一种高强韧性低合金化镁锡铝锌合金的制备方法

摘要

本发明涉及一种高强韧性低合金化镁锡铝锌合金的制备方法，是针对镁及镁合金力学性能低的弊端，以高纯度镁、锡、铝、锡为原料，经熔炼、铸锭、挤压成型，制成高强韧性低合金化镁锡铝锌合金，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制成的镁锡铝锌合金纯度达99.8％，金相组织致密度好，晶粒尺寸≤2.86μm，屈服强度270.25MPa，抗拉强度310.5MPa，伸长率达18.98％，是先进高强韧性低合金化镁锡铝锌合金的制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强韧性低合金化镁锡铝锌合金的制备方法，属有色金属制备及应用的技术领域。

背景技术

镁及镁合金是最轻的有色金属材料，常在航空、航天、电子工业、医疗卫生领域得到应用，镁及镁合金强度低、硬度低、韧性差，极大的限制、影响了镁及镁合金的应用。

为了提升镁及镁合金的力学性能，常在镁合金中添加稀土元素，稀土元素的过量使用会使镁合金析出第二相，导致合金所需的挤压负荷增强，变形温度增加，致使合金的晶粒尺寸变大，反而降低了镁合金的力学性能。

为了提高镁合金的力学性能，扩大镁合金的应用范围，在镁合金中添加有色金属，生成低合金化合金，既可提升镁合金的力学性能，还可降低成本，增加和提高镁合金的强度和韧性，此项技术还在科学研究中。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，制备一种高强韧性低合金化镁合金，以降低成本，增强和提升镁合金的强度和韧性。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：镁、锡、铝、锌、无水乙醇、二氧化碳、氮气，其准备用量如下：以克、毫升、厘米³为计量单位

制备方法如下：

(1)、精选化学物质材料

对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

(2)、熔炼镁锡铝锌合金

镁锡铝锌合金的熔炼是在真空熔炼炉中进行的，是在中频感应加热、抽真空、惰性气体保护下完成的；

①制备开合式铸造模具

开合式铸造模具用不锈钢材料制作，模具型腔呈圆筒形，型腔尺寸为Φ40mm×60mm，型腔表面粗糙度为Ra 0.08～0.16μm；

②切制镁块，将镁块置于钢质平板上，用机械切制，成≤10mm×8mm×10mm的块状；

③配制镁、锡、铝、锌混合材料

称取切制好的镁块485g±0.001g、锡颗粒5g±0.001g、铝颗粒5g±0.001g、锌颗粒5g±0.001g，置于容器；

④清理真空熔炼炉

打开真空熔炼炉，清理炉腔及熔炼坩埚，然后用无水乙醇清洗，使其洁净；

向炉腔内输入氮气，氮气输入速度200cm³/min，氮气通入时间5min，驱除炉内有害气体；

⑤置放镁、锡、铝、锌混合材料

将配制的镁、锡、铝、锌混合材料置于熔炼坩埚内，关闭真空熔炼炉，并密闭；

⑥抽取炉内空气

开启真空熔炼炉的真空泵，抽去炉腔内空气，使炉腔内压强达到1Pa；

⑦向炉腔内输入CO₂+N₂混合气体

开启二氧化碳气体瓶、氮气气体瓶，向真空熔炼炉炉腔内输入混合气体，二氧化碳与氮气的比例为1∶1，混合后输入速度为200cm³/min，使炉腔内压强稳定在1个大气压；

⑧加热熔炼

开启中频感应加热器，加热熔炼坩埚内的镁、锡、铝、锌混合材料；加热温度720℃±1℃，加热时间30min，加热后，成镁锡铝锌合金熔液；镁、锡、铝、锌在加热熔炼过程中将发生合金化反应，反应方程式如下：

式中：α-Mg为α镁相，Mg_0.97Zn_0.03为镁锌相，Mg_0.976Al_0.003镁铝相，Mg_0.3Sn_1.7为镁锡相

熔炼后，合金化熔液静置10min；

⑨浇铸

熔炼后，开启真空熔炼炉，取出熔炼坩埚，对准模具浇口进行浇铸，浇铸后密闭浇口；

⑩冷却

将浇铸后的开合式模具及其内的铸件置于真空冷却炉内冷却，真空冷却炉内压强2Pa，冷却温度20℃；

(3)、脱模

打开真空冷却炉，取出并打开开合式模具，取出铸件，即为Φ40mm×40mm镁锡铝锌合金锭；

(4)、修整、清理、打磨、清洗

将镁锡铝锌合金锭置于钢质平板上，用机械进行修整、清理；然后用砂纸打磨合金锭周边及正反表面；用无水乙醇进行清洗，使其洁净，清洗后晾干；

(5)、热挤压镁锡铝锌合金锭

镁锡铝锌合金锭的热挤压是在立式挤压机上进行的；

①制备挤压模具

挤压模具用工具钢制作，模具型腔为圆筒形，圆筒形型腔尺寸为Φ40mm×30mm，表面粗糙度Ra 0.08～0.16μm；

②预热镁锡铝锌合金锭，将镁锡铝锌合金锭置于热处理炉内进行预热，预热温度300℃，预热时间30min；

③将挤压模具垂直置于挤压机的工作台上，在挤压模具内置放润滑油、挤压垫块，在挤压垫块上部置放镁锡铝锌合金锭，在镁锡铝锌合金锭上部置放上压块，上压块上部由挤压机的上压头垂直压牢；

