CN116511470A - 一种异构合金棒材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种异构合金棒材及其制备方法，属于金属材料技术领域，本发明利用金属固液复合铸造的成型方法，在特定的铸造模具中对高弹性模量金属/低弹性模量镁合金进行铸造，配合以特定的变形和热处理调控微观结构，制备出高弹性模量的异构合金棒材。本发明利用固液复合铸造，可以获得完美的原生界面，无氧化夹杂且界面结合良好，可制备大尺寸棒材，工艺简单易操作，更加能够满足工业应用的需求。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种异构合金棒材及其制备方法。
背景技术
弹性模量是金属材料重要的力学性能指标之一。工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同的应力下产生的弹性变形就越小。机器零件或构件的刚度与材料的刚度不同，前者用其横截面积与所用材料的刚度的乘积表示。可见，要提高机器零件的刚度，在不能增大横截面积的情况下，应选用弹性模量比较高的材料。已有的研究表明，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，外在因素的变化对它的影响也比较小。
镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，在国防军事、航空航天、汽车、电子通信等领域中正得到广泛应用，对实现结构轻量化和节能减排具有重要意义。但是，相比于铝合金、钛合金等其他轻金属结构材料，镁合金的弹性模量较低，故其应用远不及铝合金广泛。因此，如何提高镁合金的低弹性模量的问题，是镁合金研究开发与产业化发展的重点。已有的研究表明，控制温度、应变速率、热处理以及塑性变形等工艺条件，对镁合金弹性模量的提升效果非常有限。
经过对现有技术的文献检索发现，通过添加合金元素的方法来提高镁合金的弹性模量。Zhang等人在《Materials and Design》材料与设计，2013,43,74-79上发表的“Effects of Si addition on microstructure and mechanical properties of Mg-8Gd-4Y-Nd-Zr alloy”一文中，采用合金化方法引入高弹性模量的第二相粒子，在Mg-8Gd-4Y-1Nd-1Zr合金中添加1％的Si，使得弹性模量由44GPa提高到51GPa。合金弹性模量的提高归因于合金中生成了大量具有高模量的粒子。但是随着Si含量的增高，合金熔体的流动性显著下降，不利于更高弹性模量合金的制备。胡继龙等人在《Materials Science andEngineering:A》材料科学与工程A，2013,571,19-24上发表的“Microstructures andmechanical properties of the Mg-8Gd-4Y-Nd-Zn-3Si(wt％)alloy”一文中，Mg-8Gd-4Y-Nd-3Si合金添加了少量Zn元素，改善了合金熔体的流动性。通过合金化的研究，加入一定量的合金元素或稀土元素能在一定程度上提高弹性模量，主要是由于所加入的元素能与镁合金基体中的其他元素发生反应，生成具有高弹性模量的第二项颗粒增强相。但是，由于元素的添加，使得合金的材料的强度有所下降，更加糟糕的是，让塑性本就不好的镁合金，塑性更差了。
进一步检索现有技术文献，在镁合金基体中添加增强体来制备镁基复合材料，也是一种常用的提高弹性模量的方法。通过添加颗粒增强相、晶须增强相、纤维增强相、碳纳米管等增强的镁基复合材料，较合金化方法相比，弹性模量进一步得到提高。刘贯军等在《Acta Matericae Compositae Sinica》复合材料学报，2008,6,156-159上发表的“硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的界面微观结构及力学性能”一文中，通过挤压浸渗工艺制备了(Al2O3-SiO2)/AZ91D镁基复合材料，弹性模量从38.5GPa提高到61GPa，提高了约58％。复合化的方法可以有效提高材料的强度和弹性模量，但材料的塑性明显降低。除此之外，高模量增强相的价格昂贵，处理工艺也相对复杂，不利于工业化应用。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种异构合金棒材及其制备方法，本发明提供采用高弹性模量金属/低弹性模量合金固液复合铸造的成型方法制备出的异构合金棒材具有高弹性模量，制备工艺简单，高模量增强相成本低。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种异构合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
