CN110499440B - 一种加强镁铋合金中粗大的镁三铋二相形貌的变质方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加强镁铋合金中粗大的镁三铋二相形貌的变质方法，属于金属材料类及冶金领域，其步骤如下：将镁铋合金按相应的成分配比熔化后升温到710～720℃，将Mn以Mg‑3％Mn中间合金的形式加入，Mn的添加量为0.5～1.5％；加入方法是将Mg‑3％Mn中间合金预热后加入到合金熔体中，并升温搅拌，然后采用六氯乙烷精炼处理，精炼完毕后搅拌熔体并除去除熔体表面浮渣，然后静置10～20分钟，降温到720℃进行铸造。本方法可使合金组织中粗大的网状Mg3Bi2相得到很好的变质。此外，采用本方法得到的合金的力学性能还可以得到一定程度的提高。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料类及冶金领域，具体的涉及一种加强镁铋合金中粗大的镁三铋二相形貌的变质方法。
背景技术
近年来，Mg-Bi合金受到研究者们的持续关注，从Mg-Bi二元合金相图可以看出，在共晶温度约为553℃时，Bi在Mg中的最大固溶度约为8.85wt.％，200℃时，其固溶度下降至不足1wt.％，Bi在Mg中固溶度高且其随温度下降明显，显示出Mg-Bi合金具备利用热处理获得良好沉淀强化效果的热力学条件。与此同时，Mg-Bi合金中形成的Mg3Bi2相熔点高达约为821℃，可以看出合金具有很好的热稳定性和抗蠕变性能。此外，金属Bi无毒，被称为“绿色金属”，使得Mg-Bi合金在开发新型医用生物材料方面也有很大潜力。因此，与应用最广泛的Mg-Al系合金相比，Mg-Bi系合金的高温应用前景更广阔，而相对于Mg-RE系，Mg-Bi合金又具有价格和资源优势。然而，到目前为止镁铋合金在工业领域中的应用因其较差的综合力学性能等原因而受到一定程度的限制。这是由于在镁铋合金凝固过程中,会沿晶界析出大量粗大且呈网状分布的Mg3Bi2相(即镁三铋二相)。由于Mg3Bi2相的存在，造成Mg3Bi2相和镁基体间的塑性变形不协调，从而在Mg3Bi2相/镁基体界面附近产生较大的应力集中，导致Mg3Bi2相/镁基体界面易成为裂纹源，使得Mg-Bi合金的强度和塑性较差。因此，加强镁铋合金中Mg3Bi2相形貌的变质研究，使Mg3Bi2相由粗大的网状形貌转变为细小弥散分布的颗粒状，对于提高和改善镁铋合金的综合力学性能，进而扩大其在工业化领域中的应用具有重要的意义。
通过添加适量的合金化元素，既能明显改善合金微观组织，又能改善合金的力学性能，方法简单又不显著增加合金的加工制备成本，是开发高性能镁合金的一个有效途径。近年来，国内外通过合金化方法变质镁合金中第二相的形貌进行了大量的研究工作。KeChen和Ziquan Li在文献“Effect of co-modification by Ba and Sb on themicrostructure of Mg2Si/Mg-Zn-Si composite and mechanism,Journal of Alloysand Compounds 592(2014)196-201”中报道了添加Ba和Sb元素可以对Mg-Zn-Si系合金组织中的汉字状Mg2Si相起到变质作用。同时，Mengqi Cong也在文献“Effect of Sr onmicrostructure,tensile properties and wear behavior of as-cast Mg-6Zn-4Sialloy，Materials and Design 53(2014)430-434”中报道添加适量的Sr元素能够变质Mg-6Zn-4Si合金中汉字状Mg2Si相。从这些研究报道中可以看出，通过添加适量的合金化元素变质镁铋合金中粗大的网状Mg3Bi2相的方法是可行的。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题在于提供一种加强镁铋合金中粗大的镁三铋二相形貌的变质方法，其同时产生变质和强化作用，以便扩大镁铋合金在工业领域中的应用范围。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采取如下技术方案：
