一種鎂合金及其結構強度增強方法與流程
2023-09-10 07:51:30 1
本發明涉及鎂基合金領域，具體涉及一種鎂合金及其結構強度增強方法。
背景技術：
鎂合金是以鎂元素為主體並加入其他元素組成的合金材料，具有密度小、耐腐蝕、變形剛度大、結構強度高、彈性模量大、散熱性能好、承載衝擊變形能力強等眾多優良的理化特性和力學特徵。目前使用最為廣泛的當屬鎂鋁合金，其次為鎂錳合金以及鎂鋅合金等，由於具有質量輕強度高的特點，鎂合金廣泛應用在航空航天工藝、汽車製造工業、醫藥化工行業等工業製造領域。
鎂合金的分類方式主要有三種：從包含的鋁、錳、鋅、鋯以及稀土元素等五種主要元素為要素而從化學成分進行區分，從加工製造工藝則可以區分為鑄造鎂合金和變形鎂合金等兩大類。而是否含有鋯元素也是區分鎂合金的一個方法。不同的化學元素以及成分含量對於鎂合金的性能以及加工方法有著不同的影響，鋁、錳、鋅以及稀土元素對於增強鎂合金的耐蝕性能和提高力學性能有積極的促進作用。
採用熔煉法進行鎂合金鑄造時，由於鎂元素和氧元素的化學結合力很強，使得熔化後的鎂很容易被氧化而發生劇烈的化學反應。因此採用鑄造法熔煉鎂合金時必須採取防止氧化和燃燒的可靠措施。
中國專利CN201410402527.7公開了一種高強度鎂合金，該發明採用熔鑄的方法在鎂鋁合金中添加了鎢鈦合金來改善鎂合金的組織性能。但是該專利使用的鎢鈦合金由於比重大、煉製難度高抵消了鎂鋁合金的突出優勢。
因此，針對鑄造法鎂合金的強度不足的缺點，需要發明一種提高鎂合金結構強度的方法。
技術實現要素：
本發明針對上述問題，提供一種鎂合金及其結構強度增強方法。
本發明解決上述問題所採用的技術方案是：一種鎂合金，由下述質量百分數的原料製備而成：Al 5.4％～9.5％，Zn 0.56％～4.35％，Ca 0.27％～0.83％，稀土元素0.1％～0.4％，其餘為Mg。
進一步地，稀土元素由下述質量百分數的原料製備而成：25％～45％Nd，25％～35％Ce，12％～18％Y，8％～12％La，5％～10％Sc，3％～5％Sm。
本發明的另一發明目的，在於提供一種上述鎂合金的結構強度增強方法，包括以下步驟：
步驟S1，熔煉：將坩堝爐預熱至250℃～300℃，保溫2h～4h，加入所述質量百分數的Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg單質，加入保護熔劑，同時通入保護氣體，將坩堝爐加熱升溫至550℃～650℃，使Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg完全熔化，濾除液相表面漂浮的保護熔劑，使坩堝爐繼續升溫至700℃～720℃精煉15min～30min，得到表面光亮的鎂合金液態熔體；
步驟S2，析晶：在溫度為700℃～720℃時將碳酸鎂細顆粒加入到步驟S1得到的鎂合金液態熔體中，攪拌均勻，保溫20min～25min，繼續使坩堝爐溫度升高至780℃～850℃，保溫5min～30min，形成光亮液相；
步驟S3，鑄造：將步驟S2得到的光亮液相快速冷卻至570℃～600℃，以0.5m/s～5m/s的速度澆鑄到砂型中，使用50℃～70℃的液相水進行水淬冷卻，經後續鍛造加工處理，即得結構強度增強的鎂合金。
進一步地，步驟S1中，保護熔劑由下述質量百分數的原料混合而成：NaCl 10％～15％，H3BO3 10％～15％，KCl 35％～40％，MgCl2 35％～40％。
進一步地，步驟S1中，保護氣體為：N2 20％～30％，SF6 5％～10％，其餘為惰性氣體。
進一步地，步驟S2中，碳酸鎂細顆粒的質量為：Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg單質總質量的1％～2％。
進一步地，步驟S2中，坩堝爐溫度升高的升溫速率為：20℃/min～30℃/min。
進一步地，步驟S3中，水淬冷卻的冷卻速率為：50℃/min～70℃/min。
進一步地，步驟S3中，結構強度增強的鎂合金的屈服強度為210MPa～250MPa，抗拉強度為350MPa～400MPa。
本發明的優點是：
1.本發明在鎂合金組成中含有混合稀土元素成分，能夠使鎂合金的晶粒結構細化，提高耐熱性能，減小疏鬆和熱裂，改善鑄造性能和機械加工性能，顯著提高結構強度，全面提高鎂合金的綜合性能；
2.本發明的增強方法中採用含有硼酸的熔融鹽和混合保護氣體提高了鎂合金熔煉的操作安全性，同時熔煉時以細小晶粒為形核中心促進了鎂合金結構組織的充分發育和生長，從微觀層面上提高了鎂合金的晶粒均勻度，有利於提高鎂合金強度；
3.本發明的增強方法控制方法明確，工藝流程規範，產品質量穩定，產出效果良好，適用範圍廣闊。
具體實施方式
以下對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
實施例1
一種鎂合金，由下述質量百分數的原料製備而成：Al 5.4％，Zn 0.56％，Ca 0.27％，稀土元素0.1％，其餘為Mg。
進一步地，稀土元素由下述質量百分數的原料製備而成：25％Nd，35％Ce，18％Y，12％La，5％Sc，5％Sm。
實施例2
一種鎂合金，由下述質量百分數的原料製備而成：Al 9.5％，Zn 4.35％，Ca 0.83％，稀土元素0.4％，其餘為Mg。
