CN114058918A - 一种高强韧镁合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高强韧镁合金及其制备方法和应用，按重量份数计，所述镁合金的原料组分如下：镁100份、铝0.8～5.0份、锌0.5～2.1份、锰0.4～0.7份、铈0.2～0.4份。制备步骤为：将各原料分别进行预热，添加精炼剂，加热升温在保护气体作用下，进行精炼，使熔渣充分沉析，进行舀料浇注，等到镁锭模完全冷却后，进行脱模，得到高强韧镁合金。本发明提供的高强韧镁合金能够降低材料本身的杂质，提高镁合金纯度。

Description

一种高强韧镁合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及镁合金制备技术领域，具体来说，涉及一种高强韧镁合金及其制备方法和应用。
背景技术
镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小(1.8g/cm3镁合金左右)，强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是实用金属中的最轻的金属，高强度、高刚性。
现有的高强韧镁合金的制备方法采用传统熔炼方式，熔炼过程，由于材料本身杂质和操作不规范，容易造成杂质含量增加，从而镁合金纯度，影响医疗领域健康使用过程。现有技术中由于添加稀土元素改善镁合金的高温力学性能和抗蠕变性能，但稀土含量较高，成本也高。现有技术CN201611223231.4公开一种新型镁合金复合材料的制备方法，其特征是：新型镁合金复合材料由铝、锌、锰、钕、铈、镁按比例混合，在镁合金熔体中加入镍包覆纳米SiC颗粒，同时施加电磁场，电磁模拟微重力使镍包覆纳米SiC颗粒在熔体中均匀分散，浇铸后对铸锭施加电场细化晶粒，最后对新型镁合金复合材料进行等径角挤压变形。该新型镁合金复合材料在制备过程中通过添加SiC来增强强度，但镁合金的塑性存在不足。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种高强韧镁合金及其制备方法和应用，能够降低材料本身的杂质，提高镁合金纯度。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明一种高强韧镁合金，按重量份数计，所述镁合金的原料组分包括/由以下组分构成：镁100份、铝0.8～5.0份、锌0.5～2.1份、锰0.4～0.7份、铈0.2～0.4份。本发明原料组分铝含量既保证铝的固溶强化作用，又能避免应力腐蚀；锌的含量既可起到固溶强化和沉淀强化效果，且含量能够增加合金热裂；锰含量足够去除铁杂质，能够提高耐蚀性；铈能够与铝生产稳定的铝铈混合物相，减少低熔点相镁铝的数量，提高抗蠕变性能和热稳定性，固溶是指添加到镁中的合金添加元素与镁形成固溶体(solid溶液)的过程。
进一步地，所述镁合金的原料组分包括/由以下组分构成：镁100份、铝5.0份、锌2.1份、锰0.7份、铈0.4份。
进一步地，所述镁合金的原料组分包括/由以下组分构成：镁100份、铝2.2份、锌1.8份、锰0.6份、铈0.3份。
进一步地，所述镁合金的原料组分包括/由以下组分构成：镁100份、铝0.8份、锌0.5份、锰0.4份、铈0.2份。
进一步地，所述镁合金的原料组分包括/由以下组分构成：镁100份、铝1.0份、锌0.8份、锰0.5份、铈0.25份。
另一方面，本发明提供一种高强韧镁合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：将镁、铝、锌、锰、铈分别进行预热，预热温度达到150～160℃；
