專利名稱：一種高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含鐵顆粒的高強(qiáng)度高塑性多元鎂合金及其制造方法，具體的說是高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
鎂的彈性模量比較小，在受力作用下能產(chǎn)生較大的變形，因而鎂合金在沖擊載荷作用下，能吸收較大的沖擊能，可制造承受沖擊的零件。鎂及其合金作為最輕的常用金屬結(jié)構(gòu)材料，已受到人們越來越多的關(guān)注，并已在國防軍工、航空航天、高速軌道交通、電子通訊等領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用。而Zn合金具有優(yōu)良的抗大氣腐蝕性能，在常溫下表面易生成一層保護(hù)膜，被主要用于鋼材和鋼結(jié)構(gòu)件的表面鍍層(如鍍鋅板)，廣泛用于汽車、建筑、 船舶、輕工等行業(yè)。Mg-Zn基合金一直以來受到人們的廣泛關(guān)注。在Mg-Zn合金中添加一定量的Ca形成的Mg-Zn-Ca系(ZX系)合金在近幾年來受到廣大學(xué)者的關(guān)注。由于Ca的質(zhì)量輕，細(xì)化晶粒效果好，可明顯的提高合金的比強(qiáng)度。然而Ca提高合金強(qiáng)度仍是有限。當(dāng)前人們研究Mg-Zn合金主要都集中在較低鋅含量合金中，主要研究Zn的固溶強(qiáng)化以及時效強(qiáng)化。簡單的Mg-Zn 二元鑄造合金由于存在較大的熱冷縮敏感性、鑄造缺陷較大、強(qiáng)度不高、塑性較低、不易焊接、時效析出組織粗大且不均勻分布等缺點(diǎn)，大大限制了在實(shí)際工業(yè)上的生產(chǎn)和應(yīng)用。CN200510111792. O公開了 “生物體內(nèi)可吸收的Mg-Zn-Ca-Fe多元鎂合金材料”，該成份含量為Zn: I 8wt%，Ca:0. I 2wt%，F(xiàn)e:0. 1-2 wt%，其余為Mg和不可避免的雜質(zhì)元素。該專利合金經(jīng)氬氣保護(hù)熔煉、熱處理及熱加工后，其強(qiáng)度為210MPa-300MPa，塑性為2%-12%。該專利合金主要涉及的是一種生物醫(yī)用領(lǐng)域的多元鎂合金，而非工程應(yīng)用領(lǐng)域的合金，該合金強(qiáng)度還達(dá)不到某些工程結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用要求。同時由于較低的合金元素含量，該合金仍為變形鎂合金范疇，這就限制了該合金的鑄造性能。而且，該合金中Fe含量較低，并未與基體作用形成復(fù)合材料，且Fe的存在形式未經(jīng)說明。借助合金在共晶成分附近一般都具有良好的鑄造性能這個特點(diǎn)，我們選取了Mg-Zn-Ca三元共晶成分進(jìn)行熔煉,對合金添加一定量的Fe顆粒形成Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料，從而改善鎂合金的綜合力學(xué)性能和使用性能，拓展其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是如何改善鎂合金強(qiáng)度，提供高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料。本發(fā)明的另一目的是提供所述高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料,其特征在于,所述復(fù)合材料各組分及其質(zhì)量百分含量為Zn=35% 38%，Ca=2% 4%，F(xiàn)e=12% 21%，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)；其中，F(xiàn)e以游離的Fe顆粒形式存在。本發(fā)明Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料的制備過程如下
Cl)按照上述Mg-Zn-Ca合金組分計算需要原料的重量，原料采用工業(yè)純鎂(純度99. 9%)、高純鋅(純度99. 995%)、Mg-Ca中間合金(Mg_33. 17. wt%Ca);采用氬氣保護(hù)感應(yīng)熔煉，在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后繼續(xù)感應(yīng)攪拌5分鐘、得到均勻Mg-Zn-Ca合金液；
(2)按照上述Fe顆粒組分計算所需要的工業(yè)純還原Fe顆粒(純度99. 9%,顆粒大小200目)的質(zhì)量，在氬氣保護(hù)氣氛下，將Fe顆粒與Mg-Zn-Ca合金液混合，同時仍繼續(xù)在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌5分鐘后進(jìn)行水冷，得到均勻的Fe顆粒復(fù)合材料，制得復(fù)合材料合金錠。
本發(fā)明中所制備的復(fù)合材料經(jīng)X射線衍射(XRD)(如圖I所示)和差熱分析(DSC)證實(shí)，F(xiàn)e粉的加入沒有引入新的合金相，完全以Fe顆粒的形式存在于合金中。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明配方設(shè)計獨(dú)特，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12% 21%的Fe顆粒并沒有改變原有合金的組織結(jié)構(gòu)，也沒有改變合金的熱力學(xué)行為，保留了原有合金良好的鑄造性能的特點(diǎn)，同時大幅度提高了原有合金的力學(xué)性能。該復(fù)合材料具有高強(qiáng)度高塑性的特點(diǎn)，同時又保留了原共晶成分鑄造性能優(yōu)良的特性，使得該合金具有廣闊的應(yīng)用前景。2、本發(fā)明工藝方法簡單，熔煉溫度和時間容易控制，具有較好的可操作性。3、本發(fā)明中的元素Mg、Zn、Ca、Fe均為常見的元素，原料資源豐富，同時不含稀土元素，成本較低。


圖I為Mg-Zn-Ca共晶合金及添加Fe顆粒后Mg-Zn-Ca/Fe顆粒X射線衍射圖譜。圖2為Mg-Zn-Ca共晶合金及添加Fe顆粒后Mg-Zn-Ca/Fe顆粒的力學(xué)性能曲線。
具體實(shí)施例方式 實(shí)施例I:
