CN1312303C - 镁基球形准晶中间合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种镁基球形准晶中间合金及其制造方法属于金属材料及其制备领域，其特征在于是通过微合金化与电脉冲孕育处理后在高压凝固条件下获得一种镁基二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶中间合金，其化学成分(以质量分数wt%计)为：Mg40.00～45.00%，Zn45.50～55.00%，Mn0.50～4.50%，Y1.00～4.50%，Ca0.10～1.00%。其铸态组织特征是由均一二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相+α-Mg+球形准晶相和α-Mg共晶组织+MgZn晶态相共存的复相组织所组成，其中Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的体积相对含量占中间合金总体积的30～40%。这种中间合金可进行规模化工业生产，可作为增强相强化镁基合金及其复合材料。并可提高镁合金的强韧性和耐热抗蠕变性。具有非常广阔的市场应用前景。

Description

镁基球形准晶中间合金及其制造方法

一、技术领域

本发明镁基球形准晶中间合金及其制造方法涉及的是一种镁基准纳米尺度二十面体球形准晶中间合金材料，是属于轻金属材料的设计与制造领域。

二、背景技术

自一九九三年我国北京航空材料研究院的罗治平等人首先确定Mg-Zn-Y合金中的Mg₃Zn₆Y三元相为二十面体准晶相以来，Mg-Zn-RE系准晶成为近年来准晶研究的热点，各国的凝固物理学家们对Mg-Zn-RE三元系中准晶的形成机制、结构和性能等展开了大量的研究工作。研究发现对于Mg-Zn-RE系的准晶作为一种新型的镁基合金材料，以其独特的结构而具有特殊的性能。尤其值得注意的是，在镁合金相图上，存在稳定准晶和α-Mg两相共存区，既可以通过快速凝固的方法形成准晶，也可以在常规铸造的缓慢冷却凝固过程中生成稳定准晶相。可采用常规铸造工艺或随后的二次热加工工艺，使准晶颗粒弥散分布于镁合金基体中，获得高性能准晶颗粒增强镁基合金材料或镁基复合材料。弥散分布的准晶颗粒能够阻碍位错运动，具有弥散强化效应，提高合金的耐热稳定性和抗蠕变性能。此外还能够抑制高温挤压变形时发生再结晶。

研究发现对于在铸造条件下形成的Mg-Zn-RE系准晶主要为三维二十面体稳定准晶，此外，还发现有二维的十面体稳定准晶存在，由于不同的稀土元素对准晶形成的过程影响不同，导致准晶最终的生长形态各异，使之当以外加方式加入镁合金中作为细化和增强相时，其遗传效应也不尽相同。为了最大程度地发挥增强效果，因此通过控制凝固过程来控制准晶相的形貌，大小和数量来使得在Mg-Zn-Y-Mn-Ca基合金工业化生产的结晶凝固过程中获得一种均一二十面体准纳米尺度球形准晶中间合金。为高性能镁合金的生产提供一种新型优质强效中间合金细化变质剂。

三、发明内容

本发明为了在镁基准晶中间合金的凝固过程中获得均一的二十面体准纳米尺度球形准晶相并能有效地提高准晶相的熔点，降低其在熔化温度范围内的溶解速度。在工业化生产过程中，我们通过对Mg-Zn-Y基三元准晶中间合金熔体进行多元微合金化与熔体的电脉冲孕育处理以及高压凝固工艺的联合作用来降低在熔化温度范围内的溶解速度，提高准晶的形成温度和形核率，减低准晶的生长速度。为镁基合金材料或镁基复合材料的生产提供一种新的外加增强颗粒的镁基准晶中间合金。

本发明一种镁基球形准晶中间合金其特征在于是一种镁基二十面体球形准晶中间合金材料，其化学成分(按质量百分比wt％计)为：Mg40.00～45.00％，Zn45.50～55.00％，Mn0.50～4.50％，Y1.00～4.50％，Ca0.10～1.00％；其铸态组织特征，是一种具有准纳米尺度的、均一的二十面体Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相+α-Mg+球形准晶相和α-Mg的共晶组织+MgZn晶态相基体组成的多相复合组织所组成；其中Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的体积相对含量占中间合金总体积的30～40％。

制备上述的一种镁基球形准晶中间合金的方法，其特征在于具体工艺步骤为：

I.以熔体质量百分数Wt％计备料，称取1^#镁锭41～46％，1^#纯锌49～56％，纯钇1～5％，电解锰1～5.00％，镁-30％钙中间合金1～4％；

II.将称好的料在200℃下进行预热烘烤；

III.装入中频感应电炉中，在SF₆+CO₂气体保护下，按照常规镁合金熔炼方法在760～800℃下在中频感应电炉中熔炼出符合化学成分要求的准晶中间合金液体；

IV.在740～760℃温度下出炉，经电脉冲孕育处理后浇入铸型中，在高压下凝固成型，制备出一种具有均一二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的中间合金锭料，其中Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相中x+u+w+t+s＝100为原子百分比，其中：30≤x≤35，53≤u≤60，1≤w≤3.0，6.9≤t≤10，0.1≤s≤2。

本发明镁基球形准晶中间合金及其制造方法的优点及用途在于：

这种镁基球形准晶中间合金具有低的表面能，低的热膨胀系数，与镁合金基体间具有很好的润湿性，具有好的结合强度，镁基球形准晶相可作为大幅度提高和增强镁基合金材料的强韧性和耐热稳定性。