对高弹性模量金属表面镀锌，得到预处理后的金属；
将所述预处理后的金属置于模具腔内进行预热，得到预热后的金属；
向所述模具腔内浇注低弹性模量金属液体，浇筑完成后保温进行固液复合铸造，得到异构镁合金铸锭；
将所述异构镁合金铸锭依次进行变形和热处理，得到异构合金棒材。
优选地，所述高弹性模量金属的弹性模量与低弹性模量金属的弹性模量的比值≥2，所述低弹性模量金属包括铝合金、钛合金或镁合金。
优选地，所述高弹性模量金属的形状为螺旋弹簧或碟形弹簧。
优选地，所述镀锌的厚度为0.1～50μm。
优选地，所述高弹性模量金属的直径为模具型腔直径的1～99％，所述模具型腔直径为10～100cm。
优选地，所述预热的温度为500～800℃，时间为1～10h。
优选地，所述浇筑的温度为650～1000℃。
优选地，所述保温的温度为500～800℃，时间为2～8h。
优选地，所述变形温度为100～500℃；所述热处理的方法为真空固溶处理，所述真空固溶处理的温度为400～900℃，固溶时间为1～12h。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的异构合金棒材。
有益技术效果：
本发明提供了一种异构合金棒材及其制备方法，用金属固液复合铸造的成型方法，在特定的铸造模具中对高弹性模量金属/低弹性模量镁合金进行铸造，配合以特定的变形和热处理调控微观结构，制备出高弹性模量的异构合金棒材。本发明利用固液复合铸造，可以获得完美的原生界面，无氧化夹杂且界面结合良好，可制备大尺寸棒材，工艺简单易操作，更加能够满足工业应用的需求。
附图说明
图1为实施例预处理示意图；其中，a为模具剖面示意图；b为单组固相模具外形图；c为多组固相模具外形图；1-固态金属；2-冒口；3-液态金属；4-模具；5-加热套；6-定位模具；7-浇口；8-定位孔；
图2为实施例浇注示意图；其中，9-铸锭；10-铸锭制品；
图3为实施例铸锭及变形示意图；其中，11-挤压机；12-挤压制品；13-高温真空炉；
图4为实施例热处理示意图；
图5为实施例力学性能图。
具体实施方式
本发明提供了一种异构合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
对高弹性模量金属表面镀锌，得到预处理后的金属；
将所述预处理后的金属置于模具腔内进行预热，得到预热后的金属；
向所述模具腔内浇注低弹性模量金属液体，浇筑完成后保温进行固液复合铸造，得到异构镁合金铸锭；
将所述异构镁合金铸锭依次进行变形和热处理，得到异构合金棒材。
本发明对高弹性模量金属表面镀锌，得到预处理后的金属。
在本发明中，所述高弹性模量金属的弹性模量与低弹性模量金属的弹性模量的比值≥2；所述高弹性模量金属优选包括VCoNi、CoCrNi或其他高熵合金，更优选为VCoNi；所述高弹性模量金属的形状为螺旋弹簧或碟形弹簧。
在本发明中，所述镀锌的厚度优选为0.1～50μm，更优选为1～40μm，最优选为10～20μm；所述镀锌的方法优选为电镀、热浸镀、热喷涂或气相沉积。在本发明中，锌层太薄在浇铸前会气化，表面继而氧化，不能起到保护作用；过厚会造成锌层完全溶入到浇铸材料中区，导致不能形成冶金结合，或者形成冶金结合界面处有锌聚集，锌的聚集会影响复合材料的性能，本发明通过将对锌镀层厚度的设置，防止合金的表面发生氧化，锌元素的熔点较低，容易熔化并以液态的形式在界面区域发生反应或扩散，更有利于冶金结合和化学结合的形成，令异构后的材料能获得优质的冶金界面，不会在界面处形成氧化夹杂，破坏异构材料的结合。并且锌的资源较为丰富，成本也相对较低，较镁合金或铝合金的物理性质较为接近，是镁合金固液复合铸造较为理想的中间层金属。
本发明在镀锌前还包括对高弹性模量金属进行清洗。本发明对清洗的方法没有特殊限定，能够清洗掉高弹性模量金属表面的油污及氧化物即可。
得到预处理后的金属后，本发明将所述预处理后的金属置于模具腔内进行预热，得到预热后的金属。
在本发明中，所述预热的温度优选为500～800℃，更优选为600～700℃，最优选为650～670℃；所述预热的时间优选为1～10h，更优选为2～8h，最优选为5～7h；所述高弹性模量金属的直径优选为模具型腔直径的1～99％，更优选为10～80％，最优选为30～50％；所述模具型腔直径优选为10～100cm，更优选为20～80cm，最优选为30～50cm。
得到预热后的金属后，本发明向所述模具腔内浇注低弹性模量金属液体，浇筑完成后保温进行固液复合铸造，得到异构镁合金铸锭。
