CN116732400A - 高强度高韧性的镁合金及其制备方法 - Google Patents

高强度高韧性的镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及镁合金技术领域，具体涉及一种高强度高韧性的镁合金及其制备方法；按质量百分数计，包括以下的元素为钆元素2％～12％、银元素0.5％～6％、锰元素0.5％～3％、铝元素8％～15％、铊元素0.5％～3％、钽元素0.5％～3％，其余为镁元素和不可避免的杂质；在熔融的金属镁中加入金属银、金属铝、镁钆中间合金、镁锰中间合金，熔融，构成镁合金基体，复合添加金属铊、金属钽，设计制造出Mg‑Gd‑Ag‑Mn‑Al‑Ti‑Ta的镁合金体系，合理调整不同金属添加使用量，调整合金的微晶结构、改善力学性能，制造出的镁合金具有较高的拉伸强度、较大的屈服强度、延伸率较大，即高强度、高韧性。

Description

高强度高韧性的镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金技术领域，具体涉及一种高强度高韧性的镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金作为目前工业生产中最轻质的金属结构材料，其密度通常在1.75—1.95g·cm-3之间，远低于其他金属结构材料，镁合金的比强度、比刚度较好，具有较好的电磁屏蔽性能和良好的加工及再加性能，在航天航空、未来汽车、高空建筑等方面有着巨大的发展前景，对保证强度要求，减轻重量，降低能耗有着积极的意义。
目前，已经开发出多种具有较高强度的镁合金，但是目前已开发出的高模量镁合金材料仍普遍存在强度不高，伸长率偏低的问题，强韧性较差等缺点，这极大地阻碍了高模量镁合金在科技领域中应用的扩大。稀土元素拥有着特殊的核外电子排布方式，其在材料和冶金研究领域中可起到独特的作用，使用稀土元素对镁合金进行掺杂可以制备出强度较高的镁合金，强度可以达到或者超过目前其他金属的强度，但其延伸率普遍偏低，通常低于5％，强度和韧性难以兼得，的特点严重制约了它的发展，同时提高镁合金的弹性模量和韧性是镁合金需要攻克的难关，为了满足科技行业对镁合金力学性能的高端要求，兼顾强韧性的高模量镁合金材料的开发和应用变得越来越紧迫。
因此，合理配置不同金属的比例，合理选择稀土元素、使用可以细化晶粒、增加金属间的黏结性能、增加延展性能的金属对镁金属进行掺杂，共同熔化铸造，制备一种兼顾高强度、高韧性的镁合金具有十分积极的应用意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度高韧性的镁合金及其制备方法，制得的镁合金具有较高的拉伸强度、较大的屈服强度、延伸率较大，即高强度、高韧性。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高强度高韧性的镁合金，按质量百分数计，包括以下的元素：钆元素：2％～12％，银元素：0.5％～6％，锰元素：0.5％～3％，铝元素：8％～15％，铊元素：0.5％～3％，钽元素：0.5％～3％，其余为镁元素和不可避免的杂质；
高强度高韧性的镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取金属或合金原材料，打磨材料表面氧化层，切割成小块，分别记作镁块、银块、铝块、铊块、钽块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块；其中镁块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块中镁元素的相对质量比为镁块：镁钆中间合金块：镁锰中间合金块＝90：2～8：2～5；
步骤二：将称取好的镁块，放入坩埚中，在氩气氛围的保护下，加热升温至660～700℃，保温1～2h，使得金属镁块完全熔化，再将称取好的银块、铝块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块、铊块、钽块依次加入坩埚中，加热至700～800℃间断性搅拌、打渣，待完全熔化后，继续保持温度不变，保温15～30min，浇铸在模具中，室温下冷却，形成铸锭；
步骤三：将铸锭在400～450℃下热固溶处理5～7h，加热到480～550℃下，设置挤压比为20：1～25：1，挤压速度为2～4mm/s，挤压成镁合金棒，氮气氛围下冷却到室温，得到高强度高韧性的镁合金。
进一步优化，银元素、铝元素、铊元素、钽元素在使用过程中以纯金属的形式添加在制备镁合金的过程中，金属银、金属铝、金属铊、金属钽的纯度在99.99％及以上；所述钆元素、锰元素在制备镁合金过程中以中间合金的形式加入，分别为镁钆中间合金、镁锰中间合金，剩余的镁元素以纯金属镁的形式加入，镁块纯度在99.99％及以上。