一种加强镁铋合金中粗大的镁三铋二相形貌的变质方法，包括如下步骤：
S1、在CO2和SF6的气体保护下，将Mg-Bi系镁合金按相应的成分配比熔化后升温到710～720℃，Mn以Mg-3％Mn(Mn占Mg-Mn中间合金质量的重量百分比为3％)中间合金的形式加入到合金熔体中，然后将熔体升温至730～750℃，待Mg-3％Mn中间合金熔化后搅拌熔体，得到混合均匀的初混熔体；
S2、采用六氯乙烷对步骤S1中所得的初混熔体进行精炼处理，精炼完毕后搅拌熔体并去除熔体表面的浮渣，然后静置10～20分钟，待温度降至720℃便可进行铸造。
进一步地，步骤S1中Mn的加入方法是将预先配好的Mg-3％Mn中间合金预热后再加入到合金熔体中，其预热温度为150～200℃。
进一步地，步骤S2中精炼处理的时间为5～10分钟，铸造方法为金属型铸造。
进一步地，铸造所得的铸锭中，Mn的含量为0.5～1.5％。
3.有益效果。
本发明通过添加Mn的方法来变质镁铋合金中的粗大的网状Mg3Bi2相，使Mg3Bi2相由粗大的网状形貌转变为细小弥散分布的颗粒状，且在明显改善合金微观组织的同时，还能改善合金的力学性能，方法简单又不会显著增加合金的加工制备成本，即其同时产生变质和强化作用，以便扩大镁铋合金在工业领域中的应用范围。研究分析认为，Mn变质镁铋合金中的粗大的网状Mg3Bi2相的机理可能如下：在含Mn元素镁铋合金的凝固过程中，在Mg3Bi2相的形核长大过程中，新生Mg3Bi2相中的Mn原子会被排挤到Mg3Bi2相表面，同时合金熔液中的Mn元素会不断向Mg3Bi2相表面偏聚，从而导致Mg3Bi2相与基体间的界面处的Mn元素含量偏高，阻碍合金熔体中的Bi原子向Mg3Bi2相的内部扩散，从而抑制了Mg3Bi2相的长大。与此同时，由于Mn的原子半径较小，而Bi的原子半径则相对较大，Mn原子在Mg3Bi2相表面的偏聚，能够降低Mg3Bi2相与基体间的晶格畸变程度，从而改变Mg3Bi2相的表面能，进而可能对Mg3Bi2枝晶的生长有明显的影响和抑制作用，使Mg3Bi2相成为细小的颗粒状。
附图说明
图1为未添加Mn的Mg-5Bi镁合金组织的SEM形貌；
图2为添加了0.5％Mn的Mg-5Bi镁合金组织的SEM形貌；
图3为添加了1.0％Mn的Mg-5Bi合金组织的SEM形貌；
图4为添加了1.5％Mn的Mg-5Bi合金组织的SEM形貌；
图5为Mg-5Bi-xMn(x＝0,0.5,1.0,1.5wt.％)镁合金显微硬度测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
在CO2和SF6气体保护下，将Mg-5Bi镁合金按相应的成分配比熔化后升温到720℃，Mn以Mg-3％Mn(重量百分比)中间合金的形式加入到合金熔体中，Mn的添加量为0.5％(占最终铸锭总质量的重量百分比)，其加入方法是将预先配好的Mg-3％Mn中间合金在200℃下预热20分钟后再加入到合金熔体中；然后将熔体升温到750℃，待Mg-3％Mn中间合金融化后搅拌合金熔体；再采用六氯乙烷进行精炼处理，精炼5分钟后搅拌熔体并除去熔体表面的浮渣，然后静置降温，待温度降低到720℃时进行金属型铸造，得到Mg-5Bi-0.5Mn合金。
用扫描电子显微镜(SEM)观察并记录未添加Mn的Mg-5Bi镁合金的组织形貌和添加了0.5％Mn的Mg-5Bi镁合金的的组织形貌，未添加Mn的Mg-5Bi镁合金组织的SEM形貌如图1所示，本实施例中添加了0.5％Mn的Mg-5Bi镁合金组织的SEM形貌如图2所示。
对比图2与图1之间的微观组织，可以看到，采用本发明提出方法得到的合金组织中的Mg3Bi2相发生明显细化，说明采用本发明提出的方法处理金属型铸造Mg-5Bi-0.5Mn合金可以使合金组织中粗大的网状Mg3Bi2相得到很好的变质。
