一种Mg-Cd系增强型的镁基合金及其制备方法

摘要

一种Mg-Cd系增强型的镁基合金，按重量百分比含有如下组分：Cd 6-7％，Bi 1.5-2％，Ba 0.8-0.9％，Ca 0.7-0.8％，Zn 2.5-3％，Al 2-3％，Sr 0.8-1％、Pr 0.35-0.4％，Nd 0.4-0.5％，Y0.4-0.5％，Yb 0.1-0.2％，Zr 0.5-0.6％，Sn 1-1.2％，Mn 1.3-1.4％，Cu 0.4-0.5％，Ti 0.3-0.35％，Nb 1.5-1.6％，Hf0.1-0.2％，纳米碳化钨2-3％石墨烯5-6％，氮化硅晶须4-6％，余量为Mg。该合金的抗拉性能、屈服性能以及韧性得到大幅度提高。

说明书

技术领域

本发明涉及合金材料领域，尤其是一种Mg-Cd系增强型的镁基合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是以镁为原料的高性能轻型结构材料，比重与塑料相近，刚度、强度不亚于铝， 具有较强的抗震、防电磁、导热、导电等优异性能，并且可以全回收无污染，在机械、电子 航天航空灯领域被广泛应用。但是镁合金拉伸倾点和屈服强度低，抗蠕变性能差，限制了其 应用。镁合金的应用不如铝合金广泛，而我国的镁储量世界第一，铝土矿资源却非常贫乏， 仅能供应中国生产10年，因此提高镁合金性能、发展镁合金产业符合中国的资源战略。

专利CN101003083A涉及一种使Mg-Al-Zn基铸造镁合金获得高强度高韧性的方法，该 方法改进了镁基合金的锻造步骤，改变了合金的微观结构，提高了镁基合金的性能，但是该 合金仍难满足更高场合对镁基合金的要求。

专利CN 101495660A涉及一种高强度镁基合金及其制备方法，该合金中加入了Zr、Ti、 Hf等元素，改变了提高了合金的性能，该合金的性能仍需进一步提高。

专利CN101603137A涉及一种高强韧性镁合金，该合金中加入了Nd，Zr等元素，提高 了镁基合金的强度和韧性，但是该合金拉伸性能不高。

从现有技术和国家资源战略的角度来看，急需提高镁合金的各项性能，拓宽其应用领域， 尤其是对镁基合金要求较高的领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Mg-Cd系增强型的镁基合金及其制备方法。

为了达到此目的，本发明采用以下技术方案：

一种Mg-Cd系增强型的镁基合金，其特征在于，按重量百分比含量含有：Cd 6-7％，Bi 1.5-2％，Ba 0.8-0.9％，Ca 0.7-0.8％，Zn 2.5-3％，Al 2-3％，Sr 0.8-1％、Pr 0.35-0.4％，Nd 0.4-0.5％， Y 0.4-0.5％，Yb 0.1-0.2％，Zr 0.5-0.6％，Sn 1-1.2％，Mn 1.3-1.4％，Cu 0.4-0.5％，Ti 0.3-0.35％， Nb 1.5-1.6％，Hf 0.1-0.2％，纳米碳化钨2-3％石墨烯5-6％，氮化硅晶须4-6％，余下组分为 Mg。

上述Mg-Cd系增强型的镁基合金优选的组成为：

按重量百分比含量含有：Cd 6.5％，Bi 1.8％，Ba 0.85％，Ca 0.75％，Zn 2.7％，Al 2.5％， Sr 0.9％、Pr 0.38％，Nd 0.45％，Y 0.45％，Yb 0.15％，Zr 0.55％，Sn 1.1％，Mn 1.35％，Cu 0.45％，Ti 0.32％，Nb 1.55％，Hf0.15％，纳米碳化钨2.5％石墨烯5.5％，氮化硅晶须4.5％， 余下组分为Mg。

本发明镁基合金的制备方法如下：

(1)按照本发明所述的比例取各组分原料-纯Mg锭、纯Cd锭、纯Zn锭、纯Al锭、其 他合金元素，以及纳米碳化钨、氮化硅晶须和石墨烯颗粒；

(2)将纯Mg锭在惰性气体保护下进行熔化，然后加入纯Cd锭、纯Zn锭、纯Al锭以及 其他合金元素充分熔化；再加入预热后的纳米碳化钨、氮化硅晶须和石墨烯颗粒，机械搅拌 20-30min，使其混合均匀，随后在500-900W的超声功率下进行超声处理，然后进一步熔炼， 熔炼的同时继续进行搅拌，熔炼完成后充分静置；