步骤二：向清理干净的坩埚内加入预热好的镁，再依次倒入铝、锌、锰、铈，按已添加金属总量的10～30％添加精炼剂，加热升温至280～300℃，通过转速为600r/min～900r/min的电磁加热器进行搅拌加热，使得温度达到600～650℃，坩埚内自动供予保护气体，温度升高至700～720摄氏度进行精炼，精炼后静置15～60min，使熔渣充分沉析；所述保护气体为氮气和六氟化硫混合气体，混合气体中氮气和六氟化硫的体积分数比为95～98：2～5，所述保护气体的气流量为1～5L/min；所述精炼剂为NaC1、KC1、Na2SO4、SiO2和FeSb2，精炼剂各组分的质量比为85～90：6～7：1～1.5：0.4～0.7：0.4～0.7；通过混合气体的保护作用，避免杂质生成；
步骤三：温度升高至720～730℃，使熔渣充分沉析进行舀料浇注，舀料时必须戴好防护用具，舀料工具使用前需加热至150℃以上，除去表面水分，并将料勺表面清理干净，对舀料工具提出要求，避免杂质产生；掀起炉盖，保持料勺倾斜30度，缓缓的放入料中，每次取3/4料勺容量的料液，慢慢提出液面，平缓的将料液倒入镁锭模内，后盖上模盖，切记舀料时不可搅拌料液；避免搅拌导致杂质的生成；
步骤四：等到镁锭模完全冷却后，进行脱模，得到高强韧镁合金。
另一方面，本发明提供一种高强韧镁合金在制备医疗领域的骨板和骨钉材料中的应用。
另一方面，本发明提供一种高强韧镁合金在制备航天航空相关材料中的应用。
本发明的有益效果：本发明通过添加精炼剂和保护气体双重精炼，最大可能性降低加工完成后镁合金内掺杂的杂质，能够有效提高镁合金精度，有利于医疗健康安全和航空材料的高强韧性。
本发明通过在电磁搅拌过程制备镁合金的性能大大得到提高。所制备的镁合金的抗拉强度为168MPa，伸长率为4.1％，硬度为63.8HB。在电磁搅拌条件下，α～Mg得到细化，合金的平均晶粒尺寸为78.1μm；晶界上粗大β～Mg_(17)Al_(12)相被打碎,数量减少,片层状的β～Mg_(17)Al_(12)相被明显细化。电磁搅拌镁合金在经过热挤压后,合金的抗拉强度和伸长率分别为241MPa和6.3％,挤压后合金的晶粒得到显著的细化，从而使得镁合金材料具有高强韧性。
附图说明
图1高强韧镁合金的制备工艺流程图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
实施例1
一种高强韧镁合金，按重量份数计，所述镁合金的原料组分如下：镁100份、铝5.0份、锌2.1份、锰0.7份、铈0.4份。
高强韧镁合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：取坩埚清理干净，不得有油污，锈迹，水迹，镁粘及异物等，熔炉和周边要干净；将镁、铝、锌、锰、铈分别进行预热，预热温度达到150～160℃；
步骤二：向清理干净的坩埚内加入预热好的镁，再依次倒入铝、锌、锰、铈，按已添加金属总量的10～30％添加精炼剂，加热升温至280℃，通过转速为600r/min的电磁加热器进行搅拌加热，使得温度达到600℃，坩埚内自动供予保护气体，温度升高至700摄氏度进行精炼，精炼后静置15min，使熔渣充分沉析；所述保护气体为氮气和六氟化硫混合气体，混合气体中氮气和六氟化硫的体积分数比为95：5，所述保护气体的气流量为5L/min；所述精炼剂为NaC1、KC1、Na2SO4、SiO2和FeSb2，精炼剂各组分的质量比为85：6：1：0.4：0.4；
步骤三：温度升高至720℃，使熔渣充分沉析进行舀料浇注，舀料时必须戴好防护用具，舀料工具使用前需加热至150℃以上，除去表面水分，并将料勺表面清理干净，掀起炉盖，保持料勺倾斜30度，缓缓的放入料中，每次取3/4料勺容量的料液，慢慢提出液面，平缓的将料液倒入镁锭模内，后盖上模盖，切记舀料时不可搅拌料液；
步骤四：等到镁锭模完全冷却后，进行脱模，得到高强韧镁合金。
实施例2
一种高强韧镁合金，按重量份数计，所述镁合金的原料组分如下：镁100份、铝2.2份、锌1.8份、锰0.6份、铈0.3份。
一种高强韧镁合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：取坩埚清理干净，不得有油污，锈迹，水迹，镁粘及异物等，熔炉和周边要干净；将镁、铝、锌、锰、铈分别进行预热，预热温度达到160℃；
