鎂合金的制備方法
【專利摘要】本發明鎂合金的制備方法，涉及鎂合金，步驟是：依據目標合金中各組分元素的質量百分比：Mg為92.0～93.0%、Zn為2.0%、Al為4.0%、Y為1.0%、Ca為0～1.0%，稱取所需質量的純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、純度99.99%的鋁錠、釔含量25wt%的Mg-Y中間合金和鈣含量20wt%的Mg-Ca中間合金為原料置于熔煉爐中進行熔煉，然后澆注到鑄鐵模具中，制得母合金鑄錠，再用熔化爐進行熔化，最后在設置的壓鑄工藝參數下用壓鑄機進行壓鑄，制得高強韌Mg-Zn-Al-Y-（Ca）鎂合金材料，克服了現有技術的對設備要求高、制備成本較高、生產率低和不利于實現產業化生產的缺點。
【專利說明】鎂合金的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明的技術方案涉及鎂合金，具體地說是鎂合金的制備方法。
【背景技術】
[0002]鎂合金以其強度高、減震能力強和鑄造成型工藝性能好等特點，在同其它輕質材料的競爭中取得明顯優勢，受到汽車、航空工業及3C產業的青睞。然而，傳統鎂合金仍然存在強度較低、韌性差和塑性加工困難等問題，使鎂合金的應用受到了限制。因此，通過各種措施來改善現有鎂合金的力學性能，成為擴大鎂合金應用范圍的重要途徑。其中，合金化是提高鎂合金力學性能的一種常用方法，特別是向合金中添加稀土元素，可以起到凈化合金、改善合金組織，提高合金常溫高溫力學性能和耐蝕性的作用。
[0003]CN101279361B公開了“一種高強韌鎂合金的制備方法”，利用噴射沉積制備工藝獲得了高強韌鎂合金。但該方法的制備過程復雜難以控制，對設備要求高，制備成本較高，且生產率低，不利于實現產業化的生產。CN102162054A披露了“一種高強韌鎂合金及其制備方法”，制備出了 Mg-Al-Zn-Gd高強韌鎂合金，其化學組分按質量比組成:A17-8%，Zn0.7-1%,Gd4.1-6.9%，雜質元素Mn < 0.12%，其余為Mg。該專利通過添加稀土 Gd以改善鎂合金的強韌性，但該專利中稀土 Gd的添加量較多，大大提高了成本，不利于產業化生產，且需經熱處理工藝，延長了整體工藝周期。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是:提供鎂合金的制備方法，采用壓鑄的方法，通過控制材料成分，在常規凝固條件下制備出具有自生增強相的鎂合金，并經過設置壓鑄工藝參數，從而制得高強韌的鎂合金產品，同時克服了現有技術的對設備要求高、制備成本較高、生產率低和不利于實現產業化生產的缺點。
[0005]本發明解決該技術問題所采用的技術方案是:鎂合金的制備方法，采用壓鑄的方法，具體步驟是:
[0006]第一步，制備Mg-Zn-Al-Y- (Ca)母合金鑄錠
[0007]依據目標合金中各組分元素的質量百分比:Mg為92.0~93.0%、Ζη為2.0%、A1為4.0%、Y為1.0%、Ca為O~1.0%，稱取所需質量的純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、純度99.99%的鋁錠、釔含量25wt%的Mg-Y中間合金和鈣含量20wt%的Mg-Ca中間合金為原料進行備料；將稱量好的上述所有原料置于氣體保護熔煉爐中，在750°C溫度下進行熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護，待所有原料完全熔化后，攪拌2分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘后，在通入體積比為CO2:SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護的條件下，澆注到內型腔尺寸為高25cm和直徑Φ 15cm的鑄鐵模具中，空冷至室溫，制得Mg-Zn-Al-Y- (Ca)母合金鑄錠，其鑄態組織中包含Mg3Zn6Y準晶相、Al2Y相、(Al2Ca)相、α-Mg和共晶相 ；