开启挤压机，挤压压强600M Pa，挤压后成为Φ40mm×30mm的镁锡铝锌合金棒；

(6)、冷却

热挤压后将镁锡铝锌合金棒置于真空冷却炉中，在二氧化碳气体保护下冷却至25℃，冷却后成高强韧性低合金化镁锡铝锌合金棒；

(7)、清理，清洁

将冷却后的镁锡铝锌合金棒置于钢质平板上，用400目砂纸打磨周边及正反表面，使之光洁；

然后用无水乙醇擦洗镁锡铝锌合金棒周边及正反表面，使之洁净；

(8)、检测、分析、表征

对制备的镁锡铝锌合金棒的化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征；

用光学显微镜进行金相组织分析和晶粒尺寸测量；

用X射线衍射仪进行相分析；

用万能材料试验机进行力学性能测试；

结论：低合金化镁锡铝锌合金棒为银灰色，产物纯度99.8％，晶粒尺寸≤2.86μm；屈服强度270.25MPa，抗拉强度310.5MPa，伸长率达18.98％；

(9)产物储存

对制备的低合金化镁锡铝锌合金棒用软质材料包装，储存于阴凉洁净环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对镁及镁合金力学性能低的弊端，以高纯度镁、锡、铝、锡为原料，经熔炼、铸锭、挤压成型，制成高强韧性低合金化镁锡铝锌合金，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制成的镁锡铝锌合金纯度达99.8％，金相组织致密度好，晶粒尺寸≤2.86μm，屈服强度270.25MPa，抗拉强度310.5MPa，伸长率达18.98％，是先进的高强韧性低合金化镁锡铝锌合金的制备方法。

附图说明：

图1、镁锡铝锌合金熔炼状态图

图2、镁锡铝锌合金挤压状态图

图3、镁锡铝锌合金纵切面金相组织形貌图

图4、镁锡铝锌合金X射线衍射强度图谱

图5、镁锡铝锌合金拉伸性能图

图中所示，附图标记清单如下：

1、真空熔炼炉，2、炉座，3、炉盖，4、炉腔，5、工作台，6、熔炼坩埚，7、中频感应加热器，8、合金溶液，9、真空泵，10、真空管，11、氮气瓶，12、氮气管，13、氮气阀，14、二氧化碳瓶，15、二氧化碳管，16、二氧化碳阀，17、混合气体管，18、混合气体阀，19、混合气体，20、第一电控箱，21、第一显示屏，22、第一指示灯，23、第一电源开关，24、中频感应加热控制器，25、真空泵控制器，26、出气管阀，27、第一导线，28、第二导线，29、挤压机，30、底座，31、顶座、32、开合式圆筒形模具，33、上开合架。34、下开合架，35、下垫块，36、上压块，37、压杆，38、升降手柄、39、压力电机，40、第二电控箱，41、第二显示屏，42、第二指示灯，43、第二电源开关，44、压力电机控制器，45挤压速度控制器，46、镁锡铝锌合金棒。

图1所示，为镁锡铝锌合金熔炼状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。

制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米³为计量单位。

镁锡铝锌合金的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、惰性气体保护下完成的；

真空熔炼炉1为立式，真空熔炼炉1底部为炉座2、顶部为炉盖3、内部为炉腔4；真空熔炼炉1的右上部设有出气管阀26；在真空熔炼炉1的内底部设有工作台5，在工作台5上部垂直设有熔炼坩埚6，熔炼坩埚6内为合金熔液8；熔炼坩埚6外部为中频感应加热器7；在炉座2右下部设有真空泵9，真空泵9上部设有真空管10，真空管10穿过炉座2连通炉腔4；在真空熔炼炉1左部设有氮气瓶11、二氧化碳瓶14，氮气瓶11上部设有氮气管12、氮气阀13，二氧化碳瓶14上部设有二氧化碳管15、二氧化碳阀16，并连接混合气体管17、混合气体阀18，混合气体管17伸入炉腔4内，并向炉腔4内输入混合气体19；在真空熔炼炉1的右部设有第一电控箱20，在第一电控箱20上设有第一显示屏21、第一指示灯22、第一电源开关23、中频感应加热调控器24、真空泵控制器25；电控箱20通过第一导线27连接中频感应加热器7、通过第二导线28连接真空泵9。

图2所示，为镁锡铝锌合金棒挤压状态图，各部位置、连接关系要正确，安装牢固。

镁锡铝锌合金棒挤压是在立式挤压机上进行的，是在压力电机的压力下完成的；

挤压机29为立式，在挤压机29下部设有底座30、上部设有顶座31；在底座30上部垂直安装开合式圆筒形模具32，在开合式圆筒形模具32内部设有下垫块35，在下垫块35上部安装镁锡铝锌合金棒46，在镁锡铝锌合金棒46上部由上压块36压牢；在上压块36上部连接压杆37，压杆37上部通过通过顶座31连接压力电机39，压杆37右侧部设有升降手柄38；在挤压机29右部设有第二电控箱40，在第二电控箱40上设有第二显示屏41、第二指示灯42、第二电源开关43、压力电机控制器44、挤压速度控制器45。

图3所示，为镁锡铝锌合金纵切面金相组织形貌图，图中所示，合金晶粒细小，晶粒尺寸≤2.86μm。

图4所示，为镁锡铝锌合金X射线衍射强度图谱，图中所示，纵坐标为衍射强度，横坐标为衍射角2θ，镁锡铝锌合金主要由α-Mg相、Mg_0.97Zn_0.03相、Mg_0.976Al_0.003相、Mg_0.3Sn_1.7相组成。

图5、为镁锡铝锌合金拉伸性能图，图中所示，屈服强度270.25MPa，拉伸强度310.5MPa，伸长率达18.98％。