一種稀土增強的鎂合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高強高塑鎂合金及其制備方法，尤其是一種稀土增強的高性能鎂 鋅合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 鎂合金目前已經(jīng)在手持電子設備、汽車、航空航天等領域中應用。鎂是一種密度非 常小的的金屬材料，作為工程材料，人們通常期望高強度的材料，但是，目前傳統(tǒng)的加工手 段不能得到高強度的鎂合金。
[0003] 中國專利104109790A提供了 一種高強鎂合金材料及其制備方法，該鎂合金材料組 分中包含鋁(A1)，鋅(Zn)，氯化錳(MnCl2)，碳化硅(SiC)晶粒，鈹(Be)，鎂(Mg)，其中，鎂合金 材料各組分組成按重量百分比分別為:鋁(A1): 10.5-12%，鋅(Zn):6-7%，氯化錳(MnCl2): 0.6-1.5%，碳化硅(SiC)晶粒:2-3.5%，鈹(Be) :0.01-0.03%，余量為鎂(Mg)。該合金通過 連續(xù)鑄造的方式取代傳統(tǒng)的擠壓工藝，以短流程的方式完成鎂合金的生產(chǎn)，縮短了生產(chǎn)流 程，節(jié)約了成本，所制備的鎂合金材料相比于傳統(tǒng)的鎂合金材料，在抗拉強度、屈服強度、延 伸率、彈性模量、硬度等方面均得到明顯改善。
[0004] 中國專利102766774A提供了一種鎂合金摻雜SiC顆粒的增強方法，針對鎂合金模 量低、強度低、易磨損、耐高溫性能差、熱膨脹系數(shù)高的情況，采用在熔煉鎂合金塊過程中摻 雜細碳化硅和粗碳化硅顆粒，然后進行澆鑄、加壓和熱擠壓成型，大幅度提高鎂合金的屈服 強度、硬度和耐磨性能，使屈服強度達328MPa±2MPa，硬度達120HV±5HV，耐磨性提高了 80% 〇
[0005] 中國專利104213008A公開了一種新型高強度鎂合金及其制備方法。其組成重量百 分比為:鎢鈦合金為5%~35%，鎂鋁合金為65%~95%。鎢鈦合金的加入，改善了鎂鋁合金的固溶 和時效行為，改善其組織和性能。其抗拉強度和屈服強度分別為(486~378)MPa和(400~320) MPa，相比鎂鋁合金的320MPa和269MPa，分別提高了 52%~18%和48%~18%。
[0006] 中國專利101177752提出了一種含鋅4.5%的鎂-鋅-稀土合金及其制備方法，特別 是涉及鎂-鋅-稀土系中以添加重稀土釔或釓和輕稀土鑭或釹的鎂基合金及其制備方法。該 發(fā)明提供的添加四種稀土的鎂-鋅-稀土合金分別為MG-4.5WT%ZN-(0.2WT%~2WT%)LA;MG-4 · 5WT%ZN-(0 · 2WT% ~2WT%)ND ;MG-4 · 5WT%ZN-(0 · 2WT%~4 · 8WT%)⑶和 MG-4 · 5WT%ZN-(0 · 2WT% ~2.8WT%)Y，可解決工業(yè)上可供選擇的鎂-鋅-稀土系合金品種不多以及稀土資源選擇利用 或替代利用性差的問題。不過，其屈服強度在200MPa以下。
[0007] 以上發(fā)明都致力于提高鎂合金的性能特別是強度性能，然而，當前技術制備的鎂 合金的屈服強度都在400MPa以下，其強度與目前長用的工程材料還有較大的差距。
[0008]

【發(fā)明內(nèi)容】
： 發(fā)明目的:為了拓展鎂合金的應用領域，發(fā)揮其低密度的優(yōu)點，本發(fā)明提供了一種稀土 增強的高強度鎂合金及其制備方法。
[0009] 本發(fā)明的技術方案如下： 將鎂、鋅、鈮在真空中熔煉，在熔煉的過程中摻入SiC納米顆粒，分散均勻，緩慢冷卻并 抽真空讓納米顆粒進一步提高濃度，然后在高壓下采用扭曲變形的方式，再采用異步乳制， 進一步細化晶粒，提高合金的強度。根據(jù)本發(fā)明，可以制備一種高強鎂鋅合金。其顯微組織 中的平均晶粒直徑在80納米以下，納米顆粒的直徑在200納米以下，鎂鋅合金的屈服強度在 500MPa以上，延伸率38%以上。
[0010] 具體制備方法包括以下步驟： (1) 準備原料:準備99.9%以上的高純鎂、鋅、鈮，以及平均粒徑為200納米以下的納米 SiC； (2) 熔煉合金：將鎂、鋅、鈮按照一定的原子比例配料，在保護氣氛中熔煉，熔煉過程中 加入納米SiC，保持溫度在700 °C，采用超聲的方法進行分散； (3) 對合金錠進行緩慢冷卻，在冷卻的過程中保持抽真空狀態(tài)，真空度低于5torr; (4) 冷卻后，將合金錠加工成圓盤狀； (5) 將步驟（4)處理的粗晶合金圓盤放入上、下兩個壓砧中的凹槽形成的空間內(nèi)，對 合金施加高壓，并旋轉(zhuǎn)壓砧以扭轉(zhuǎn)合金圓盤，使之發(fā)生扭曲形變； (6) 啟動多功能乳機系統(tǒng)，設定上下乳輥的速比，速比為1.1 一 1.5;設定每次乳制形變 量為1-8%;設定低速輥的速度為0.5-2米/秒； (7) 啟動主傳動電機，開始乳制過程； (8) 待一次乳制過后，重復(2) (3)過程15次以上； (9) 進行重結(jié)晶退火熱處理。