[0008]第二步，用壓鑄方法制備高強韌Mg-Zn-Al-Y- (Ca)鎂合金[0009]將第一步制得的Mg-Zn-Al-Y- (Ca)母合金鑄錠通過MD0250型鎂合金熔化爐進行熔化，保護氣體采用N2和SF6混合氣，其中SF6的體積百分比濃度為0.7%，設置保護氣體的工作壓力為0.3MPa，供氣溫度為350°C，等待壓射時長為2s，熔室溫度為710°C，泵室溫度為7000C，待Mg-Zn-Al-Y- (Ca)母合金鑄錠完全熔化后，用DCC630m冷室鎂合金壓鑄機壓鑄試樣棒，壓鑄機的壓鑄工藝參數如下:模溫機溫度180°C、模具預熱時間45min、壓射低速80%、一快位置IOOmm、二快位置240mm、二快速度70%、增壓位置380mm、增壓速度65%、壓射終止530mm、壓射時間4s、冷卻時間5s、增壓壓力40MPa和調模壓力12MPa，在上述設置壓鑄工藝參數下啟動壓鑄機進行壓鑄，從而制得長20cm和Φ 15mm的高強韌Mg-Zn-Al-Y- (Ca)鎂合金材料。
[0010]上述鎂合金的制備方法，其中目標合金中各組分元素的質量百分比優選:Mg為93.0%、Zn 為 2.0%、Al 為 4.0% 和 Y 為 1.0%。
[0011]上述鎂合金的制備方法，其中目標合金中各組分元素的質量百分比優選:Mg為92.5%、Zn 為 2.0%、Al 為 4.0%、Y 為 1.0% 和 Ca 為 0.5%。
[0012]上述鎂合金的制備方法，其中目標合金中各組分元素的質量百分比優選:Mg為92.0%、Zn 為 2.0%、Al 為 4.0%、Y 為 1.0% 和 Ca 為 1.0%。
[0013]上述鎂合金的制備方法，所涉及的原材料和設備均通過公知的途徑獲得，所用的操作工藝是本【技術領域】的技術人員所能掌握的。
[0014]本發明的有益效果是:與現有技術相比，本發明的突出的實質性特點和顯著進步是:
[0015](I)在現有技術CN101279361B的制備方法中，鎂合金熔煉過程需要抽取真空，且需用氬氣洗爐2-3次，真空度不夠或氬氣不純都可能導致所制備鎂合金發生氧化而影響質量。熔化過程需經電磁攪拌，熔化后需經霧化噴嘴在高壓霧化N2氣氣氛中和壓力0.5-0.6MPa下產生霧化液滴并沉積到接受極板，形成柱狀鎂合金沉積坯，沉積厚度和合金緊實度不易控制，因而該專利申請的制備過程較為復雜且最終產品難以控制。而本發明方法只需將按各組分元素的質量百分比稱量的目標合金的所有原料熔煉好，再經壓鑄機直接壓出即可，工藝簡單，且壓鑄機工藝參數可調，容易控制。
[0016](2)現有技術CN101279361B的方法，在經過復雜的工序后，制備出來的僅僅是鎂合金坯料，做成產品還需經坯料車削、熱擠壓以及熱處理等流程，周期較長。而本發明方法是將制備的Mg-Zn-Al-Y- (Ca)母合金鑄錠在壓鑄機加熱系統重熔后，根據產品要求，直接壓鑄出所需尺寸和形貌的產品，工藝過程更為簡單、省時。
[0017](3)現有技術CN101279361B中，用到兩個要求高的設備:一是真空熔煉爐，對真空度及抽真空系統要求很高；二是霧化沉積設備，對霧化噴嘴及高壓霧化過程要求很高，此兩設備及其操作過程均較為復雜。本發明方法只用到兩個簡單的設備，一是普通鎂合金氣體保護熔煉爐，二是工業生產中常用的鎂合金壓鑄機，兩種設備操作均容易且便捷。
[0018](4)現有技術CN102162054A中，稀土 Gd的添加量達到了 4.1~6.9%，而本發明方法中稀土 Y的添加量僅為1%。雖然稀土 Y及稀土 Gd目前市場價格均在每千克400~500元,但由于現有技術CN102162054A中稀土 Gd的添加量是本發明方法中稀土 Y的添加量的
4.1~6.9倍，因而現有技術CN102162054A中稀土材料的使用成本比本發明方法中稀土材料的使用成本高4.1~6.9倍。[0019](5)本發明方法中，只添加Y元素后在鎂合金中形成了 Mg3Zn6Y準晶相和Al2Y相，同時添加Y和Ca元素后在鎂合金中形成了 Mg3Zn6Y準晶相、Al2Y相和Al2Ca相，這些增強相優化了鎂合金的性能，因而本發明方法制備的鎂合金的強度和韌性皆處于較好的水平，尤其韌性遠高于目前其他制備方法制備的鎂合金的韌性水平，實現了鎂合金的強度和韌性的同步提聞。