进一步优化，镁钆中间合金中钆含量为10％～40％。
进一步优化，镁锰中间合金中锰的含量为3％～8％。
进一步优化，步骤一中，打磨材料表面氧化层，切割成小块，具体为在氮气氛围，使用激光除锈仪或使用砂纸，将材料表层1～50μm厚的氧化层去掉，之后在氮气氛围下，将原料切成小块，小块的尺寸在5×5×5mm～15×15×15mm。
进一步优化，步骤二中，整个熔化和浇铸过程中，全程氩气保护，浇铸后，室温冷却的过程中，不需要氩气保护。
进一步优化，步骤二中，浇铸前，浇铸所使用的模具需要在400～450℃下预热。
本发明的有益效果：
1、在熔融的金属镁中加入金属银、金属铝、镁钆中间合金、镁锰中间合金，熔融，构成镁合金基体，复合添加金属铊、金属钽，设计制造出Mg-Gd-Ag-Mn-Al-Ti-Ta的镁合金体系，合理调整不同金属添加使用量，调整合金的微晶结构、改善力学性能，制造出高强度、高韧性的镁合金；此外，镁钆中间合金、镁锰中间合金的使用，中间合金的熔点远低于纯钆、纯锰，降低了掺杂钆元素、锰元素时所需要的熔化温度，使得整个制备过程更加节能、制备过程简单、高效。
2、镁钆为主要成分构成的中间合金，高强度；镁锰为主要成分构成的中间合金，具有较高的强度、硬度、较好的韧性；将镁钆中间合金、镁锰中间合金通过熔融重铸，与镁、铝、银金属共同铸造，形成的合金具有高强度、高韧性的特点，其中，镁、铝的使用，为提供镁钆中间合金和镁锰中间合金提供一个均匀分布的基础，此外，金属铝的使用，能够增加合金的弹性模量，金属银的使用，可以增加镁钆中间合金、镁锰中间合金成分的时效强化效果，最终的效果为进一步提高镁合金的强度。
3、铊，质软，钽，富有延展性，用于镁合金的制造时，均匀分布在基体中，具有细化晶粒的作用；铊元素还有固溶强化的作用，抑制再结晶晶粒长大的效果，使得晶粒均匀、结构稳定，有利于镁合金的微合金化，增强镁合金的强度和韧性；钽与其他金属的相容、黏结性能好，有助于镁合金中各个成分形成均匀、稳定的整体，在镁合金中起到增容的作用，此外，钽的使用，发挥其韧性好的特点，有助于镁合金微晶结构间的润滑性能，提高镁合金的韧性。
4、制备镁合金时，使用的纯金属的纯度为99.99％及以上，尽最大可能减少原材料中杂质对镁合金性能的影响，钆与锰的参杂使用，使用成品镁钆中间合金和镁锰中间合金，降低纯金属钆、纯金属锰的熔化温度高的要求，为制备镁合金时能够以一个相对较低的温度使得钆元素、锰元素掺杂进入镁合金中，使得制备过程更加高效、简单、节能。
5、在氮气氛围下，将原料进行打磨，除去金属或合金表层的氧化层，避免氧化层物质给镁合金制备过程中引入的杂质，在氮气氛围下切割成小块，保证小块没有被空气中的氧气氧化，同时，较小的体积，有利于金属块或者合金块的熔化，有利于实际操作制备镁合金过程中节能。
6、熔化、铸造过程中使用氩气进行保护，避免空气中的氧参与到熔融态的金属中，避免金属氧化物的产生，避免镁合金中杂质的产生，保证了镁合金的纯度、镁合金的力学性能；热固溶处理过程中，使用氮气进行保护，在达到保护镁合金目的的同时，以更加便宜的氮气代替氩气，进一步地降低制造成本。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高强度高韧性的镁合金，按质量百分数计，包括以下的元素：钆元素：2％，银元素：0.5％，锰元素：0.5％，铝元素：8％，铊元素：0.5％，钽元素：0.5％，其余为镁元素和不可避免的杂质；
银元素、铝元素、铊元素、钽元素在使用过程中以纯金属的形式添加在制备镁合金的过程中，金属银、金属铝、金属铊、金属钽的纯度在99.99％；所述钆元素、锰元素在制备镁合金过程中以中间合金的形式加入，分别为镁钆中间合金、镁锰中间合金，剩余的镁元素以纯金属镁的形式加入，镁块纯度在99.99％；
镁钆中间合金中钆含量为10％；镁锰中间合金中锰的含量为3％；
高强度高韧性的镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取金属或合金原材料，打磨材料表面氧化层，切割成小块，具体为在氮气氛围，使用激光除锈仪或使用砂纸，将材料表层1μm厚的氧化层去掉，之后在氮气氛围下，将原料切成小块，小块的尺寸在5×5×5mm；分别记作镁块、银块、铝块、铊块、钽块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块；其中镁块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块中镁元素的相对质量比为镁块：镁钆中间合金块：镁锰中间合金块＝90：2：2；