在本发明中，所述低弹性模量金属优选包括铝合金、钛合金或镁合金，更优选为镁合金；所述浇注的温度优选为650～1000℃，更优选为700～900℃；最优选为750～800℃。
本发明优选在惰性气体隔氧保护氛围下去除所述模具外包加热套后进行浇注，注完成后迅速包上加热套保温。
在本发明中，所述保温的温度优选为500～800℃，更优选为550～750℃，最优选为600～700℃；所述保温的时间优选为2～8h，更优选为3～5h。本发明通过保温使固液界面形成完美的冶金结合。
得到异构镁合金铸锭后，本发明将所述异构镁合金铸锭依次进行变形和热处理，得到异构合金棒材。
在本发明中，所述变形的温度优选为100～500℃，更优选为200～400℃，最优选为250～300℃；所述变形的方法优选为挤压、拉拔或旋转锻造。本发明通过变形消除铸造缺陷，进一步提高界面结合质量。
在本发明中，所述热处理的方法优选为真空固溶处理，所述真空固溶处理的温度以低弹性模量金属为参照对象，优选为400～900℃，固溶时间为1～12h。本发明对变形后的异构金属棒材进行真空固溶处理，消除变形对材料的影响，调控不同金属的微观组织结构。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
以固态VCoNi高熵合金与液态纯AZ31合金为实施例，给出详细的实施方式和具体操作，以下实施例涉及四步工序包括：预处理、固液复合铸造、变形、热处理，其中：
(1)预处理：如图1-a所示，将螺旋态VCoNi高熵合金1，表面进行化学清洗，去除表面的油污及氧化物，再进行表面镀锌处理，镀锌层采用电镀方式，锌层厚度为30μm。将处理后的螺旋态VCoNi高熵合金穿过定位模具6的定位孔8，预置在模具4型腔内。然后在模具外包加热套5，预热固态螺旋态VCoNi高熵合金和模具，预热温度在800℃，时间为2h。
(2)固液复合铸造：如图1-b所示，去除外包加热套5，在隔氧和惰性气体保护氛围下，进行铸造结合。液态AZ31从浇口7浇入，直至冒口2溢出，浇注温度为800℃，浇注完成后，迅速包上加热套5保温，保温时间2小时，温度500℃，以助于固液界面形成完美的冶金结合。
(3)变形：如图2-a所示，形成铸锭9，铸锭直径为15cm，长度为50cm。按照图示方式，在铸锭9上，切取棒材10，直径为15cm(如图2-b)。如图3-a所示，将棒材10沿轴向方向，通过挤压机11进行挤压变形，挤压温度为200℃，挤压比为1:2，多道次挤压后得到棒材12，直径为1cm(如图3b)。
(4)热处理：如图4所示，用高温真空炉13，在氩气保护氛围下，对挤压态的棒材12进行500℃，12小时的固溶处理，消除变形对材料的影响，得到异构镁合金棒材。如图5所示，高熵合金VCoNi和固溶态AZ31的力学性能。其中AZ31的弹性模量约为13GPa，而VCoNi的弹性模量高达207GPa，可见两者的弹性模量差异极大，VCoNi的是AZ31的16倍，并且，AZ31的均匀延伸率约19％，VCoNi的均匀延伸率也接近20％，拥有相近的塑性，有利于保持异构棒材的整体塑性。本实施例通过所述的固液结合以及热处理的合金化技术，成功制得高弹性模量的镁合金棒材。
实施例2
以多组固态CrCoNi高熵合金与液态纯AZ31合金为实施例，给出详细的实施方式和具体操作，以下实施例涉及四步工序包括：预处理、固液复合铸造、变形、热处理，其中：
(1)预处理：如图1-c所示，将多组螺旋态CrCoNi高熵合金1，表面进行化学清洗，去除表面的油污及氧化物，再进行表面镀锌处理，镀锌层采用电镀方式，锌层厚度为30μm。将处理后的螺旋态CrCoNi高熵合金穿过定位模具6的定位孔8，预置在模具4型腔内。然后在模具外包加热套5，预热固态螺旋态CrCoNi高熵合金和模具，预热温度在800℃，时间为2h。
(2)固液复合铸造：如图1-c所示，去除外包加热套5，在隔氧和惰性气体保护氛围下，进行铸造结合。液态AZ31从浇口7浇入，直至冒口2溢出，浇注温度为800℃，浇注完成后，迅速包上加热套5保温，保温时间2小时，温度500℃，以助于固液界面形成完美的冶金结合。
(3)变形：如图2-c所示，形成铸锭9，铸锭直径为30cm，长度为50cm。按照图示方式，在铸锭9上，切取棒材10，直径为30cm(如图2-b)。如图3a所示，将棒材10沿轴向方向，通过挤压机11进行挤压变形，挤压温度为200℃，挤压比为1:2，多道次挤压后得到棒材12，直径为2cm(如图3-b)。