步骤二：向清理干净的坩埚内加入预热好的镁，再依次倒入铝、锌、锰、铈，按已添加金属总量的30％添加精炼剂，加热升温至300℃，通过转速为900r/min的电磁加热器进行搅拌加热，使得温度达到650℃，坩埚内自动供予保护气体，温度升高至700～720摄氏度进行精炼，精炼后静置15min，使熔渣充分沉析；所述保护气体为氮气和六氟化硫混合气体，混合气体中氮气和六氟化硫的体积分数比为98：2，所述保护气体的气流量为1L/min；所述精炼剂为NaC1、KC1、Na2SO4、SiO2和FeSb2，精炼剂各组分的质量比为87：6.5：1.25：0.6：0.7；
步骤三：温度升高至730℃，使熔渣充分沉析进行舀料浇注，舀料时必须戴好防护用具，舀料工具使用前需加热至150℃以上，除去表面水分，并将料勺表面清理干净，掀起炉盖，保持料勺倾斜30度，缓缓的放入料中，每次取3/4料勺容量的料液，慢慢提出液面，平缓的将料液倒入镁锭模内，后盖上模盖，切记舀料时不可搅拌料液；
步骤四：等到镁锭模完全冷却后，进行脱模，得到高强韧镁合金。
实施例3
一种高强韧镁合金，按重量份数计，所述镁合金的原料组分如下：镁100份、铝0.8份、锌0.5份、锰0.4份、铈0.2份。
一种高强韧镁合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：取坩埚清理干净，不得有油污，锈迹，水迹，镁粘及异物等，熔炉和周边要干净；将镁、铝、锌、锰、铈分别进行预热，预热温度达到155℃；
步骤二：向清理干净的坩埚内加入预热好的镁，再依次倒入铝、锌、锰、铈，按已添加金属总量的20％添加精炼剂，加热升温至290℃，通过转速为800r/min的电磁加热器进行搅拌加热，使得温度达到620℃，坩埚内自动供予保护气体，温度升高至710摄氏度进行精炼，精炼后静置30min，使熔渣充分沉析；所述保护气体为氮气和六氟化硫混合气体，混合气体中氮气和六氟化硫的体积分数比为96：4，所述保护气体的气流量为3L/min；所述精炼剂为NaC1、KC1、Na2SO4、SiO2和FeSb2，精炼剂各组分的质量比为90：7：1.5：0.7：0.7；
步骤三：温度升高至725℃，使熔渣充分沉析进行舀料浇注，舀料时必须戴好防护用具，舀料工具使用前需加热至150℃以上，除去表面水分，并将料勺表面清理干净，掀起炉盖，保持料勺倾斜30度，缓缓的放入料中，每次取3/4料勺容量的料液，慢慢提出液面，平缓的将料液倒入镁锭模内，后盖上模盖，切记舀料时不可搅拌料液；
步骤四：等到镁锭模完全冷却后，进行脱模，得到高强韧镁合金。
实施例4
一种高强韧镁合金，按重量份数计，所述镁合金的原料组分如下：镁100份、铝1.0份、锌0.8份、锰0.5份、铈0.25份。
一种高强韧镁合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：取坩埚清理干净，不得有油污，锈迹，水迹，镁粘及异物等，熔炉和周边要干净；将镁、铝、锌、锰、铈分别进行预热，预热温度达到160℃；
步骤二：向清理干净的坩埚内加入预热好的镁，再依次倒入铝、锌、锰、铈，按已添加金属总量的20％添加精炼剂，加热升温至290℃，通过转速为700r/min的电磁加热器进行搅拌加热，使得温度达到620℃，坩埚内自动供予保护气体，温度升高至712摄氏度进行精炼，精炼后静置50min，使熔渣充分沉析；所述保护气体为氮气和六氟化硫混合气体，混合气体中氮气和六氟化硫的体积分数比为95：5，所述保护气体的气流量为4L/min；所述精炼剂为NaC1、KC1、Na2SO4、SiO2和FeSb2，精炼剂各组分的质量比为85：7：1.5：0.4：0.5；
步骤三：温度升高至720℃，使熔渣充分沉析进行舀料浇注，舀料时必须戴好防护用具，舀料工具使用前需加热至150℃以上，除去表面水分，并将料勺表面清理干净，掀起炉盖，保持料勺倾斜30度，缓缓的放入料中，每次取3/4料勺容量的料液，慢慢提出液面，平缓的将料液倒入镁锭模内，后盖上模盖，切记舀料时不可搅拌料液；
