專利名稱：氮?dú)鈬娚涑练e鎂合金材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料科學(xué)領(lǐng)域，尤其是采用噴射沉積快速凝固研制變形鎂合 金材料及其制備工藝。
背景技術(shù)：
鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能好、導(dǎo)熱性好、尺寸穩(wěn)定 和成本低等一系列優(yōu)點，為材料的輕量化發(fā)展和減振降噪提供了一種具有發(fā)展?jié)?力的結(jié)構(gòu)/功能一體化輕質(zhì)新材料。然而鎂合金要真正成為規(guī)模應(yīng)用的主承力結(jié) 構(gòu)材料，急需解決的就是采用如材料設(shè)計、制備工藝及變形強(qiáng)化等技術(shù)來提高鎂 合金材料的強(qiáng)度和塑性。
噴射沉積工藝是一種比較成熟的快速凝固制備大塊體金屬的工藝方法，它包 括金屬液體的霧化和霧化的金屬微粒沉積的兩個過程，最終形成具有均勻分布的 等軸微細(xì)晶組織的金屬材料，可有效提高金屬材料的力學(xué)性能。相關(guān)研究證明噴 射沉積鎂合金具有優(yōu)于傳統(tǒng)鎂合金的力學(xué)性能，如美國Lavemia V， Jarry P, Regazzoni G， Apelian D在1992年27巻16期《材料科學(xué)雜志》中編寫的《Sic 鎂基復(fù)合材料工藝和微觀組織的關(guān)系》LaverniaV， JarryP， Regazzoni G, Apelian D.Processing-Microstructure Relation-ships in Commpocast Magnesium/Sic.J Mater Sci， 1992， 27( 16): 4447報道的噴射沉積Mg-5.6Zn-0.3Zr和Mg-8.4Al-0.2Zr 合金在不影響強(qiáng)度的情況下，獲得了更好的延伸率；FaureJF， Nussbaum G申 請的美國專利50733207《噴射沉積鎂合金工藝》Faure JF， Nussbaum G， Process for Obtaining Magnesinm Alloys by Spray Deposition. USPatent 50733207， 1991 ，艮 道的噴射沉積Mg-7 Al-4.5. Ca-1.5 Zn-1.0Re合金的抗拉強(qiáng)度為480 Mpa，延伸率 為5%;德國TU-Clausthal研究所開發(fā)的噴射沉積AE42合金相比于傳統(tǒng)鑄造 AE42合金強(qiáng)度提高48%。
但是鎂是一種非常活潑的金屬，鎂合金噴射沉積過程由于產(chǎn)生大量易燃的過 噴鎂粉，需要特別注意安全問題。上述噴射沉積鎂合金都釆用的是成本高昂的氬 氣或氦氣進(jìn)行霧化，無疑導(dǎo)致噴射沉積鎂合金的成本居高不下，嚴(yán)重影響了噴射 沉積鎂合金的規(guī)模應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)鎂合金材料制備高成本、不安全問 題，提供一種用氮?dú)鈬娚涑练e工藝，以提高鎂合金的氮化惰性和安全性，并降低 高強(qiáng)鎂合金的制造成本，進(jìn)而擴(kuò)大高性能鎂合金的規(guī)模應(yīng)用的氮?dú)鈬娚涑练e鎂合 金及其制備工藝。
本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案解決
一種氮?dú)鈬娚涑练e鎂合金材料，其特征在于該合金的各組分的重量百分比
為
轉(zhuǎn)Ca 5 10%，鋁Al 1 14%,鋅Zn 1 8%,稀土NdO 20/0， 錳Mn 0 1%，其余為鎂Mg。
一種氮?dú)鈬娚涑练e鎂合金材料的制備工藝，其特征在于該工藝包括
