一種高強鎂合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高強鎂合金及其制備方法，尤其是一種納米添加物增強鎂合金及 其制備方法。
【背景技術】
[0002] 鎂合金是一種低密度的金屬材料，作為工程材料，其結構輕、耐氧化，目前已經在 手持電子設備、汽車、航空航天等領域中應用。不過，鎂合金的強度并不高。作為工程材料， 人們通常期望高強度的材料，但是，由于鎂合金的原子結構特點，其塑性差，目前傳統的加 工手段不能得到高強度的鎂合金。
[0003] 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%，此方法工藝先進新穎，數據準確翔實，增強效果好，是十分理想的鎂合金摻雜SiC顆粒 的增強方法。
[0004] 中國專利103320631A提供了一種鎂合金摻雜SiC顆粒的增強方法，其使用的化 學物質材料為：鎂合金塊、細碳化硅、粗碳化硅、氫氟酸、去離子水、六氟化硫、二氧化碳。鎂 合金摻雜SiC顆粒的增強方法如下：（1)精選化學物質材料：對使用的化學物質材料進行精 選，并進行質量純度、濃度控制；（2)預處理碳化硅；（3)熔鑄鎂合金、摻雜SiC顆粒熔煉鎂 合金、摻雜SiC顆粒是在熔煉坩堝中進行的，是在加熱、攪拌、氣體保護下完成的；（4)澆鑄 成錠、加壓凝固；（5)熱擠壓鎂合金復合材料鑄錠的熱擠壓是在熱擠壓機上進行的，是在圓 筒形模具內、在加壓過程中完成的；（6)冷卻將經過熱擠壓的鎂合金復合材料棒，埋入細砂 中，使其自然冷卻至25°C; (7)清理將熱擠壓、冷卻后的鎂合金復合材料棒用砂紙打磨，使表 面光潔；（8)檢測、分析和表征對制備的鎂合金復合材料棒的色澤、顯微組織、力學性能、耐 磨性進行檢測、分析和表征；結論：摻雜SiC顆粒的鎂合金復合材料棒為銀白色，顯微組織 致密，細SiC顆粒和粗SiC顆粒在鎂合金棒中分布均勻，屈服強度達320MPa±2MPa，硬度達 120HV±5HV，耐磨性提高80%。
[0005] 中國專利CN104109790A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)。本發明所提供的高強鎂合金材料及其制備方法，通過連續 鑄造的方式取代傳統的擠壓工藝，以短流程的方式完成鎂合金的生產，縮短了生產流程， 節約了成本，所制備的鎂合金材料相比于傳統的鎂合金材料，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。該發明制備的合金的強度最高可達到380MPa， 不過其延伸率很低，只有5%。
[0006] 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%。
[0007] 以上發明都致力于提高鎂合金的性能特別是強度性能，不過，其發明的鎂合金的 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]
【發明內容】
： 發明目的：為了拓展鎂合金的應用領域，發揮其低密度的有點，本發明提供了一種高強 度鎂合金及其制備方法。
[0009] 本發明的技術方案如下： 采用在納米顆粒增強的方法，在熔煉的過程中向鎂合金中摻入添加物，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，進一步細 化晶粒，提高合金的強度。根據本發明，可以制備一種納米顆粒增強的高強鎂合金。其顯微 組織中的平均晶粒直徑在100納米以下，納米顆粒的直徑在200納米以下，鎂合金的屈服強 度在400MPa以上。
[0010] 具體制備方法包括以下步驟： (1) 準備原料：準備99. 9%以上的高純鎂與高純合金元素，以及平均粒徑為200納米以 下的納米添加物； (2) 熔煉合金：將高純鎂與合金元素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添加物，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，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，對 合金施加高壓，并旋轉壓砧以扭轉合金圓盤，使之發生扭曲形變。
[0011] 其中，步驟（1)中的保護氣體為〇)2與SF6的混合氣體，步驟（3)中，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;旋轉速度每分鐘2~5轉，一共旋轉 3-20 圈。
[0012] 本發明所采用的納米添加物包含但不限于碳化硅、氧化硅、氧化鈦；本發明所采用 的合金元素包含但不限于鋅、鋁、銅、鐵、錳、鉬、鈦。
[0013] 作為優選，0)2與SF6的體積比的范圍是50:1~100:1; 作為優選，步驟（2)中所加入的添加物顆粒占合金的質量分數為1. 5~5%; 作為優選，所采用的納米添加物的顆粒度平均為60-120納米。
[0014] 有益的效果： 本發明采用高強度的納米添加物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。
[0015] 本發明采用高溫金屬液體狀態下進行超聲分散，有效解決了納米顆粒在金屬中很 難分散均勻的問題。在液態金屬狀態下使用超聲分散，可以將納米顆粒分散均勻，以解決傳 統混合、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，進一步增強納米顆粒強化的效果；同時合金元素的含量也會增加。
[0016] 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。最終合金的平均晶粒直徑一般在100納米以下，根據霍爾-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。通過本發明制備的鎂合金，其屈 服強度可以高達400MPa以上，可以應用于汽車輕量化工程、航天航空工程等領域。鎂合金 的平均晶粒在1〇〇納米以下，合金的屈服強度在400M