CN111926227A - 一种高阻尼高强度Mg-Ca-Sn镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高阻尼高强度Mg‑Ca‑Sn镁合金及其制备方法，按照质量百分比，组分包括：0.1‑0.6％的Ca，0.1‑0.4％的Sn。余量为Mg和不可避免的Fe和Si等杂质，杂质总含量≤0.05％。本发明利用多元素微合金化的方法，提高镁合金的阻尼性能和力学性能。

Description

一种高阻尼高强度Mg-Ca-Sn镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高阻尼合金材料及其制备领域，特别涉及一种高阻尼高强度Mg-Ca-Sn镁合金及其制备方法。

背景技术

材料的阻尼性能具有减少振动、降低噪音和提高疲劳性能的作用，在实际的应用中对其有严格的要求。随着现代高科技的发展要求材料具有良好的阻尼减振降噪能力。目前航天、航空、汽车等交通领域应用的结构材料，如铝合金、钛合金和钢等，其阻尼性能较差(品质因子Q^-1<<0.01),导致一些零件出现振动疲劳裂纹和仪器仪表工作失灵，威胁系统运行的可靠性和寿命。火箭、卫星失效分析表明约2/3的故障和振动、噪音有关。

相比于其他金属材料，镁的不仅密度小而且具有良好的阻尼性能。但镁合金绝对强度偏低导致其不能得到大规模工的应用。镁及其合金的阻尼机制属于位错阻尼机制。目前镁合金的强韧化主要途径有合金化和塑性变形两种方法。合金化可通过在镁合金中引入固溶原子或者第二相从而改变镁合金的位错或者点缺陷的密度和分布，有报道称镁合金中添加Zr、Al、Mn、Ce等二元铸态镁合金的阻尼性能优异，但是他们的力学性能不能满足上述领域的要求。等径角挤压、轧制、锻造等塑性变形不可避免会导致位错和晶界的缠绕或富集，从而降低其阻尼性能。如何对阻尼镁合金的力学性能与阻尼性能进行平衡优化已成为当下重要的研究方向。鉴于此，研究人员开始三元高阻尼镁合金开发，CN106222507A专利发明了一种添加元素含量较少的Mg-Ce-Zn三元合金，通过挤压变形和热处理耦合技术实现力学性能和阻尼性能平衡优化，由于该合金中添加稀土，且制备过程需要经过熔炼、挤压和热处理等复杂工艺过程，不仅制造流程繁琐，同时使其成本急剧升高，从而限制了该合金体系的大范围应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高阻尼高强度Mg-Ca-Sn三元镁合金及其制备方法，克服现有技术二元镁合金的力学性能和阻尼性能不平衡，以及多元合金(添加合金元素大于4种)导致的生产工艺过于复杂以及成本过高的缺陷，不能满足如航空、航天、汽车、等领域的工业要求，本发明中通过往镁基体中两种不同合金元素的微量复合添加，得到高阻尼高强度镁合金。

本发明的一种Mg-Ca-Sn镁合金，其特征在于，按质量百分比，组分包括：

Ca 0.1-0.6％，

Sn 0.1-0.4％，

余量为Mg和不可避免的Fe和Si等杂质，杂质总含量≤0.05％。

进一步地，按质量百分比，组分包括：Ca 0.2％-0.56％，Sn 0.35-0.38％，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质总含量≤0.05％。

进一步地，按质量百分比，组分包括：Ca 0.2％，Sn 0.35％，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质含量≤0.05％。

进一步地，按质量百分比，组分包括：Ca 0.56％，Sn 0.38％，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质含量≤0.05％。

本发明的一种Mg-Ca-Sn镁合金的制备方法，包括：

(1)按质量百分比进行配比，将配比的工业纯镁、Mg-Ca中间合金、Mg-Sn中间合金置于烘箱内在200-300℃进行烘干和预热；

(2)在保护气体保护下，将预热后的工业纯镁加热到700-720℃进行熔化，得到镁液，将获得的镁液升温到740-750℃，去除熔体表面浮渣，然后往镁熔体中加入Mg-Ca和Mg-Sn中间合金，并使所添加中间合金全部熔化；

(3)将步骤(2)得到的镁合金熔体降温至690-700℃，并对镁合金熔体进行充分搅拌，搅拌，搅拌结束后静置，浇铸，即得Mg-Ca-Sn镁合金。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中Mg-Ca中间合金为Mg-20％Ca；Mg-Sn中间合金为Mg-20％Sn。

