一种高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料

摘要

本发明涉及一种高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料，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%，Fe=12%～21%，余量为Mg和不可避免的杂质；其中，Fe以游离的Fe颗粒形式存在。其生产工艺流程为：先熔炼出Mg-Zn-Ca合金液，而后将Fe颗粒加入合金液中感应加热，最终制得成分均匀的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料。本发明复合材料具有高强度高塑性的特点，同时又保留了原共晶成分铸造性能优良的特性，使得该合金具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及含铁颗粒的高强度高塑性多元镁合金及其制造方法，具体的说是高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料。

 

背景技术

镁的弹性模量比较小，在受力作用下能产生较大的变形，因而镁合金在冲击载荷作用下，能吸收较大的冲击能，可制造承受冲击的零件。镁及其合金作为最轻的常用金属结构材料，已受到人们越来越多的关注，并已在国防军工、航空航天、高速轨道交通、电子通讯等领域得到了一定程度的应用。而Zn合金具有优良的抗大气腐蚀性能，在常温下表面易生成一层保护膜，被主要用于钢材和钢结构件的表面镀层(如镀锌板)，广泛用于汽车、建筑、船舶、轻工等行业。Mg-Zn基合金一直以来受到人们的广泛关注。在Mg-Zn合金中添加一定量的Ca形成的Mg-Zn-Ca系（ZX系）合金在近几年来受到广大学者的关注。由于Ca的质量轻，细化晶粒效果好，可明显的提高合金的比强度。然而Ca提高合金强度仍是有限。

当前人们研究Mg-Zn合金主要都集中在较低锌含量合金中，主要研究Zn的固溶强化以及时效强化。简单的Mg-Zn二元铸造合金由于存在较大的热冷缩敏感性、铸造缺陷较大、强度不高、塑性较低、不易焊接、时效析出组织粗大且不均匀分布等缺点，大大限制了在实际工业上的生产和应用。

CN200510111792.0公开了“生物体内可吸收的Mg-Zn-Ca-Fe多元镁合金材料”，该成份含量为：Zn:1～8wt%，Ca:0.1～2wt%，Fe:0.1-2 wt%，其余为Mg和不可避免的杂质元素。该专利合金经氩气保护熔炼、热处理及热加工后，其强度为210MPa-300MPa，塑性为2%-12%。该专利合金主要涉及的是一种生物医用领域的多元镁合金，而非工程应用领域的合金，该合金强度还达不到某些工程结构材料的应用要求。同时由于较低的合金元素含量，该合金仍为变形镁合金范畴，这就限制了该合金的铸造性能。而且，该合金中Fe含量较低，并未与基体作用形成复合材料，且Fe的存在形式未经说明。

借助合金在共晶成分附近一般都具有良好的铸造性能这个特点，我们选取了Mg-Zn-Ca三元共晶成分进行熔炼，对合金添加一定量的Fe颗粒形成Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料，从而改善镁合金的综合力学性能和使用性能，拓展其应用范围。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明解决的技术问题是如何改善镁合金强度，提供高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料。本发明的另一目的是提供所述高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料的制备方法。

本发明采用的技术方案如下： 

高强度高塑性的Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料，其特征在于，所述复合材料各组分及其质量百分含量为： Zn=35%～38%，Ca=2%～4%，Fe=12%～21%，余量为Mg和不可避免的杂质；其中，Fe以游离的Fe颗粒形式存在。

本发明Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料的制备过程如下：

（1） 按照上述Mg-Zn-Ca合金组分计算需要原料的重量，原料采用工业纯镁（纯度99.9%）、高纯锌（纯度99.995%）、Mg-Ca中间合金（Mg-33.17.wt%Ca）；采用氩气保护感应熔炼，在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续感应搅拌5分钟、得到均匀Mg-Zn-Ca合金液； 

（2）按照上述Fe颗粒组分计算所需要的工业纯还原Fe颗粒（纯度99.9%, 颗粒大小200目）的质量，在氩气保护气氛下，将Fe颗粒与Mg-Zn-Ca合金液混合，同时仍继续在850℃保温并电磁感应搅拌5分钟后进行水冷，得到均匀的Fe颗粒复合材料，制得复合材料合金锭。

本发明中所制备的复合材料经X射线衍射(XRD) （如图1所示）和差热分析(DSC)证实， Fe粉的加入没有引入新的合金相，完全以Fe颗粒的形式存在于合金中。

相比现有技术，本发明具有以下优点： 

1、本发明配方设计独特，添加质量分数为12%～21%的Fe颗粒并没有改变原有合金的组织结构，也没有改变合金的热力学行为，保留了原有合金良好的铸造性能的特点，同时大幅度提高了原有合金的力学性能。该复合材料具有高强度高塑性的特点，同时又保留了原共晶成分铸造性能优良的特性，使得该合金具有广阔的应用前景。

2、本发明工艺方法简单，熔炼温度和时间容易控制，具有较好的可操作性。

3、本发明中的元素Mg、Zn、Ca、Fe均为常见的元素，原料资源丰富，同时不含稀土元素，成本较低。

 

附图说明：

图1为Mg-Zn-Ca共晶合金及添加Fe颗粒后Mg-Zn-Ca/Fe颗粒X射线衍射图谱。

图2为Mg-Zn-Ca共晶合金及添加Fe颗粒后Mg-Zn-Ca/Fe颗粒的力学性能曲线。

 

具体实施方式：

实施例1：

一种高强度高塑性Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料，其重量百分比Mg为46.8%，Zn为37.2%，Ca为3.6%，Fe为12.4%。原材料工业纯镁纯度大于99.9%，高纯锌纯度大于99.995%，Mg-Ca中间合金（Mg-33.17.wt%Ca），工业还原Fe粉。先将纯镁，纯锌，Mg-Ca中间合金在氩气保护下熔炼在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续感应搅拌5分钟、得到均匀Mg-Zn-Ca合金液；而后在氩气保护下添加Fe粉，同时仍继续在850℃保温并电磁感应搅拌5分钟后进行水冷，得到混合均匀的Fe颗粒复合材料，最终制得复合材料合金锭。

对该材料进行力学性能测试，该复合材料具有良好的力学性能，其屈服强度σ_y=536.02Mpa，抗拉强度：σ_b=694.28Mpa，延伸率：ε=11.6%。

实施例2：

一种高强度高塑性Mg-Zn-Ca/Fe颗粒复合材料，其重量百分比Mg为41.7%，Zn为35.1%，Ca为2.4%，Fe为20.8%。原材料工业纯镁纯度大于99.9%，高纯锌纯度大于99.995%，Mg-Ca中间合金（Mg-33.17.wt%Ca），工业还原Fe粉。先将纯镁，纯锌，Mg- Ca中间合金在氩气保护下熔炼在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续感应搅拌5分钟、得到均匀Mg-Zn-Ca合金液；而后在氩气保护下添加Fe粉，同时仍继续在850℃保温并电磁感应搅拌5分钟后进行水冷，得到混合均匀的Fe颗粒复合材料，最终制得复合材料合金锭。

对该材料进行力学性能测试，该复合材料具有良好的力学性能，其屈服强度σ_y=507.74Mpa，抗拉强度：σ_b=672.72Mpa，延伸率：ε=14.2%。

综上，结合附图1和图2可知，本发明添加质量分数为12%～21%的Fe颗粒并没有改变原有合金的组织结构，也没有改变合金的热力学行为，保留了原有合金良好的铸造性能的特点，同时大幅度提高了原有合金的力学性能。本发明复合材料可以很好的满足当前结构材料的要求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。