满意的效果，从而开发出低成本、高力学性能的新型铸造镁基复合材料和制品。
本发明的设计思想如下：
结合相图设计主合金元素Ca、Al含量，调节Sr、Ba、Zn、Mn、Sn等微合金化元素，采用浇铸系统铸造，获得具有不同共晶组织含量及形貌的镁基复合材料，最终制备出一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
实施例1
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：4wt.％、Al：4wt.％、Zn：0.5wt.％、Mn：0.1wt.％，其余为Mg和杂质；其中Mn为Mn含量占6wt.％的镁锰中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至740℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为199：1；
然后，保持温度在740℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌3分钟后，将熔液温度控制在700℃静置10分钟，清除表面的浮渣，在700℃的条件下浇铸至提前预热到200℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其显微结构如图1(a)和图1(b)所示，其力学性能如图4所示。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的第二相含量为23.2％，抗拉强度为160MPa，屈服强度为120MPa，延伸率为2.0％。
实施例2
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：8.5wt.％、Al：8.5wt.％、Sn：2.0wt.％、Zn：0.5wt.％，其余为Mg和杂质，其中各金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至750℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为179：1；
然后，保持温度在750℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌4分钟后，将熔液温度控制在710℃静置12分钟，清除表面的浮渣，在710℃的条件下浇铸至提前预热到220℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其显微结构如图2(a)和图2(b)所示，其力学性能如图4所示。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的第二相含量为31.2％，抗拉强度为171MPa，屈服强度为128MPa，延伸率为2.2％。
实施例3
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：8.5wt.％、Al：8.5wt.％、Sr：3.0wt.％、Mn：0.5wt.％，其余为Mg和杂质；其中Mn为Mn含量占6wt.％的镁锰中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至760℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为152：1；
然后，保持温度在760℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌5分钟后，将熔液温度控制在720℃静置14分钟，清除表面的浮渣，在720℃的条件下浇铸至提前预热到240℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其力学性能如图4所示。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的第二相含量为33.1％，得到完全共晶组织，抗拉强度为190MPa，屈服强度为132MPa，延伸率为1.7％。
实施例4
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：12.5wt.％、Al：12.5wt.％、Ba：8.0wt.％、Mn：0.3wt.％，其余为Mg和杂质；其中Mn为Mn含量占6wt.％的镁锰中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至770℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为163：1；
然后，保持温度在770℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌6分钟后，将熔液温度控制在730℃静置16分钟，清除表面的浮渣，在730℃的条件下浇铸至提前预热到260℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其显微结构如图3(a)和图3(b)所示，其力学性能如图4所示。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的第二相含量为52.1％，得到完全共晶组织，抗拉强度为210MPa，屈服强度为140MPa，延伸率为1.5％。
实施例5
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：20.0wt.％、Al：16.0wt.％、Mn：5.0wt.％，其余为Mg和杂质；其中Mn为Mn含量占6wt.％的镁锰中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至780℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为116：1；
然后，保持温度在780℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌5分钟后，将熔液温度控制在740℃静置18分钟，清除表面的浮渣，在740℃的条件下浇铸至提前预热到300℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其力学性能如图4所示。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的抗拉强度为220MPa，屈服强度为142MPa，延伸率为1.2％。
实施例6
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：20.0wt.％、Al：20.0wt.％、Zn：8.0wt.％、Sn：8.0wt.％，其余为Mg和杂质，其中各金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至760℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为135：1；
然后，保持温度在760℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌3分钟后，将熔液温度控制在750℃静置20分钟，清除表面的浮渣，在750℃的条件下浇铸至提前预热到350℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其力学性能如图4所示。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的抗拉强度为230MPa，屈服强度为145MPa，延伸率为1.1％。
实施例7
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：20.0wt.％、Al：20.0wt.％、Zn：2.0wt.％、Sn：2.0wt.％，其余为Mg和杂质，其中各金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至760℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为99：1；
然后，保持温度在760℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌3分钟后，将熔液温度控制在750℃静置20分钟，清除表面的浮渣，在750℃的条件下浇铸至提前预热到350℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的抗拉强度为230MPa，屈服强度为145MPa，延伸率为1.1％。
实施例8
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：25.0wt.％、Al：25.0wt.％、Mn：2.0wt.％，其余为Mg和杂质；其中Mn为Mn含量占6wt.％的镁锰中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至780℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为65：1；
然后，保持温度在780℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌5分钟后，将熔液温度控制在740℃静置18分钟，清除表面的浮渣，在740℃的条件下浇铸至提前预热到300℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的抗拉强度为220MPa，屈服强度为142MPa，延伸率为1.2％。
实施例9
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：8.5wt.％、Al：8.5wt.％、Sr：1.0wt.％、Mn：0.5wt.％，其余为Mg和杂质；其中Mn为Mn含量占6wt.％的镁锰中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至760℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为59：1；
然后，保持温度在760℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌5分钟后，将熔液温度控制在720℃静置14分钟，清除表面的浮渣，在720℃的条件下浇铸至提前预热到240℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的第二相含量为33.1％，得到完全共晶组织，抗拉强度为190MPa，屈服强度为132MPa，延伸率为1.7％。
实施例10
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：12.5wt.％、Al：12.5wt.％、Ba：2.0wt.％、Mn：0.3wt.％，其余为Mg和杂质；其中Mn为Mn含量占6wt.％的镁锰中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至770℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为19：1；
然后，保持温度在770℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌6分钟后，将熔液温度控制在730℃静置16分钟，清除表面的浮渣，在730℃的条件下浇铸至提前预热到260℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
本实施例制得的高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的第二相含量为52.1％，得到完全共晶组织，抗拉强度为210MPa，屈服强度为140MPa，延伸率为1.5％。

Claims (10)

1.一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：4.00～25.00％；Al：4.00～25.00％；Sr：0.00～3.00％；Ba：0.00～8.00％；Zn：0.00～8.00％；Mn：0.00～5.00％；Sn：0.00～8.00％，其余为Mg和杂质；制得的铸造镁基复合材料的第二相含有(Mg,Al)2Ca，所述第二相的含量按体积比占20％～70％。
2.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其特征在于，所述Sr为镁锶中间合金。
3.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其特征在于，所述Mn为镁锰中间合金。
4.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Sr：1.00～3.00％。
5.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ba：2.00～8.00％。
6.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Zn：0.50～8.00％。
7.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Mn：0.10～5.00％。
8.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Sn：2.00～8.00％。
9.权利要求1～8中任意一项所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中保护气体的保护下，加入镁，加热至740～780℃充分搅拌至其全部熔化；
然后，保持温度在740～780℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌3～6分钟后，将熔液温度控制在700～750℃静置10～20分钟，清除表面的浮渣，在700～750℃的条件下浇铸至提前预热到200～350℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
10.根据权利要求9所述的一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的保护气体为CO2+SF6或高纯氩气，所述CO2和SF6按体积比为(19～199)：1。
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