CN1317411C

CN1317411C - 纳米颗粒增强高强韧铸造镁合金及其制备成形工艺

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Publication number: CN1317411C
Application number: CNB2005100115684A
Authority: CN
Inventors: 康永林; 王朝辉
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: CN1676645A

Abstract

本发明提供了一种纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金及其制备成形工艺，属于镁合金技术领域。镁合金基体组分及重量百分比含量为5.0～10.0%Al，0.1～1.0%Zn，0.05～0.5%Mn，限制元素Si≤0.05%，Fe≤0.005%，Cu≤0.01%，Ni≤0.002%，其余为Mg。使用的颗粒为SiC纳米颗粒，粒径小于100nm，添加量为合金体积含量的0.1～3.0%。在熔化后的液态或半固态镁合金液中加入预处理的块状纳米颗粒，使其弥散分布于合金中，通过重力模铸或压铸获得所需铸件。本发明的优点在于：在重力模铸或压铸条件下，合金的室温抗拉强度大于230MPa，延伸率大于15%，具有优良的综合性能。制备的纳米颗粒增强高强韧镁合金具有良好的流动性，适于在冷室压铸机上进行压铸成形。

Description

纳米颗粒增强高强韧铸造镁合金及其制备成形工艺

技术领域

本发明属于镁合金技术领域，特别是提供了一种纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金及其制备成形工艺。

背景技术

镁合金是现代金属结构材料中最轻的一种，密度约为1.7g/cm³，约是钢的1/4，铝的2/3。镁元素在地壳和海水中的储量丰富，中国的镁资源尤其丰富，储量居世界第一。镁合金的优点是密度小，比强度、比刚度高，减震性好，同时还具有优良的铸造性能，切削加工性能、导热性和电磁屏蔽能力，被广泛的应用于汽车制造业、航空、航天、光学仪器制造和国防等领域。因而镁基材料被认为是最具开发和应用潜力的“绿色材料”，开发利用前景广阔。

铸造镁合金以其占镁合金结构材料总使用量的70％以上而广泛应用，但是在应用中也受到了强韧性不理想的制约，通过颗粒或纤维增强的镁合金材料由于具有优异的性能而受到了关注。纤维增强铸造镁合金由于工艺复杂，成本高，成品机加工性能差等缺点限制了其使用，颗粒增强铸造镁合金以其工艺简单，低成本，获得成品尺寸结构多样化，机加工性能好等优点而获得了一定应用。

在目前的颗粒增强铸造镁合金工艺及技术中，大多采用微米级颗粒增强体，以牺牲镁合金材料的塑性为代价获得一定程度上强度的提高(D.J.Lioyd，International Materials Reviews，1994，Vol 39)。而纳米材料具有独特性能而成为的研究热点，采用纳米增强体增强的镁合金材料可望集纳米材料和复合材料于一身，使材料性能得到进一步的提高。使用机械合金化制备纳米颗粒强化镁基复合材料的方法适用于纳米颗粒强化变形镁合金材料的制备(H.Ferkel等，MaterialsScience and Engineering A，2001，Vol 298)，利用超声波技术制备纳米颗粒强化镁合金材料也有一定的效果(Jie Lan等，Materials Science and Engineering A，2004，Vol 386)，但以上方法均有工艺复杂、设备要求高、制备批量小、成本高的限制，不适用于纳米颗粒强化铸造镁合金材料的制备及成形工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金及其制备成形工艺。以获得比现有铸造镁合金的强韧性优良的高强韧铸造镁合金。

本发明的内容包括：纳米颗粒强化铸造镁合金材料的成分，及纳米颗粒增强铸造镁合金的制备成形工艺。

本发明的铸造镁合金基体材料的组分及重量百分比含量为5.0～10.0％Al，0.1～1.0％Zn，0.05～0.5％Mn，限制元素Si≤0.05％，Fe≤0.005％，Cu≤0.01％，Ni≤0.002％，其余为Mg。

本发明的制备成形工艺为：使用熔剂及惰性气氛保护方式熔炼所给成分范围的铸造镁合金，在熔化后保持镁合金液为液态或半固态状态，然后在镁合金液中加入预处理的块状纳米颗粒，使用强烈搅拌使纳米颗粒均匀弥散的分布于合金中，精炼除气后，将镁合金液控制至所需的温度，采用金属模铸造或压铸获得所需铸件。获得的铸造镁合金具有良好的强韧性，优于一般铸造镁合金，并且具有良好的流动性