所述步骤(2)中保护气体为CO₂和SF₆混合气体，CO₂和SF₆的体积比为100:1。

所述步骤(3)中搅拌为电磁搅拌或人工搅拌，其中电磁搅拌时磁场强度100-600Gs。

所述步骤(3)中搅拌时间为45-90分钟；静置时间为15-30分钟；浇铸为浇铸到预热到200-300℃的模具。

本发明提供一种所述Mg-Ca-Sn镁合金的应用，如航空、航天、汽车、等领域装备系统中。

本发明在镁合金中能够通过微合金化实现镁合金细晶强化，同时在镁合金中均匀的弥散分布第二相，可以有效的激发镁合金的位错阻尼机制，而且可以避免位错缠绕和塞积。从而实现镁合金阻尼和强度的平衡。本发明通过镁合金中添加微量合金化元素实现镁合金阻尼性能和力学性能的平衡，制备出一种低成本的高阻尼高强度的镁合金。

有益效果

(1)本发明中在充分的搅拌条件下，使得合金熔体溶质分布的均匀性。本发明所添加的微量元素Ca，使得合金熔体冷却凝固中可以均匀析出的Mg₂Ca，并作为形成异质形核剂有效的细化晶粒，提高力学性能，同时所添加的Ca可以提高镁合金溶体的阻燃特性，达到有效提高合金元素的收得率和减少熔体杂质的产生。所添加的微量元素Sn，使得合金熔体在冷却凝固中可以均匀析出的Mg₂Sn，并作为形成异质形核剂有效的细化晶粒，提高力学性能。

(2)本发明中通过在镁合金基体中形成均匀分布的细小的Mg₂Ca和Mg₂Sn的第二相，可以有效的激发该合金体系的位错阻尼机制，同时避免位错在开动过程中的塞积和缠绕，因此可以明显地提高所设计镁合金的位错阻尼效果，从而有效的提高所设计镁合金的阻尼特性。

(3)本发明的Mg-Ca-Sn镁合金同时具有阻尼和高强镁合金，利用多组元微合金化的方法提高镁合金的阻尼和提高力学性能有效结合一起。同时所添加的合金元素均属于常见合金元素，而且合金元素总含量小于1.0％，远低于同类镁合金材料，因此所设计的镁合金具有成本较低，且无需进一步热处理和塑性变形即可得到了一种低成本的高阻尼高强度的镁合金材料，具有制备过程简易，易于工业化应用。

(4)本发明的微量多组元复合合金化后镁合金的阻尼性能和强度得到显著提高。最高的阻尼品质因子Q^-1高达0.19，远高于一般的镁合金的阻尼性能，且屈服强度和抗拉强度可分别达到283MPa和323MPa。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明中的纯镁、Mg-20Ca和Mg-20Sn均从市场采购，所采购的原材料的杂质含量≤0.05％。中间合金Mg-20％Ca代表Ca含量的质量百分数20％，其作用为有效降低镁合金熔炼温度，减少镁合金的燃烧和氧化。其他中间合金代表含义和作用一样。

抗拉强度性能测试：根据GB/T228-2002将时效处理后加工成标准片状拉伸试样，拉伸试样标距L₀＝54mm，试样厚度a＝4mm，拉伸应变率为0.1S^-1，进行拉伸试验，测试的抗拉强度见表1。

阻尼性能的测试：按照GB/T18258-2000进行阻尼性能测试，试样尺寸为200mm×10mm×2mm。测试条件：应变振幅ε＝0.001，振动频率f＝1HZ。测试的阻尼性能见表1

实施例1

选用的合金为Mg-Ca-Sn系镁合金，按照质量百分比，Ca含量为0.2％；Sn含量为0.35％，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质含量≤0.05％。

合金的制备按照以下步骤进行：

(1)按照所述镁合金的质量百分比进行配料；

(2)将工业纯镁、Mg-20％Ca中间合金及Mg-20％Sn中间合金放置于烘箱中200℃预热2小时，消除原材料中的水分；

(3)在体积比为100:1的CO₂和SF₆的保护气体保护下，将预热后的工业纯镁加热到700℃进行熔化；

(4)将纯镁熔体升温到740℃，去除熔体表面浮渣，往纯镁熔体添加Mg-20％Sn中间合金、Mg-20％Ca中间合金，待上述熔体完全熔化；

(5)将镁合金溶体降温到700℃，放在磁场中充分搅拌，磁场强度为300Gs，搅拌时间45分钟，搅拌结束后静置20分钟，浇铸到预热到250℃的模具，制备出高阻尼高强度镁合金。

实施例2

选用的合金为Mg-Ca-Sn系镁合金，按照质量百分比，Ca含量为0.56％；Sn含量为0.38％，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质含量≤0.05％。