(1) 鎂合金的熔煉在氣體或熔劑保護(hù)下的熔化爐內(nèi)，按重量百分比將純 Mg投入熔化后，再分別將純A1、純Zn加入到熔體中至熔化，在熔體溫度達(dá)到 680 72(TC時將含Ca 40 % wt.的Mg-Ca中間合金分批加入，直至完全熔化，在 熔體溫度達(dá)到750'C后，最后將鋁箔包好的化學(xué)純Mn片和含Nd 10 % wt.的 Mg-Nd中間合金分批加入，直至完全熔化，在熔體溫度達(dá)到850 90(TC時保溫 20 40分鐘后，使用工具進(jìn)行攪拌直至均勻后，在氣氛保護(hù)條件下將烙體澆注 入噴射沉積的導(dǎo)流漏斗中；
(2) 鎂合金的噴射沉積經(jīng)熔煉的鎂合金熔體經(jīng)導(dǎo)流漏斗澆注入噴射沉積 設(shè)備的同時，霧化氣體以純度在99.5%以上的氮?dú)馔瑫r噴入，在下列設(shè)備工藝參 數(shù)條件下進(jìn)行噴射沉積霧化氣體壓力為0.6 0.8 Mpa，霧化器掃描頻率為 23.5Hz，沉積器旋轉(zhuǎn)頻率為3.2Hz，沉積距離為650 680mm，沉積器下行速度為 1. 0 1. 5mm/s,鎂合金熔體流率為5 7kg/min，霧化氣體流率為10 20NmVmin， 在霧化、沉積過程中制成鎂合金圓錠；
(3) 將上述鎂合金圓錠進(jìn)行車削扒皮后，移至熱擠壓設(shè)備加熱至280 380 'C時保溫3 5小時后，采用16: l的擠壓比，熱擠壓制成相應(yīng)尺寸的棒材或壁 厚不小于5mm的管材；或加熱至300 35(TC時保溫3 5小時后，移至鍛壓設(shè)備 鍛造成型。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過采用大比例添加Ca而抑制氮化的鎂合金成分 設(shè)計方法，以及用氮?dú)忪F化鎂合金熔體實現(xiàn)噴射沉積的工藝，其氮化產(chǎn)物為Mg 和Ca的復(fù)合氮化物膜，可有效抑制有害的Mg3N2的生成，具有致密隔絕不會產(chǎn)
生燃燒爆炸的安全問題；結(jié)合全密封管路的過噴鎂粉收集措施，完全可實現(xiàn)大塊 體鎂合金材料的噴射沉積工藝制備；進(jìn)一步采用熱擠壓工藝對噴射沉積鎂合金進(jìn) 行變形強(qiáng)化后，可以制成抗拉強(qiáng)度在450 480Mpa以上，屈服強(qiáng)度在360 380 Mpa之間，延伸率在5 10%以上的高強(qiáng)鎂合金材料。同時，由于噴射沉積快速 凝固的工藝特性，鎂合金沉積坯料顯微組織為3 10um的等軸晶粒，沿晶析出 相主要為不連續(xù)Al2Ca相，沒有形成傳統(tǒng)熔鑄工藝制備的高Ca鎂合金中粗大漢 字狀的Al2Ca相。進(jìn)一步對鎂合金噴射沉積坯料進(jìn)行熱變形加工后，沿晶析出的 Al2Ca相破碎細(xì)化，尺度為liim左右，此時鎂合金的晶粒度約為3wm左右。 因此，細(xì)晶強(qiáng)化和彌散的Al2Ca第二相強(qiáng)化是本發(fā)明制備的鎂合金材料的重要強(qiáng) 化機(jī)制。另外，采用EDX能譜分析、ICP熒光光譜分析后，測得氮?dú)鈬娚涑练e 鎂合金坯料的氮含量為150 400ppm，盡管氮含量有所偏高必然對材料性能造成 一定的影響，但相比于采用氬氣或氦氣霧化，采用氮?dú)忪F化制備鎂合金成本會大 幅下降，有利于噴射沉積高強(qiáng)度鎂合金的規(guī)模應(yīng)用，適宜于制作殼類、板材、棒 材等零件。
具體實施例方式
實施例l:按重量百分比鎂合金成分為Ca6.5%， A114%， Zn3%， Nd 1%， Mn0.2%，其余為Mg;工藝步驟如下