步骤二：将称取好的镁块，放入坩埚中，在氩气氛围的保护下，加热升温至660℃，保温1h，使得金属镁块完全熔化，再将称取好的银块、铝块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块、铊块、钽块依次加入到坩埚中，加热至700℃间断性搅拌、打渣，待完全熔化后，继续保持温度不变，保温15min，浇铸在模具中，室温下冷却，形成铸锭；整个熔化和浇铸过程中，全程氩气保护，浇铸后，室温冷却的过程中，不需要氩气保护；浇铸前，浇铸所使用的模具需要在400℃下预热；
步骤三：将铸锭在400℃下热固溶处理5h，加热到480℃下，设置挤压比为20：1：1，挤压速度为2mm/s，挤压成镁合金棒，氮气氛围下冷却到室温，得到高强度高韧性的镁合金。
实施例2
一种高强度高韧性的镁合金，按质量百分数计，包括以下的元素：钆元素：12％，银元素：6％，锰元素：3％，铝元素：15％，铊元素：3％，钽元素：3％，其余为镁元素和不可避免的杂质；
银元素、铝元素、铊元素、钽元素在使用过程中以纯金属的形式添加在制备镁合金的过程中，金属银、金属铝、金属铊、金属钽的纯度在99.99％；所述钆元素、锰元素在制备镁合金过程中以中间合金的形式加入，分别为镁钆中间合金、镁锰中间合金，剩余的镁元素以纯金属镁的形式加入，镁块纯度在99.99％；
镁钆中间合金中钆含量为40％；镁锰中间合金中锰的含量为8％；
高强度高韧性的镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取金属或合金原材料，打磨材料表面氧化层，切割成小块，具体为在氮气氛围，使用激光除锈仪或使用砂纸，将材料表层50μm厚的氧化层去掉，之后在氮气氛围下，将原料切成小块，小块的尺寸在15×15×15mm；分别记作镁块、银块、铝块、铊块、钽块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块；其中镁块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块中镁元素的相对质量比为镁块：镁钆中间合金块：镁锰中间合金块＝90：8：5；
步骤二：将称取好的镁块，放入坩埚中，在氩气氛围的保护下，加热升温至700℃，保温2h，使得金属镁块完全熔化，再将称取好的银块、铝块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块、铊块、钽块依次加入到坩埚中，加热至800℃间断性搅拌、打渣，待完全熔化后，继续保持温度不变，保温30min，浇铸在模具中，室温下冷却，形成铸锭；整个熔化和浇铸过程中，全程氩气保护，浇铸后，室温冷却的过程中，不需要氩气保护；浇铸前，浇铸所使用的模具需要在450℃下预热；
步骤三：将铸锭在450℃下热固溶处理7h，加热到550℃下，设置挤压比为20：25：1，挤压速度为4mm/s，挤压成镁合金棒，氮气氛围下冷却到室温，得到高强度高韧性的镁合金。
实施例3
一种高强度高韧性的镁合金，按质量百分数计，包括以下的元素：钆元素：8％，银元素：3％，锰元素：2％，铝元素：12％，铊元素：2％，钽元素：2％，其余为镁元素和不可避免的杂质；
银元素、铝元素、铊元素、钽元素在使用过程中以纯金属的形式添加在制备镁合金的过程中，金属银、金属铝、金属铊、金属钽的纯度在99.99％；所述钆元素、锰元素在制备镁合金过程中以中间合金的形式加入，分别为镁钆中间合金、镁锰中间合金，剩余的镁元素以纯金属镁的形式加入，镁块纯度在99.99％；
镁钆中间合金中钆含量为20％；镁锰中间合金中锰的含量为5％；
高强度高韧性的镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取金属或合金原材料，打磨材料表面氧化层，切割成小块，具体为在氮气氛围，使用激光除锈仪或使用砂纸，将材料表层20μm厚的氧化层去掉，之后在氮气氛围下，将原料切成小块，小块的尺寸在10×10×10mm；分别记作镁块、银块、铝块、铊块、钽块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块；其中镁块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块中镁元素的相对质量比为镁块：镁钆中间合金块：镁锰中间合金块＝90：5：3；
步骤二：将称取好的镁块，放入坩埚中，在氩气氛围的保护下，加热升温至680℃，保温2h，使得金属镁块完全熔化，再将称取好的银块、铝块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块、铊块、钽块依次加入到坩埚中，加热至750℃间断性搅拌、打渣，待完全熔化后，继续保持温度不变，保温20min，浇铸在模具中，室温下冷却，形成铸锭；整个熔化和浇铸过程中，全程氩气保护，浇铸后，室温冷却的过程中，不需要氩气保护；浇铸前，浇铸所使用的模具需要在420下预热；