合金的制备按照以下步骤进行：

(1)按照所述镁合金的质量百分比进行配料；

(2)将工业纯镁、Mg-20％Ca中间合金及Mg-20％Sn中间合金放置于烘箱中200℃预热2小时，消除原材料中的水分；

(3)在体积比为100:1的CO₂和SF₆的保护气体保护下，将预热后的工业纯镁加热到700℃进行熔化；

(4)将纯镁熔体升温到740℃，去除熔体表面浮渣，往纯镁熔体添加Mg-20％Sn中间合金、Mg-20％Ca中间合金，待上述熔体完全熔化；

(5)将镁合金溶体降温到690℃，采用人工搅拌，搅拌时间60分钟，搅拌结束后静置15分钟，浇铸到预热到300℃的模具，制备出高阻尼高强度镁合金。

表1实施例1-2制备的Mg-Ca-Sn合金的阻尼和力学性能

根据上述实施例以及表1的内容，分析可得：在纯镁中添加微量的Ca和Sn元素，铸态Mg-Ca-Sn合金的力学性能和阻尼性能已经达到很高的水平。相对CN106222507A所报道的实施例(对比例1、对比例3)制备的工艺明显简化，而且各种性能指标都有明显的提高。实施例1、实施例2的阻尼性能相对对比例1、对比例3中的阻尼性能提高幅度分别高达72.7％和75.4％。实施例1、实施例2的屈服强度相对对比例1、对比例3中的屈服强度提高幅度分别高达33.3％和60.8％。此外为了证实过高的Sn或Ca的成分反而对Mg-Ca-Sn合金体系的力学性能和阻尼性能会产生不利影响。本发明中增加了对比例2和对比例4。对比例2和实施例1两者之间唯一区别是Sn的含量不一样，熔炼工艺完全一样。对比例4和实施例2两者之间唯一区别是Ca的含量不一样，熔炼工艺完全一样。比较对比例2和实施例1、对比例4和实施例2可以发现，对应的阻尼性能和力学性能随着Ca或者Sn提高，Mg-Ca-Sn体系合金的阻尼性能和力学性能反而明显降低。

综上，本发明的镁合金是一种具有低成本高阻尼高强度镁合金，由于本发明采用微量合金化实现高阻尼和高强度，添加合金元素总量低于1％，且添加的都属低成本常见的合金元素，可以简化合金熔炼过程和降低合金成本。Ca和Sn的复合添加可以复合提高合金前度和阻尼性能。所设计的合金可以满足航天、航空、汽车等交通领域应用的结构材料的需求。

Claims (10)

1.一种Mg-Ca-Sn镁合金，其特征在于，按质量百分比，组分包括：

Ca 0.1-0.6％，

Sn 0.1-0.4％，

余量为Mg和不可避免的杂质，杂质总含量≤0.05％。

2.根据权利要求1所述镁合金，其特征在于，按质量百分比，组分包括：Ca 0.2％-0.56％，Sn 0.35-0.38％，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质总含量≤0.05％。

3.根据权利要求1所述镁合金，其特征在于，按质量百分比，组分包括：Ca 0.2％，Sn0.35％，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质含量≤0.05％。

4.根据权利要求1所述镁合金，其特征在于，按质量百分比，组分包括：Ca 0.56％，Sn0.38％，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质含量≤0.05％。

5.一种Mg-Ca-Sn镁合金的制备方法，包括：

(1)按质量百分比进行配比，将配比的工业纯镁、Mg-Ca中间合金、Mg-Sn中间合金进行烘干和预热；

(2)在保护气体条件下，将预热后的工业纯镁加热到700-720℃进行熔化，得到镁液，升温到740-750℃，去除熔体表面浮渣，然后加入Mg-Ca和Mg-Sn中间合金，并使所添加中间合金全部熔化；

(3)将步骤(2)得到的镁合金熔体降温至690-700℃，搅拌，静置，浇铸，即得Mg-Ca-Sn镁合金。

6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中Mg-Ca中间合金为Mg-20％Ca；Mg-Sn中间合金为Mg-20％Sn。

7.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中保护气体为CO₂和SF₆混合气体，CO₂和SF₆的体积比为100:1。

8.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中搅拌为电磁搅拌或人工搅拌，其中电磁搅拌时磁场强度100-600Gs。

9.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中搅拌时间为45-90分钟；静置时间为15-30分钟；浇铸为浇铸到预热到200-300℃的模具。

10.一种权利要求1所述Mg-Ca-Sn镁合金的应用。