步骤四：等到镁锭模完全冷却后，进行脱模，得到高强韧镁合金。
具体应用为：医疗技术领域中骨科植入，骨钉骨板，就是骨折后接骨固定骨头的螺丝和夹板，还可以制成易降解的心血管支架，用镁合金制成的支架可以减少血管内膜增生；航天技术领域中航空器、航天器和火箭导弹。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强韧镁合金，其特征在于，按重量份数计，所述镁合金的原料组分包括：镁100份、铝0.8～5.0份、锌0.5～2.1份、锰0.4～0.7份、铈0.2～0.4份。
2.根据权利要求1所述高强韧镁合金，其特征在于，所述镁合金的原料组分包括：镁100份、铝5.0份、锌2.1份、锰0.7份、铈0.4份；
或，所述镁合金的原料组分包括：镁100份、铝2.2份、锌1.8份、锰0.6份、铈0.3份；
或，所述镁合金的原料组分包括：镁100份、铝0.8份、锌0.5份、锰0.4份、铈0.2份；
或，所述镁合金的原料组分包括：镁100份、铝1.0份、锌0.8份、锰0.5份、铈0.25份。
3.一种权利要求1～2任一项所述高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：将镁、铝、锌、锰、铈分别进行预热；
步骤二：向清理干净的坩埚内加入预热好的镁，再依次倒入铝、锌、锰、铈，添加精炼剂，进入加热升温程序，坩埚内自动供予保护气体，精炼，精炼后静置，使熔渣充分沉析；
步骤三：温度升高至720～730℃，使熔渣充分沉析后进行舀料浇注；
步骤四：等到镁锭模完全冷却后，进行脱模，得到高强韧镁合金。
4.根据权利要求3所述高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，所述预热温度达到150～160℃；所述坩埚清理要求为：取坩埚清理，不得有油污，锈迹，水迹，镁粘及异物，熔炉和周边清理干净。
5.根据权利要求3所述高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，所述精炼剂的添加量为已添加的金属总重量的10～30％；所述精炼剂为NaC1、KC1、Na2SO4、SiO2和FeSb2，精炼剂各组分的质量比为85～90：6～7：1～1.5：0.4～0.7：0.4～0.7。
6.根据权利要求3所述高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，所述加热升温程序如下：首先，加热升温至280～300℃，在转速为600r/min～900r/min的电磁加热器作用下进行搅拌加热，使得温度达到600～650℃；然后坩埚内自动供予保护气体，温度升高至700～720摄氏度进行精炼。
7.根据权利要求3所述高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氮气和六氟化硫混合气体，混合气体中氮气和六氟化硫的体积分数比为95～98：2～5，所述保护气体的气流量为1～5L/min。
8.根据权利要求3所述高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，所述舀料工具使用前需加热至150℃以上，除去表面水分，并将料勺表面清理干净。
9.根据权利要求3所述高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，所述舀料浇注过程如下：掀起炉盖，保持料勺倾斜30度，缓缓的放入料中，每次取3/4料勺容量的料液，慢慢提出液面，平缓的将料液倒入镁锭模内，盖上模盖，舀料时不可搅拌料液。
10.一种权利要求1～2任一项所述高强韧镁合金在制备医疗领域的骨板和骨钉材料或制备航天航空相关材料中的应用。
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