步骤三：将铸锭在430℃下热固溶处理6h，加热到500℃下，设置挤压比为20：15：1，挤压速度为3mm/s，挤压成镁合金棒，氮气氛围下冷却到室温，得到高强度高韧性的镁合金。
对比例1：与实施例1进行对比，不添加使用金属铊和金属钽，其余条件相同；
对比例2：市售商用镁合金，型号为AZ91D；
测试：实施例1～3制备的镁合金、对比例1、对比例2中的镁合金进行性能检测，得到的结果如表所示：
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
拉伸强度(MPa) 410 440 430 350 253
屈服强度(MPa) 240 270 260 170 158
延伸率(％) 8 12 9 5 4
由上表所示，本发明方法所制备的镁合金具有较高的拉伸强度、较大的屈服强度、延伸率较大，说明其强度高、韧性高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高强度高韧性的镁合金，其特征在于，按质量百分数计，包括以下的元素：钆元素：2％～12％，银元素：0.5％～6％，锰元素：0.5％～3％，铝元素：8％～15％，铊元素：0.5％～3％，钽元素：0.5％～3％，其余为镁元素和不可避免的杂质；
高强度高韧性的镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取金属或合金原材料，打磨材料表面氧化层，切割成小块，分别记作镁块、银块、铝块、铊块、钽块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块；其中镁块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块中镁元素的相对质量比为镁块：镁钆中间合金块：镁锰中间合金块＝90：2～8：2～5；
步骤二：将称取好的镁块，放入坩埚中，在氩气氛围的保护下，加热升温至660～700℃，保温1～2h，使得金属镁块完全熔化，再将称取好的银块、铝块、镁钆中间合金块、镁锰中间合金块、铊块、钽块依次加入到坩埚中，加热至700～800℃间断性搅拌、打渣，待完全熔化后，继续保持温度不变，保温15～30min，浇铸在模具中，室温下冷却，形成铸锭；
步骤三：将铸锭在400～450℃下热固溶处理5～7h，加热到480～550℃下，设置挤压比为20：1～25：1，挤压速度为2～4mm/s，挤压成镁合金棒，氮气氛围下冷却到室温，得到高强度高韧性的镁合金。
2.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性的镁合金，其特征在于，所述银元素、铝元素、铊元素、钽元素在使用过程中以纯金属的形式添加在制备镁合金的过程中，金属银、金属铝、金属铊、金属钽的纯度在99.99％及以上；所述钆元素、锰元素在制备镁合金过程中以中间合金的形式加入，分别为镁钆中间合金、镁锰中间合金，剩余的镁元素以纯金属镁的形式加入，镁块纯度在99.99％及以上。
3.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性的镁合金，其特征在于：所述镁钆中间合金中钆含量为10％～40％。
4.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性的镁合金，其特征在于：所述镁锰中间合金中锰的含量为3％～8％。
5.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性的镁合金，其特征在于：步骤一中，打磨材料表面氧化层，切割成小块，具体为在氮气氛围，使用激光除锈仪或使用砂纸，将材料表层1～50μm厚的氧化层去掉，之后在氮气氛围下，将原料切成小块，小块的尺寸在5×5×5mm～15×15×15mm。
6.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性的镁合金，其特征在于：所述步骤二中，整个熔化和浇铸过程中，全程氩气保护，浇铸后，室温冷却的过程中，不需要氩气保护。
7.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性的镁合金，其特征在于：所述步骤二中，浇铸前，浇铸所使用的模具需要在400～450℃下预热。
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