[0020](6)本發明方法所制備的鎂合金是一種高強韌Mg-Zn-Al-Y- (Ca)鎂合金材料，具有優異的力學性能，其抗拉強度> 232Mpa，延伸率> 9.2%。下面實施例中有更為詳細的數據證明。
[0021](7)本發明方法所需原料成本較低，制備工藝簡單，生產率高，可直接用于產業化生產。
【具體實施方式】
[0022]實施例1
[0023]第一步，制備Mg-Zn-Al-Y母合金鑄錠
[0024]依據目標合金中各組分元素的質量百分比:Mg為93.0%、Ζη為2.0%、A1為4.0%、Y為1.0%，稱取所需質量的純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、純度99.99%的鋁錠和釔含量25wt%的Mg-Y中間合金為原材料進行備料；將稱量好的上述所有原料置于氣體保護熔煉爐中，在750°C溫度下進行熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護，待所有原料完全熔化后，攪拌2分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘后，在通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護的條件下，澆注到內型腔尺寸為高25cm和直徑Φ 15cm的鑄鐵模具中，空冷至室溫，制得Mg-Zn-Al-Y母合金鑄錠，其鑄態組織中包含Mg3Zn6Y準晶相、Al2Y相、α -Mg和共晶相；
[0025]第二步，用壓鑄方法制備高強韌Mg-Zn-Al-Y鎂合金
[0026]將第一步制得的Mg-Zn-Al-Y母合金鑄錠通過MD0250型鎂合金熔化爐進行熔化，保護氣體采用N2和SF6混合氣，其中SF6的體積百分比濃度為0.7%，設置保護氣體的工作壓力為0.3MPa，供氣溫度為350°C，等待壓射時長為2s，熔室溫度為710°C，泵室溫度為700°C，待Mg-Zn-Al-Y母合金鑄錠完全熔化后，用DCC630m冷室鎂合金壓鑄機壓鑄試樣棒，壓鑄機的壓鑄工藝參數如下:模溫機溫度180°C、模具預熱時間45min、壓射低速80%、一快位置100mm、二快位置240mm、二快速度70%、增壓位置380mm、增壓速度65%、壓射終止530mm、壓射時間4s、冷卻時間5s、增壓壓力40MPa和調模壓力12MPa，在上述設置壓鑄工藝參數下啟動壓鑄機進行壓鑄，從而制得長20cm和Φ 15mm的高強韌Mg-Zn-Al-Y鎂合金材料。
[0027]本實施例制得的高強韌Mg-Zn-Al-Y鎂合金材料的抗拉強度為232MPa，屈服強度為121MPa，延伸率為9.2%。如表1所示，本實施例制得的Mg-Zn-Al-Y鎂合金與常用鎂合金比較例I相比，抗拉強度提高了 5.45%，屈服強度提高了 5.22%，延伸率提高了 15%，三項性能指標都得到提升；與常用鎂合金比較例2相比，抗拉強度提高了 0.87%，屈服強度下降了23.97%，延伸率提高了 306.67%，屈服強度雖有下降但延伸率得到大幅度提高。
[0028]實施例2
[0029]第一步，制備Mg-Zn-Al-Y-Ca母合金鑄錠
[0030]依據目標合金中各組分元素的質量百分比:Mg為92.5%、Zn為2.0%、A1為4.0%、Y為1.0%、Ca為0.5%，稱取所需質量的純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、純度99.99%的鋁錠、釔含量25wt%的Mg-Y中間合金和鈣含量20wt%的Mg-Ca中間合金為原材料進行備料；將稱量好的上述所有原料置于氣體保護熔煉爐中，在750°C溫度下進行熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護，待所有原料完全熔化后，攪拌2分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘后，在通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護的條件下，澆注到內型腔尺寸為高25cm和直徑Φ15αιι的鑄鐵模具中，空冷至室溫，制得Mg-Zn-Al-Y-Ca母合金鑄錠，其鑄態組織中包含Mg3Zn6Y準晶相、Al2Y相、Al2Ca相、α -Mg和共晶相；