(1) 、按25kg裝爐量配好爐料，(1)在熔劑保護(hù)下，將純鎂熔化后，分別 將純Al、純Zn加入到熔體中至熔化，(2)在熔體溫度達(dá)到70(TC時將含Ca 40 % wt.的Mg-Ca中間合金分批加入，直至完全熔化，(3)在熔體溫度達(dá)到750'C后， 將鋁箔包好的化學(xué)純Mn片和含Nd 10% wt.的Mg-Nd中間合金分批加入，直至 完全熔化，(4)在熔體溫度達(dá)到850'C時保溫40分鐘后，使用工具攪拌均勻后， 在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)條件下將熔體澆注入噴射沉積的導(dǎo)流漏斗中；
(2) 、噴射沉積鎂合金采用的霧化氣體為純度在99.5%以上的氮?dú)猓F化氣 體壓力為0.7Mpa，霧化器掃描頻率23.5Hz，沉積器旋轉(zhuǎn)頻率為3. 2Hz，沉積距 離為650mm，沉積器下行速度為1.2mm/s，鎂合金熔體流率為5kg/min,霧化氣 體流率為15NmVmin;
(3) 、將鎂合金圓錠車削扒圓至cH20ram，移至熱擠壓設(shè)備加熱至30(TC保溫 4.5小時后，采用16: l擠壓比，在10MN正向擠壓機(jī)上熱擠壓制成4)30mm棒材。
該實施例中，噴射沉積鎂合金坯錠重量約15公斤，收得率約為70%,經(jīng)熱擠 壓后制成的鎂合金擠壓材，室溫抗拉強(qiáng)度480 Mpa、屈服強(qiáng)度380Mpa、延伸率
8%。
實施例2:按重量百分比鎂合金成分為Ca6.5%， A19%， Zn3%， Nd2%, Mn0.2°/。，其余為Mg;工藝步驟如下
(1) 、按25kg裝爐量配好爐料，(1)在0.5%8 6/0)2氣氛保護(hù)下，將工業(yè) 純鎂熔化后，分別將純A1、純Zn加入到熔體中至熔化，(2)在熔體溫度達(dá)到680 'C時將含Ca40免wt.的Mg-Ca中間合金分批加入，直至完全熔化，(3)在熔體 溫度達(dá)到750'C后，將鋁箔包好的化學(xué)純Mn片和含Nd 10% wt.的Mg-Nd中間合 金分批加入，直至完全熔化，(4)在熔體溫度達(dá)到87CTC時保溫30分鐘后，使 用工具攪拌均勻后，在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)條件下將熔體澆注入噴射沉積的導(dǎo)流漏斗 中；
(2) 、噴射沉積鎂合金采用的霧化氣體為純度在99.5%以上的氮?dú)猓F化氣 體壓力為0.75Mpa，霧化器掃描頻率23.5Hz，沉積器旋轉(zhuǎn)頻率為3.2Hz，沉積 距離為660mm，沉積器下行速度為1. Onun/s，鎂合金熔體流率為6. 5kg/min，霧 化氣體流率為19Nm7min;
(3) 、將鎂合金圓錠車削扒圓至(H20mm，移至熱擠壓設(shè)備加熱至330。C保溫 4小時后，采用16: 1擠壓比，在.10MN正向擠壓機(jī)上熱擠壓制成巾30X 5 5mm 的管材。
該實施例中，噴射沉積鎂合金坯錠重量為13公斤，收得率約為65%，經(jīng)熱擠 壓后制成的鎂合金擠壓材，室溫抗拉強(qiáng)度470Mpa、屈服強(qiáng)度370Mpa、延伸率 10%。
實施例3:按重量百分比鎂合金成分為Ca6%， A11.5%， Zn6%， Zr 1%， 其余為Mg;工藝步驟如下
(1) 、按20kg裝爐量配好爐料，(1)在0.5。/。SF6/CO2氣氛保護(hù)下，將工業(yè) 純鎂熔化后，分別將純A1、純Zn加入到熔體中至熔化，(2)在熔體溫度達(dá)到720 i:時將含Ca 40 wt1的Mg-Ca中間合金分批加入，直至完全熔化，(3)在熔體 溫度達(dá)到75(TC后，將含Zr 20 wt. %的Mg-Nd中間合金分批加入，直至完全熔化，
(4)在熔體溫度達(dá)到90(TC時保溫20分鐘后，使用工具攪拌均勻后，在氮?dú)鈿?氛保護(hù)條件下將熔體澆注入噴射沉積的導(dǎo)流漏斗中；
(2) 、噴射沉積鎂合金采用的霧化氣體為純度在99.5%以上的氮?dú)猓F化氣 體壓力為0. 6 Mpa，霧化器掃描頻率23. 5Hz，沉積器旋轉(zhuǎn)頻率為3. 2Hz，沉積距 離為670ram，沉積器下行速度為1. 3mm/s，鎂合金熔體流率為6kg/min，霧化氣 體流率為12Nm7min;