所添加纳米颗粒为SiC纳米颗粒，颗粒直径小于100nm，添加量为基体合金体积的0.1～3.0％。SiC纳米颗粒添加前要进行预处理，其预处理工艺过程为：

1、在容器中倒入适量分析纯乙醇，将一定量的干燥SiC纳米颗粒放入容器中，搅拌，充分润湿，SiC颗粒与乙醇的比例为1g/10ml～1g/3ml；

2、将占上述混合物体积1/50～1/10的聚乙烯醇稀溶液加入到SiC颗粒与乙醇的混合物中，充分搅拌，混合均匀；

3、将含有SiC纳米颗粒的上述混合物置于烘箱中烘烤，干燥，烘烤温度为80～95℃。

纳米颗粒增强铸造镁合金的制备成形工艺过程为：

1、将镁合金材料加入到刷过涂料的干燥坩锅中，为防止熔炼过程中镁合金氧化燃烧，使用熔剂或高纯氩气加以保护，熔化后熔液温度保持在680～720℃；

2、控制镁合金液温度至650～700℃(高于镁合金液相线60～80℃)或585～610℃(低于镁合金液相线5～30℃)，去除表面浮渣，将占镁合金体积0.1～3.0％的通过预处理工艺的SiC纳米颗粒加入合金液中，压入液面下，搅拌，搅拌时间3～10分钟，搅拌器转速1000～2000转/分钟(rpm)；

3、精炼除气后，控制浇铸温度为650～750℃去除出表面浮渣，通过重力模铸或压铸得到SiC纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金铸件。

本发明的优点在于：

1、在传统铸造镁合金的基础上，通过加入纳米强化颗粒，提高铸造镁合金的强韧性；

2、开发了新的纳米颗粒预处理工艺，使纳米颗粒在镁合金中的加入更加有效；

3、在熔炼工艺上，通过控制适当的镁合金液温度和搅拌工艺，使纳米颗粒在镁合金液中的分布和强化效果更加有效；

4、本发明的纳米增强铸造镁合金具有优良力学性能，在重力模铸或压铸条件下，室温抗拉强度大于230MPa，延伸率大于15％，合金具有良好的流动性，适于压铸成形。

具体实施方式

实施例1

合金成分(重量百分比)：6.0％Al，0.3％Zn，0.4％Mn，0.03％Si，其余杂质含量小于0.02％。

纳米SiC颗粒预处理工艺为：在烧杯中倒入500ml分析纯乙醇，将50g的干燥SiC纳米颗粒放入烧杯中，搅拌，充分润湿，将10ml的聚乙烯醇稀溶液加入SiC颗粒与乙醇的混合物中，充分搅拌，混合均匀；将含有SiC纳米颗粒的上述混合物置于烘箱中烘烤，干燥，烘烤温度为85℃。

制备成形工艺为：将2kg镁合金材料加入到刷过涂料的干燥坩锅中，为防止熔炼过程中镁合金氧化燃烧，使用覆盖剂和高纯氩气保护，熔化后熔液温度保持在700℃；控制镁合金液温度至660℃，去除表面浮渣，将占合金材料0.2vol.％的经预处理的SiC纳米颗粒加入合金液中，压入液面下，搅拌，搅拌时间3分钟，搅拌器转速1200rpm；精炼除气后，控制浇铸温度为680℃，去除出表面浮渣，在预热至200℃的金属模内铸造得到SiC纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金铸件。

获得的纳米颗粒增强镁合金铸件经机加工成国家标准拉伸试样进行室温拉伸实验，材料的抗拉强度大于235MPa，延伸率大于15.5％。

实施例2

合金成分(重量百分比)：7.0％Al，0.2％Zn，0.2％Mn，0.04％Si，其余杂质含量小于0.02％。

纳米SiC颗粒预处理工艺为：在烧杯中倒入500ml分析纯乙醇，将150g的干燥SiC纳米颗粒放入烧杯中，搅拌，充分润湿，将25ml的聚乙烯醇稀溶液加入SiC颗粒与乙醇的混合物中，充分搅拌，混合均匀；将含有SiC纳米颗粒的上述混合物置于烘箱中烘烤，干燥，烘烤温度为90℃。

制备成形工艺为：将2kg镁合金材料加入到刷过涂料的干燥坩锅中，为防止熔炼过程中镁合金氧化燃烧，使用覆盖剂和高纯氩气保护，熔化后熔液温度保持在720℃；控制镁合金液温度至700℃，去除表面浮渣，将占合金材料1.0vol.％的经预处理的SiC纳米颗粒加入合金液中，压入液面下，搅拌，搅拌时间5min，搅拌器转速1800rpm；精炼除气后，控制浇铸温度为660℃，去除出表面浮渣，在预热至250℃的金属模内铸造得到SiC纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金铸件。

获得的纳米颗粒增强镁合金铸件经机加工成国家标准拉伸试样进行室温拉伸实验，材料的抗拉强度大于240MPa，延伸率大于16.0％。

实施例3

合金成分(重量百分比)：7.5％Al，0.1％Zn，0.3％Mn，0.03％Si，其余杂质含量小于0.02％。

纳米SiC颗粒预处理工艺为：在烧杯中倒入500ml分析纯乙醇，将100g的干燥SiC纳米颗粒放入烧杯中，搅拌，充分润湿，将20ml的聚乙烯醇稀溶液加入SiC颗粒与乙醇的混合物中，充分搅拌，混合均匀：将含有SiC纳米颗粒的上述混合物置于烘箱中烘烤，干燥，烘烤温度为95℃。