[0031]第二步，制備高強韌壓鑄Mg-Zn-Al-Y-Ca鎂合金
[0032]將第一步制得的Mg-Zn-Al-Y-Ca母合金鑄錠通過MD0250型鎂合金熔化爐進行熔化，保護氣體采用N2和SF6混合氣，其中SF6的體積百分比濃度為0.7%，設置保護氣體的工作壓力為0.3MPa，供氣溫度為350°C，等待壓射時長為2s，熔室溫度為710°C，泵室溫度為700°C，待Mg-Zn-Al-Y母合金鑄錠完全熔化后，用DCC630m冷室鎂合金壓鑄機壓鑄試樣棒，壓鑄機的壓鑄工藝參數如下:模溫機溫度180°C、模具預熱時間45min、壓射低速80%、一快位置IOOmm、二快位置240mm、二快速度70%、增壓位置380mm、增壓速度65%、壓射終止530mm、壓射時間4s、冷卻時間5s、增壓壓力40MPa和調模壓力12MPa，在上述設置壓鑄工藝參數下啟動壓鑄機進行壓鑄，從而制得長20cm和Φ 15mm的高強韌Mg-Zn-Al-Y-Ca鎂合金材料。
[0033]本實施例制得的高強韌壓鑄Mg-Zn-Al-Y-Ca鎂合金的抗拉強度為238MPa，屈服強度為127MPa，延伸率為11.3%。如表1所示，本實施例制得的高強韌壓鑄Mg-Zn-Al-Y-Ca鎂合金與常用鎂合金比較例I相比，抗拉強度提高了 8.18%，屈服強度提高了 10.43%，延伸率提高了 41.25%，三項性能指標都得到穩定提升；與常用鎂合金比較例2相比，抗拉強度提高了 3.48%，屈服強度下降了 18.11%，延伸率提高了 376.67%，屈服強度雖有下降但延伸率得到大幅度提聞。
[0034]實施例3
[0035]第一步，制備Mg-Zn-Al-Y-Ca母合金鑄錠
[0036]依據目標合金中各組分元素的質量百分比:Mg為92.0%、Ζη為2.0%、A1為4.0%、Y為1.0%、Ca為1.0%，稱取所需質量的純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、純度99.99%的鋁錠、釔含量25wt%的Mg-Y中間合金和鈣含量20wt%的Mg-Ca中間合金為原材料進行備料；將稱量好的上述所有原料置于氣體保護熔煉爐中，在750°C溫度下進行熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護，待所有原料完全熔化后，攪拌2分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘后，在通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護的條件下，澆注到內型腔尺寸為高25cm和直徑Φ15αιι的鑄鐵模具中，空冷至室溫，制得Mg-Zn-Al-Y-Ca母合金鑄錠，其鑄態組織中包含Mg3Zn6Y準晶相、Al2Y相、Al2Ca相、α -Mg和共晶相；
[0037]第二步，制備高強韌壓鑄Mg-Zn-Al-Y-Ca鎂合金
[0038]將第一步制得的Mg-Zn-Al-Y-Ca母合金鑄錠通過MD0250型鎂合金熔化爐進行熔化，保護氣體采用N2和SF6混合氣，其中SF6的體積百分比濃度為0.7%，設置保護氣體的工作壓力為0.3MPa，供氣溫度為350°C，等待壓射時長為2s，熔室溫度為710°C，泵室溫度為700°C，待Mg-Zn-Al-Y母合金鑄錠完全熔化后，用DCC630m冷室鎂合金壓鑄機壓鑄試樣棒，壓鑄機的壓鑄工藝參數如下:模溫機溫度180°C、模具預熱時間45min、壓射低速80%、一快位置IOOmm、二快位置240mm、二快速度70%、增壓位置380mm、增壓速度65%、壓射終止530mm、壓射時間4s、冷卻時間5s、增壓壓力40MPa和調模壓力12MPa，在上述設置壓鑄工藝參數下啟動壓鑄機進行壓鑄，從而制得長20cm和Φ 15mm的高強韌Mg-Zn-Al-Y-Ca鎂合金材料。