(3)、將鎂合金圓錠車削扒圓至4)120mm，移至熱擠壓設(shè)備加熱至35(TC保溫 3小時后，采用16: l擠壓比，在10MN正向擠壓機(jī)上熱擠壓制成4)30mm棒材。 該實施例中，噴射沉積鎂合金坯錠重量為IO公斤，收得率約為65%，經(jīng)熱擠 壓后制成的鎂合金擠壓材，室溫抗拉強(qiáng)度450 Mpa、屈服強(qiáng)度360Mpa、延伸率 5%。
權(quán)利要求
1、一種氮?dú)鈬娚涑练e鎂合金材料，其特征在于該合金的各組分的重量百分比為鈣Ca 5～10％，鋁Al 1～14％，鋅 Zn1～8％，稀土 0～2％，錳Mn 0～1％，其余為鎂Mg。
2、 一種氮?dú)鈬娚涑练e鎂合金材料的制備工藝，其特征在于該工藝包括-(1) 鎂合金的熔煉在氣體或熔劑保護(hù)下的熔化爐內(nèi)，按重量百分比將純 Mg投入熔化后，再分別將純A1、純Zn加入到熔體中至熔化，在熔體溫度達(dá)到 680 720'C時將含Ca 40% wt.的Mg-Ca中間合金分批加入，直至完全熔化，在 熔體溫度達(dá)到75(TC后，最后將鋁箔包好的化學(xué)純Mn片和含Nd 10% wt.的 Mg-Nd中間合金分批加入，直至完全熔化，在熔體溫度達(dá)到850 90(TC時保溫 20 40分鐘后，使用工具進(jìn)行攪拌直至均勻后，在氣氛保護(hù)條件下將熔體澆注 入噴射沉積的導(dǎo)流漏斗中；(2) 鎂合金的噴射沉積經(jīng)熔煉的鎂合金熔體經(jīng)導(dǎo)流漏斗澆注入噴射沉積 設(shè)備的同時，霧化氣體以純度在99.5%以上的氮?dú)馔瑫r噴入，在下列設(shè)備工藝參 數(shù)條件下進(jìn)行噴射沉積霧化氣體壓力為0.6 0.8 Mpa，霧化器掃描頻率為 23.5Hz，沉積器旋轉(zhuǎn)頻率為3.2Hz，沉積距離為650 680nim，沉積器下行速度為 1. 0 1. 5mm/s，鎂合金熔體流率為5 7kg/min，霧化氣體流率為10 20Nm7min， 在霧化、沉積過程中制成鎂合金圓錠；(3) 將上述鎂合金圓錠進(jìn)行車削扒皮后，移至熱擠壓設(shè)備加熱至280 380 X:時保溫3 5小時后，采用16: l的擠壓比，熱擠壓制成相應(yīng)尺寸的棒材或壁 厚不小于5mm的管材；或加熱至300 350'C時保溫3 5小時后，移至鍛壓設(shè)備 鍛造成型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮?dú)鈬娚涑练e鎂合金材料及其制備工藝，以純鎂、純鋁、純鋅、鈣鎂合金、純錳、稀土鎂合金為原料，按重量百分比分批加入，在氣體或熔劑保護(hù)下進(jìn)行鎂合金熔煉，待熔體達(dá)到設(shè)定溫度和保溫時間后進(jìn)行澆注并同時以霧化氣體純度在99.5％以上的氮?dú)庀逻M(jìn)行噴射沉積制成坯錠，經(jīng)車削后以熱擠壓或鍛造成型。本發(fā)明通過采用大比例添加Ca而抑制氮化的鎂合金成分設(shè)計，以及用氮?dú)忪F化實現(xiàn)噴射沉積工藝。可有效抑制有害的Mg₃N₂的生成，具有致密隔絕防止產(chǎn)生燃燒爆炸的安全特點，鎂合金材料經(jīng)變形強(qiáng)化后具有較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率，同時由于噴射沉積快速凝固細(xì)晶強(qiáng)化的工藝特性，具有較好的坯料顯微組織，且成本大幅下降，利于鎂合金的規(guī)模應(yīng)用。
文檔編號C22C23/00GK101186988SQ20071016457
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月8日
發(fā)明者秦占民, 景 翟, 辛海鷹, 郭安振, 偉 陳, 力 馬 申請人:中國兵器工業(yè)第五二研究所