这种镁基球形准晶中间合金制备工艺简单，生产成本低廉可进行规模化工业生产，具有非常广阔的市场应用前景。

四、附图说明

附图1是实施方式1中的镁基球形准晶中间合金的金相组织照片。

附图2是实施方式2中的镁基球形准晶中间合金的金相组织照片。

附图3是实施方式3中的镁基球形准晶中间合金的金相组织照片。

五、具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施方式1：

镁基球形准晶中间合金的化学成分(按质量百分数wt％计)为：Mg40.00％，Zn55.00％，Mn3.00％，Y1.00％，Ca1.00％。

I.按设计成分备料(按熔体质量分比wt％计)，称取1^#镁锭41％，1^#纯锌56％，纯钇1％，电解锰5％，镁-30％钙中间合金1％；II.在200℃进行预热烘烤；III.装入中频感应电炉中，按常规镁合金熔炼方法将合金在SF₆+CO₂气体保护下熔化，并升温至760℃后保温，熔炼出符合设计化学成分要求的镁基准晶中间合金液体；IV.在740℃出炉，经电脉冲孕育后浇入高压铸型中，在高压下凝固成型，制备出一种具有均一二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的中间合金锭料。

这种镁基准晶中间合金的铸造终态基体组织是由均一二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相+α-Mg+球形准晶相和α-Mg共晶组织+MgZn晶态相共存的复相组织所组成(如附图1所示)。其中Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的体积相对含量占中间合金总体积的30％。

Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相中x+u+w+t+s＝100为原子百分比，其中x＝30，u＝60，w＝3，t＝6.9，s＝0.1。

实施方式2：

镁基球形准晶中间合金的化学成分(按质量百分比wt％计)为：Mg45.00％，Zn45.50％，Mn4.50％，Y4.50％，Ca0.50％。

I.按设计成分备料(按熔体质量百分比wt％计)，1^#镁锭46％，1^#纯锌49％，纯钇3％，电解锰3％，镁-30％钙中间合金3％；II.在200℃下进行预热烘烤；III.装入中频感应电炉中，按常规镁合金熔炼方法将合金在SF₆+C0₂气体保护下熔化，并升温至780℃后保温，熔炼出符合设计化学成分要求的镁基准晶中间合金液体；IV.在760℃出炉。经电脉冲孕育后浇入高压铸型中，在高压下凝固成型，制备出一种具有均一二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的中间合金锭料。

这种镁基准晶中间合金的铸造终态基体组织是由均一二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相+α-Mg+球形准晶相和α-Mg共晶组织+MgZn晶态相共存的复相组织所组成(如附图2所示)。其中Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的体积相对含量占中间合金总体积的40％。

Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相中x+u+w+t+s＝100为原子百分比，其中x＝35，u＝55，w＝1，t＝8，s＝1。

实施方式3：

镁基球形准晶中间合金的化学成分(按质量百分数wt％计)为：Mg43.00％，Zn50.90％，Mn0.50％，Y2.50％，Ca0.10％。

I.按设计成分备料(按熔体质量分比wt％计)，称取1^#镁锭44％，1^#纯锌50％，纯钇5％，电解锰1％，镁-30％钙中间合金4％；II.在200℃进行预热烘烤；III.装入中频感应电炉中，按常规镁合金熔炼方法将合金在SF₆+CO₂气体保护下熔化，并升温至800℃后保温，熔炼出符合设计化学成分要求的镁基准晶中间合金液体；IV.在750℃出炉。经电脉冲孕育后浇入高压铸型中，在高压下凝固成型，制备出一种具有均一二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的中间合金锭料。

这种镁基准晶中间合金的铸造终态基体组织是由均一二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相+α-Mg+球形准晶相和α-Mg共晶组织+MgZn晶态相共存的复相组织所组成(如附图3所示)。其中Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的体积相对含量占中间合金总体积的35％。

Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s准晶相中x+u+w+t+s＝100为原子百分比，其中x＝33，u＝53，w＝2，t＝10，s＝2。

Claims (2)

1.一种镁基球形准晶中间合金其特征在于是一种镁基二十面体球形准晶中间合金材料，其化学成分(按质量百分比wt％计)为：Mg40.00～45.00％，Zn45.50～55.00％，Mn0.50～4.50％，Y1.00～4.50％，Ca0.10～1.00％；其铸态组织特征，是一种具有准纳米尺度的、均一的二十面体Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相+α-Mg+球形准晶相和α-Mg的共晶组织+MgZn晶态相基体组成的多相复合组织所组成；其中Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相中x+u+w+t+s＝100为原子百分比，其中：30≤x≤35，53≤u≤60，1≤w≤3.0，6.9≤t≤10，0.1≤s≤2；其中Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的体积相对含量占中间合金总体积的30～40％。

2.制备权利要求1所述的一种镁基球形准晶中间合金的方法，其特征在于具体工艺步骤为：

I.以熔体质量百分数Wt％计备料，称取1^#镁锭41～46％，1^#纯锌49～56％，纯钇1～5％，电解锰1～5.00％，镁-30％钙中间合金1～4％；

II.将称好的料在200℃下进行预热烘烤；

III.装入中频感应电炉中，在SF₆+CO₂气体保护下，按照常规镁合金熔炼方法在760～800℃下在中频感应电炉中熔炼出符合化学成分要求的准晶中间合金液体；

IV.在740～760℃温度下出炉，经电脉冲孕育处理后浇入铸型中，在高压下凝固成型，制备出一种具有均一二十面体准纳米尺度Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相的中间合金锭料，其中Mg_xZn_uY_wMn_tCa_s球形准晶相中x+u+w+t+s＝100为原子百分比，其中：30≤x≤35，53≤u≤60，1≤w≤3.0，6.9≤t≤10，0.1≤s≤2。