[0039]本實施例制得的高強韌壓鑄Mg-Zn-Al-Y-Ca鎂合金的抗拉強度為246MPa，屈服強度為143MPa，延伸率為13.2%。如表1所示，本實施例制得的高強韌壓鑄Mg-Zn-Al-Y-Ca鎂合金與常用鎂合金比較例I相比，抗拉強度提高了 11.82%，屈服強度提高了 24.35%，延伸率提高了 65%，三項性能指標都得到穩定提升；與常用鎂合金比較例2相比，抗拉強度提高了
6.96%，屈服強度下降了 4.9%，延伸率提高了 440%，屈服強度稍有降低但延伸率得到大幅度提聞。
[0040]表1.本發明方法實施例制得的鎂合金與已有常用鎂合金的性能比較
[0041]
【權利要求】
1.鎂合金的制備方法，其特征在于:采用壓鑄的方法，具體步驟是: 第一步，制備Mg-Zn-Al-Y- (Ca)母合金鑄錠 依據目標合金中各組分元素的質量百分比:Mg為92.0~93.0%、Ζη為2.0%、A1為4.0%、Y為1.0%、Ca為O~1.0%，稱取所需質量的純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、純度99.99%的鋁錠、釔含量25wt%的Mg-Y中間合金和鈣含量20wt%的Mg-Ca中間合金為原料進行備料；將稱量好的上述所有原料置于氣體保護熔煉爐中，在750°C溫度下進行熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護，待所有原料完全熔化后，攪拌2分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘后，在通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護的條件下，澆注到內型腔尺寸為高25cm和直徑Φ 15cm的鑄鐵模具中，空冷至室溫，制得Mg-Zn-Al-Y- (Ca)母合金鑄錠，其鑄態組織中包含Mg3Zn6Y準晶相、Al2Y相、(Al2Ca)相、α -Mg和共晶相； 第二步，用壓鑄方法制備高強韌Mg-Zn-Al-Y- (Ca)鎂合金 將第一步制得的Mg-Zn-Al-Y- (Ca)母合金鑄錠通過MD0250型鎂合金熔化爐進行熔化，保護氣體采用N2和SF6混合氣，其中SF6的體積百分比濃度為0.7%，設置保護氣體的工作壓力為0.3MPa，供氣溫度為350°C，等待壓射時長為2s，熔室溫度為710°C，泵室溫度為700°C JtMg-Zn-Al-Y- (Ca)母合金鑄錠完全熔化后，用DCC630m冷室鎂合金壓鑄機壓鑄試樣棒，壓鑄機的壓鑄工藝參數如下:模溫機溫度180°C、模具預熱時間45min、壓射低速80%、一快位置100mm、二快位置240mm、二快速度70%、增壓位置380mm、增壓速度65%、壓射終止530mm、壓射時間4s、冷卻時間5s、增壓壓力40MPa和調模壓力12MPa，在上述設置壓鑄工藝參數下啟動壓鑄機進行壓鑄，從而制得長20cm和Φ 15mm的高強韌Mg-Zn-Al-Y- (Ca)鎂合金材料。
2.根據權利要求1所說鎂合金的制備方法，其特征在于:其中目標合金中各組分元素的質量百分比為:Mg為93.0%、Zn為2.0%、Al為4.0%和Y為1.0%。
3.根據權利要求1所說鎂合金的制備方法，其特征在于:其中目標合金中各組分元素的質量百分比為:Mg為92.5%、Zn為2.0%、Al為4.0%、Y為1.0%和Ca為0.5%。
4.根據權利要求1所說鎂合金的制備方法，其特征在于:其中目標合金中各組分元素的質量百分比為:Mg為92.0%、Zn為2.0%、Al為4.0%、Y為1.0%和Ca為1.0%。
【文檔編號】C22C23/02GK103468988SQ201310420537
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月14日 優先權日:2013年9月14日
【發明者】王岳宸, 馬如玉, 趙維民, 王志峰 申請人:天津六合鎂制品有限公司