進一步地，稀土元素由下述質量百分數的原料製備而成：45％Nd，25％Ce，12％Y，8％La，7％Sc，3％Sm。
實施例3
一種鎂合金，由下述質量百分數的原料製備而成：Al 7.5％，Zn 2.5％，Ca 0.55％，稀土元素0.25％，其餘為Mg。
進一步地，稀土元素由下述質量百分數的原料製備而成：35％Nd，30％Ce，13％Y，8％La，10％Sc，4％Sm。
實施例4
一種鎂合金的結構強度增強方法，包括以下步驟：
步驟S1，熔煉：將坩堝爐預熱至250℃，保溫2h，加入所述質量百分數的Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg單質，加入保護熔劑，同時通入保護氣體，將坩堝爐加熱升溫至550℃，使Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg完全熔化，濾除液相表面漂浮的保護熔劑，使坩堝爐繼續升溫至700℃精煉15min，得到表面光亮的鎂合金液態熔體；其中，保護熔劑由下述質量百分數的原料混合而成：NaCl 10％，H3BO3 15％，KCl 35％，MgCl2 40％；保護氣體為：N2 20％，SF6 5％，其餘為惰性氣體。
步驟S2，析晶：在溫度為700℃時將碳酸鎂細顆粒加入到步驟S1得到的鎂合金液態熔體中，攪拌均勻，保溫20min，繼續使坩堝爐溫度以20℃/min的升溫速率升高至780℃，保溫5min，形成光亮液相；其中，碳酸鎂細顆粒的質量為：Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg單質總質量的1％；
步驟S3，鑄造：將步驟S2得到的光亮液相快速冷卻至570℃，以0.5m/s的速度澆鑄到砂型中，使用50℃的液相水進行水淬冷卻，經後續鍛造加工處理，即得結構強度增強的鎂合金；其中，水淬冷卻的冷卻速率為：50℃/min。
對本實施例製得的結構強度增強的鎂合金根據ASTM B94進行力學性能測試，測試結果為：
實施例5
一種鎂合金的結構強度增強方法，包括以下步驟：
步驟S1，熔煉：將坩堝爐預熱至300℃，保溫4h，加入所述質量百分數的Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg單質，加入保護熔劑，同時通入保護氣體，將坩堝爐加熱升溫至650℃，使Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg完全熔化，濾除液相表面漂浮的保護熔劑，使坩堝爐繼續升溫至720℃精煉30min，得到表面光亮的鎂合金液態熔體；其中，保護熔劑由下述質量百分數的原料混合而成：NaCl 15％，H3BO3 10％，KCl 40％，MgCl2 35％；保護氣體為：N2 30％，SF6 10％，其餘為惰性氣體。
步驟S2，析晶：在溫度為720℃時將碳酸鎂細顆粒加入到步驟S1得到的鎂合金液態熔體中，攪拌均勻，保溫25min，繼續使坩堝爐溫度以30℃/min的升溫速率升高至850℃，保溫30min，形成光亮液相；其中，碳酸鎂細顆粒的質量為：Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg單質總質量的2％；
步驟S3，鑄造：將步驟S2得到的光亮液相快速冷卻至600℃，以5m/s的速度澆鑄到砂型中，使用70℃的液相水進行水淬冷卻，經後續鍛造加工處理，即得結構強度增強的鎂合金；其中，水淬冷卻的冷卻速率為：70℃/min。
對本實施例製得的結構強度增強的鎂合金根據ASTM B94進行力學性能測試，測試結果為：
實施例6
一種鎂合金的結構強度增強方法，包括以下步驟：
步驟S1，熔煉：將坩堝爐預熱至280℃，保溫3h，加入所述質量百分數的Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg單質，加入保護熔劑，同時通入保護氣體，將坩堝爐加熱升溫至600℃，使Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg完全熔化，濾除液相表面漂浮的保護熔劑，使坩堝爐繼續升溫至710℃精煉22min，得到表面光亮的鎂合金液態熔體；其中，保護熔劑由下述質量百分數的原料混合而成：NaCl 12％，H3BO3 13％，KCl 38％，MgCl2 37％；保護氣體為：N2 25％，SF6 8％，其餘為惰性氣體。
步驟S2，析晶：在溫度為710℃時將碳酸鎂細顆粒加入到步驟S1得到的鎂合金液態熔體中，攪拌均勻，保溫22min，繼續使坩堝爐溫度以25℃/min的升溫速率升高至810℃，保溫22min，形成光亮液相；其中，碳酸鎂細顆粒的質量為：Al、Zn、Ca、稀土元素、Mg單質總質量的1.5％；
步驟S3，鑄造：將步驟S2得到的光亮液相快速冷卻至585℃，以2.7m/s的速度澆鑄到砂型中，使用60℃的液相水進行水淬冷卻，經後續鍛造加工處理，即得結構強度增強的鎂合金；其中，水淬冷卻的冷卻速率為：60℃/min。
對本實施例製得的結構強度增強的鎂合金根據ASTM B94進行力學性能測試，測試結果為：
以上僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。