实施例2
在CO2和SF6气体保护下，将Mg-5Bi镁合金按相应的成分配比熔化后升温到720℃，Mn以Mg-3％Mn(重量百分比)中间合金的形式加入到合金熔体中，Mn的添加量为1.0％(占最终铸锭总质量的重量百分比)，其加入方法是将预先配好的Mg-3％Mn中间合金在200℃下预热20分钟后再加入到合金熔体中；然后将熔体升温到730℃，待Mg-3％Mn中间合金融化后搅拌合金熔体；再采用六氯乙烷进行精炼处理，精炼5分钟后搅拌熔体并除去熔体表面的浮渣，然后静置降温，待温度降低到720℃时进行金属型铸造，得到Mg-5Bi-1.0Mn合金。
用扫描电子显微镜(SEM)观察并记录添加了1.0％Mn的Mg-5Bi镁合金的的组织形貌，本实施例中添加了1.0％Mn的Mg-5Bi镁合金组织的SEM形貌如图3所示。
对比图3与图1之间的微观组织，可以看到，采用本发明提出方法得到的合金组织中的Mg3Bi2相发生明显细化，说明采用本发明提出的方法处理金属型铸造Mg-5Bi-1.0Mn合金可以使合金组织中粗大的网状Mg3Bi2相得到很好的变质。
实施例3
在CO2和SF6气体保护下，将Mg-5Bi镁合金按相应的成分配比熔化后升温到720℃，Mn以Mg-3％Mn(重量百分比)中间合金的形式加入到合金熔体中，Mn的添加量为1.5％(占最终铸锭总质量的重量百分比)，其加入方法是将预先配好的Mg-3％Mn中间合金在200℃下预热20分钟后再加入到合金熔体中；然后将熔体升温到740℃，待Mg-3％Mn中间合金融化后搅拌合金熔体；再采用六氯乙烷进行精炼处理，精炼5分钟后搅拌熔体并除去熔体表面的浮渣，然后静置降温，待温度降低到720℃时进行金属型铸造，得到Mg-5Bi-1.5Mn合金。
用扫描电子显微镜(SEM)观察并记录添加了1.5％Mn的Mg-5Bi镁合金的的组织形貌，本实施例中添加了1.5％Mn的Mg-5Bi镁合金组织的SEM形貌如图4所示。
对比图4与图1之间的微观组织，可以看到，采用本发明提出方法得到的合金组织中的Mg3Bi2相发生明显细化，说明采用本发明提出的方法处理金属型铸造Mg-5Bi-1.5Mn合金可以使合金组织中粗大的网状Mg3Bi2相得到很好的变质。
下面进行合金的显微硬度测试：
对未添加Mn的Mg-5Bi镁合金和采用本发明提出方法得到的Mg-5Bi-0.5Mn合金、Mg-5Bi-1.0Mn合金及Mg-5Bi-1.5Mn合金作显微硬度测试，结果如图5所示，从图5中可以看到，采用本发明提出方法得到的合金的性能还可以得到一定程度的提高。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。
Claims (3)
1.一种加强镁铋合金中粗大的镁三铋二相形貌的变质方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在CO2和SF6的气体保护下，将Mg-Bi系镁合金按相应的成分配比熔化后升温到710～720℃，将Mn以Mg-3％Mn中间合金的形式加入到合金熔体中，然后将熔体升温至730～750℃，待Mg-3％Mn中间合金熔化后搅拌熔体，得到混合均匀的初混熔体；
S2、采用六氯乙烷对步骤S1中所得的初混熔体进行精炼处理，精炼完毕后搅拌熔体并去除熔体表面的浮渣，然后静置10～20分钟，待温度降至720℃便可进行铸造；铸造所得的铸锭中，Mn的含量为大于1.0％且不超过1.5％。
2.根据权利要求1所述的一种加强镁铋合金中粗大的镁三铋二相形貌的变质方法，其特征在于，步骤S1中Mn的加入方法是将预先配好的Mg-3％Mn中间合金预热后再加入到合金熔体中，其预热温度为150～200℃。
3.根据权利要求1所述的一种加强镁铋合金中粗大的镁三铋二相形貌的变质方法，其特征在于，步骤S2中精炼处理的时间为5～10分钟，铸造方法为金属型铸造。
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