制备成形工艺为：将2kg镁合金材料加入到刷过涂料的干燥坩锅中，为防止熔炼过程中镁合金氧化燃烧，使用覆盖剂和高纯氩气保护，熔化后熔液温度保持在720℃；控制镁合金液温度至680℃，去除表面浮渣，将占合金材料0.5vol.％的经预处理的SiC纳米颗粒加入合金液中，压入液面下，搅拌，搅拌时间5min，搅拌器转速1800rpm；精炼除气后，控制浇铸温度为680℃，去除出表面浮渣，在预热至200℃的金属模内铸造得到SiC纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金铸件。

获得的纳米颗粒增强镁合金铸件经机加工成国家标准拉伸试样进行室温拉伸实验，材料的抗拉强度大于235MPa，延伸率大于15.0％。

实施例4

合金成分(重量百分比)：6.5％Al，0.1％Zn，0.4％Mn，0.03％Si，其余杂质含量小于0.02％。

纳米SiC颗粒预处理工艺为：在烧杯中倒入500ml分析纯乙醇，将100g的干燥SiC纳米颗粒放入烧杯中，搅拌，充分润湿，将15ml的聚乙烯醇稀溶液加入SiC颗粒与乙醇的混合物中，充分搅拌，混合均匀；将含有SiC纳米颗粒的上述混合物置于烘箱中烘烤，干燥，烘烤温度为90℃。

制备成形工艺为：将2kg镁合金材料加入到刷过涂料的干燥坩锅中，为防止熔炼过程中镁合金氧化燃烧，使用覆盖剂和高纯氩气保护，熔化后熔液温度保持在680℃；控制镁合金液温度至605℃(低于液相线约10℃)，去除表面浮渣，将占合金材料0.3vol.％的经预处理的SiC纳米颗粒加入合金液中，压入液面下，搅拌，搅拌时间8min，搅拌器转速1800rpm；精炼除气后，控制浇铸温度为650℃，去除出表面浮渣，在预热至200℃的金属模内铸造得到SiC纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金铸件。

获得的纳米颗粒增强镁合金铸件经机加工成国家标准拉伸试样进行室温拉伸实验，材料的抗拉强度大于240MPa，延伸率大于18.0％。

Claims

1、一种SiC纳米颗粒增强高强韧铸造镁合金，其特征在于：镁合金基体材料的组分及重量百分比含量为5.0～10.0％Al，0.1～1.0％Zn，0.05～0.5％Mn，限制元素Si≤0.05％，Fe≤0.005％，Cu≤0.01％，Ni≤0.002％，余量为Mg；

2、一种制备成形权利要求1所述铸造镁合金的工艺，其特征在于：使用熔剂及惰性气氛保护方式熔炼所给成分范围的铸造镁合金，在熔化后保持镁合金液为液态或半固态状态，然后在镁合金液中加入预处理的SiC纳米颗粒，使用强烈搅拌使纳米颗粒均匀弥散的分布于合金中，精炼除气后，将镁合金液控制至所需的温度，采用重力模铸或压铸获得所需铸件；所述的预处理工艺为：

a、在容器中倒入适量分析纯乙醇，将一定量的干燥SiC纳米颗粒放入容器中，搅拌，充分润湿，SiC颗粒与乙醇的比例为1g/10ml～1g/3ml；

b、将占上述混合物体积1/50～1/10的聚乙烯醇稀溶液加入SiC颗粒与乙醇的混合物中，充分搅拌，混合均匀；

c、将含有SiC纳米颗粒的上述混合物置于烘箱中烘烤，干燥，烘烤温度为80～95℃。

3、根据权利要求2所述的制备成形工艺，其特征在于：所添加SiC纳米颗粒直径小于100nm，添加量为基体合金体积的0.1～3.0％。

4、根据权利要求2所述的制备成形工艺，其特征在于：制备成形工艺为：

a、将权利要求2所述的镁合金加入到刷过涂料的干燥坩锅中，为防止熔炼过程中镁合金氧化燃烧，使用熔剂或高纯氩气加以保护，熔化后熔液温度保持在680～720℃；

b、控制镁合金液温度至650～700℃，去除表面浮渣，将占镁合金体积0.1～3.0％的预处理后的SiC纳米颗粒加入合金液中，压入液面下，搅拌，搅拌时间3～6分钟，搅拌器转速1000～2000转/分钟；

c、精炼除气后，控制镁合金熔液至所需的浇铸温度650～750℃，去除出表面浮渣，采用重力模铸或压铸得到SiC纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金。

5、根据权利要求2或5所述的制备成形工艺，其特征在于：当SiC纳米颗粒加入镁合金液的温度为580～610℃时，镁合金液中含有一定量的固相颗粒，呈半固态状态。