[0011] 其中，步驟（1)中的保護氣體為C02與SF6的混合氣體，步驟(3沖，冷卻速度小于每 秒0.5k;步驟(5)中合金承受的壓力為1.5-5GPa;旋轉(zhuǎn)速度每分鐘2~5轉(zhuǎn)，一共旋轉(zhuǎn)3-20圈； 步驟(8)中的乳制溫度為室溫:步驟(9)中的重結(jié)晶溫度為鎂的熔點的1/3~1/4,時間3-20分 鐘。
[0012] 作為優(yōu)選，C〇2與SF6的體積比的范圍是50:1~100:1。
[0013] 作為優(yōu)選，高純鎂與鋅的原子比例為3~6:1。
[0014] 作為優(yōu)選，加入的銀的質(zhì)量百分含量為1~5%。
[0015] 作為優(yōu)選，步驟(2沖所加入的SiC顆粒的質(zhì)量分數(shù)為1.5~5%。
[0016] 作為優(yōu)選，所采用的碳化娃的顆粒度平均為60-120納米。
[0017] 有益的效果： 本發(fā)明采用高強度的納米碳化硅的顆粒作為增強顆粒，不僅可以起到細化晶粒的作 用，而且可以作為位錯運動的障礙，阻止金屬的位錯移動，從而強化金屬；同時，細化晶粒能 夠起到改善合金塑性的作用。
[0018] 本發(fā)明還采用了稀土元素鈮作為增強元素。鈮在鎂合金中形成了稀土析出相，可 以進一步起到釘扎位錯、細化晶粒的作用，從而增強合金的強度。
[0019] 本發(fā)明采用高溫金屬液體狀態(tài)下進行超聲分散，有效解決了納米顆粒在金屬中很 難分散均勻的問題。在液態(tài)金屬狀態(tài)下使用超聲分散，可以將納米顆粒分散均勻，以解決傳 統(tǒng)混合、攪拌等技術中納米顆粒分散不好的缺陷。熔煉后采用緩慢冷卻，同時保持真空度， 可以使鎂的金屬蒸汽不斷地被抽出，降低合金中鎂的含量，從而提高合金中納米顆粒的體 積分數(shù)，進一步增強納米顆粒強化的效果。在本發(fā)明中，雖然加入的鎂鋅比例為3~6:1，但是 最終得到的合金中，鎂鋅的原子比例在3:1至1.5:1之間。
[0020 ]在施加高壓扭曲形變的過程中，合金基體中較大的晶粒被分解成更細小的納米晶 粒。此外，本發(fā)明采用異步乳制對材料進行進一步加工，這種乳制方法可以進一步細化晶 粒，并且可以在組織內(nèi)部形成粗細晶粒分布，這種材料結(jié)構(gòu)可以達到極大的背加工硬化，這 是在均勻晶粒的材料或常規(guī)加工的材料中不存在的。本發(fā)明采用微加工，多道次，適于得到 目標組織。最終合金的平均晶粒直徑一般在80納米以下，根據(jù)霍爾-配奇關系，晶粒變得細 小，可以使得合金的強度更高，同時，也可以改善合金的塑性。通過本發(fā)明制備的鎂鋅合金， 其屈服強度可以高達500MPa以上，同時具備優(yōu)良的塑性，延伸率高達38%以上，可以應用于 汽車、航天航空等領域。
[0021 ]【具體實施方式】 下面通過實施例詳細描述本發(fā)明的制備方法，但不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0022] 實施例1 (1) 準備原料:準備99.9%以上的高純鎂、鋅、鈮，以及平均粒徑為150納米的SiC; (2) 熔煉合金：將高純鎂與鋅按照3:1的原子比例配料，再加入占合金質(zhì)量分數(shù)3%的 鈮，在C02與SF6的混合氣體中熔煉，其中C0 2與SF6體積比是50:1;恪煉過程中加入占合金質(zhì) 量分數(shù)3%的納米SiC，保持溫度在700 °C，采用超聲的方法進行分散； (3) 對合金錠進行緩慢冷卻，冷卻速度每秒0.2k;在冷卻的過程中保持抽真空狀態(tài)，真 空度低于4torr; (4) 冷卻后，將合金錠加工成圓盤狀； (5) 將步驟（4)處理的粗晶合金圓盤放入上、下兩個壓砧中的凹槽形成的空間內(nèi)，對 合金施加2GPa高壓，并以每分鐘2轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)壓砧以扭轉(zhuǎn)合金圓盤，使之發(fā)生扭曲形變， 一共旋轉(zhuǎn)20圈； (6) 啟動多功能乳機系