(4)热处理：如图4所示，用高温真空炉13，在氩气保护氛围下，对挤压态的棒材12进行500℃，12小时的固溶处理，消除变形对材料的影响，得到异构镁合金棒材。如图5所示，高熵合金CrCoNi和固溶态AZ31的力学性能。其中AZ31的弹性模量约为13GPa，而CrCoNi的弹性模量高达206GPa，可见两者的弹性模量差异极大，CrCoNi的是AZ31的16倍，并且，AZ31的均匀延伸率约19％，CrCoNi的均匀延伸率超过30％，拥有优于低弹性模量合金的塑性，有利于保持异构棒材的整体塑性。本实施例通过固液结合以及热处理的合金化技术，成功制得高弹性模量的镁合金棒材。
实施例3
以固态VCoNi高熵合金与液态纯Mg合金为实施例，给出详细的实施方式和具体操作，以下实施例涉及四步工序包括：预处理、固液复合铸造、变形、热处理，其中：
(1)预处理：如图1-a所示，将螺旋态VCoNi高熵合金1，表面进行化学清洗，去除表面的油污及氧化物，再进行表面镀锌处理，镀锌层采用电镀方式，锌层厚度为30μm。将处理后的螺旋态VCoNi高熵合金穿过定位模具6的定位孔8，预置在模具4型腔内。然后在模具外包加热套5，预热固态螺旋态VCoNi高熵合金和模具，预热温度在800℃，时间为2h。
(2)固液复合铸造：如图1-b所示，去除外包加热套5，在隔氧和惰性气体保护氛围下，进行铸造结合。液态Mg从浇口7浇入，直至冒口2溢出，浇注温度为800℃，浇注完成后，迅速包上加热套5保温，保温时间2小时，温度500℃，以助于固液界面形成完美的冶金结合。
(3)变形：如图2a所示，形成铸锭9，铸锭直径为15cm，长度为50cm。按照图示方式，在铸锭9上，切取棒材10，直径为15cm(如图2-b)。如图3a所示，将棒材10沿轴向方向，通过挤压机11进行挤压变形，挤压温度为200℃，挤压比为1:2，多道次挤压后得到棒材12，直径为1cm(如图3-b)。
(4)热处理：如图4所示，用高温真空炉13，在氩气保护氛围下，对挤压态的棒材12进行500℃，12小时的固溶处理，消除变形对材料的影响，得到异构镁合金棒材。如图5所示，高熵合金VCoNi和固溶态Mg的力学性能。其中Mg的弹性模量约为45GPa，而VCoNi的弹性模量高达207GPa，可见两者的弹性模量差异极大，VCoNi的是Mg的5倍，并且，Mg的均匀延伸率约20％，VCoNi的均匀延伸率接近20％，拥有相近的塑性，有利于保持异构棒材的整体塑性。本专利通过所述的固液结合以及热处理的合金化技术，成功制得高弹性模量的镁合金棒材。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种异构合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对高弹性模量金属表面镀锌，得到预处理后的金属；
将所述预处理后的金属置于模具腔内进行预热，得到预热后的金属；
向所述模具腔内浇注低弹性模量金属液体，浇筑完成后保温进行固液复合铸造，得到异构镁合金铸锭；
将所述异构镁合金铸锭依次进行变形和热处理，得到异构合金棒材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高弹性模量金属的弹性模量与低弹性模量金属的弹性模量的比值≥2，所述低弹性模量金属包括铝合金、钛合金或镁合金。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高弹性模量金属的形状为螺旋弹簧或碟形弹簧。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镀锌的厚度为0.1～50μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高弹性模量金属的直径为模具型腔直径的1～99％，所述模具型腔直径为10～100cm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预热的温度为500～800℃，时间为1～10h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浇筑的温度为650～1000℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保温的温度为500～800℃，时间为2～8h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述变形温度为100～500℃；所述热处理的方法为真空固溶处理，所述真空固溶处理的温度为400～900℃，固溶时间为1～12h。
10.权利要求1～9任意一项所述的制备方法制备得到的异构合金棒材。
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