一種高強(qiáng)度高塑性Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料，其重量百分比Mg為46. 8%，Zn為37. 2%，Ca為3. 6%，F(xiàn)e為12. 4%。原材料工業(yè)純鎂純度大于99. 9%，高純鋅純度大于99. 995%，Mg-Ca中間合金(Mg-33. 17. wt%Ca)，工業(yè)還原Fe粉。先將純鎂，純鋅，Mg-Ca中間合金在氬氣保護(hù)下熔煉在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后繼續(xù)感應(yīng)攪拌5分鐘、得到均勻Mg-Zn-Ca合金液；而后在氬氣保護(hù)下添加Fe粉，同時仍繼續(xù)在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌5分鐘后進(jìn)行水冷，得到混合均勻的Fe顆粒復(fù)合材料，最終制得復(fù)合材料合金錠。對該材料進(jìn)行力學(xué)性能測試，該復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度σ y=536. 02Mpa，抗拉強(qiáng)度σ b=694. 28Mpa，延伸率ε =11. 6%。實(shí)施例2:
一種高強(qiáng)度高塑性Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料，其重量百分比Mg為41. 7%，Zn為35. 1%，Ca為2. 4%，F(xiàn)e為20. 8%。原材料工業(yè)純鎂純度大于99. 9%，高純鋅純度大于99. 995%，Mg-Ca中間合金(Mg-33. 17. wt%Ca)，工業(yè)還原Fe粉。先將純鎂，純鋅，Mg- Ca中間合金在氬氣保護(hù)下熔煉在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后繼續(xù)感應(yīng)攪拌5分鐘、得到均勻Mg-Zn-Ca合金液；而后在氬氣保護(hù)下添加Fe粉，同時仍繼續(xù)在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌5分鐘后進(jìn)行水冷，得到混合均勻的Fe顆粒復(fù)合材料，最終制得復(fù)合材料合金錠。對該材料進(jìn)行力學(xué)性能測試，該復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度σ y=507. 74Mpa，抗拉強(qiáng)度σ b=672. 72Mpa，延伸率ε =14. 2%。
綜上，結(jié)合附圖I和圖2可知，本發(fā)明添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12% 21%的Fe顆粒并沒有改變原有合金的組織結(jié)構(gòu)，也沒有改變合金的熱力學(xué)行為，保留了原有合金良好的鑄造性能的特點(diǎn)，同時大幅度提高了原有合金的力學(xué)性能。本發(fā)明復(fù)合材料可以很好的滿足當(dāng)前結(jié)構(gòu)材料的要求。最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料各組分及其質(zhì)量百分含量為Zn=35% 38%，Ca=2% 4%，F(xiàn)e=12% 21%，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)；其中，F(xiàn)e以游離的Fe顆粒形式存在。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料，其特征在于，各組分重量百分比Mg為46. 8%，Zn為37. 2%，Ca為3. 6%，F(xiàn)e顆粒為12. 4%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料，其特征在于，各組分重量百分比Mg為41. 7%，Zn為35. 1%，Ca為2. 4%，F(xiàn)e顆粒為20. 8%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料，其制備方法為 Cl)按照上述Mg-Zn-Ca合金組分計算需要原料的重量，原料采用工業(yè)純鎂(純度.99. 9%)、高純鋅(純度99. 995%)、Mg-Ca中間合金(Mg_33. 17. wt%Ca);采用氬氣保護(hù)感應(yīng)熔煉，在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后繼續(xù)感應(yīng)攪拌5分鐘、得到均勻Mg-Zn-Ca合金液； (2)按照上述Fe顆粒組分計算所需要的工業(yè)純還原Fe顆粒(純度99. 9%,顆粒大小.200目)，在氬氣保護(hù)氣氛下，將Fe顆粒與Mg-Zn-Ca合金液混合，同時仍繼續(xù)在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌5分鐘后進(jìn)行水冷，得到均勻的Fe顆粒復(fù)合材料，制得復(fù)合材料合金錠。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料，包括分布于合金中的以下百分比重量的合金化元素成份Zn=35%～38%，Ca=2%～4%，F(xiàn)e=12%～21%，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)；其中，F(xiàn)e以游離的Fe顆粒形式存在。其生產(chǎn)工藝流程為先熔煉出Mg-Zn-Ca合金液，而后將Fe顆粒加入合金液中感應(yīng)加熱，最終制得成分均勻的Mg-Zn-Ca/Fe顆粒復(fù)合材料。本發(fā)明復(fù)合材料具有高強(qiáng)度高塑性的特點(diǎn)，同時又保留了原共晶成分鑄造性能優(yōu)良的特性，使得該合金具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C22C23/04GK102876958SQ201210423520
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者王敬豐, 黃崧, 魏怡蕓, 潘復(fù)生 申請人:重慶大學(xué)