(3)精炼：继续升高温度至750℃以上，进行精炼，精炼完成后保温静置；

(4)将步骤(3)获得的合金溶液浇铸已经预热的模具中冷却。

其中步骤(2)中超声处理的时间为30min-2h。

本发明具有以下优点：

纳米碳化钨以及氮化硅晶须的加入，提高了Mg-Cd系镁基合金的强度以及拉伸性能。

石墨烯的加入改变了镁基合金的含碳量，提高了其力学性能。

四种稀土元素Pr、Nd、Y、Yb同时加入，改变了合金的微观组织结构，提高了镁基合 金的耐热性能，并且提高了其铸造性能。

Mn、Cu、Ti以及Nb的加入，优化了合金的组成，提高了其性能。

Bi、Sn以及Hf等元素的加入，进一步提高了合金的力学性能。优选，所述继续升高温 度至800、900、1000、1100、1200℃。

具体实施方式

实施例1：

制备的Mg-Cd系增强型的镁基合金的成分及其重量比为：Cd 6％，Bi 1.5％，Ba 0.8％， Ca 0.7％，Zn 2.5％，Al 2％，Sr 0.8％、Pr 0.35％，Nd 0.4％，Y 0.4％，Yb 0.1％，Zr 0.5％， Sn 1％，Mn 1.3％，Cu 0.4％，Ti 0.3％，Nb 1.5％，Hf0.1％，纳米碳化钨2％石墨烯5％， 氮化硅晶须4％，余下组分为Mg。

所述Mg-Cd系增强型的镁基合金的制备方法如下：

(1)按照特定的比例取各组分原料-纯Mg锭、纯Cd锭、纯Zn锭、纯Al锭、其他合金 元素，以及纳米碳化钨、氮化硅晶须和石墨烯颗粒；

(2)将纯Mg锭在惰性气体氮气的保护下进行熔化，然后加入纯Cd锭、纯Zn锭、纯Al 锭以及其他合金元素充分熔化；再加入预热后的纳米碳化钨、氮化硅晶须和石墨烯颗粒，机 械搅拌20-30min，使其混合均匀，随后在500-900W的超声功率下进行超声处理，超声处理 的时间优选为30min-2h，随后进一步熔炼，熔炼的同时继续进行搅拌，熔炼完成后充分静置；

(3)精炼：继续升高温度至750℃以上，进行精炼，精炼完成后保温静置；

(4)将步骤(3)获得的合金溶液浇铸已经预热的模具中冷却。

在室温下对上述合金进行性能测定，结果显示该合金的综合力学性能较现有技术有很大 改善，其中断裂韧性为10.7MPam^1/2，抗拉强度是501MPa，屈服强度为415MPa。

实施例2：

制备如下组分和重量比的Mg-Cd系增强型的镁基合金：Cd 7％，Bi 2％，Ba 0.9％，Ca 0.8％，Zn 3％，Al 3％，Sr 1％、Pr 0.4％，Nd 0.5％，Y 0.5％，Yb 0.2％，Zr 0.6％，Sn 1.2％， Mn 1.4％，Cu 0.5％，Ti 0.35％，Nb 1.6％，Hf 0.2％，纳米碳化钨3％石墨烯6％，氮化硅 晶须6％，余下组分为Mg。

所述镁基合金的制备方法如下：

(1)按照特定的比例取各组分原料-纯Mg锭、纯Cd锭、纯Zn锭、纯Al锭、其他合金 元素，以及纳米碳化钨、氮化硅晶须和石墨烯颗粒；

(2)将纯Mg锭在惰性气体氮气的保护下进行熔化，然后加入纯Cd锭、纯Zn锭、纯Al 锭以及其他合金元素充分熔化；再加入预热后的纳米碳化钨、氮化硅晶须和石墨烯颗粒，机 械搅拌20-30min，使其混合均匀，随后在500-900W的超声功率下进行超声处理，超声处理 的时间优选为30min-2h，随后进一步熔炼，熔炼的同时继续进行搅拌，熔炼完成后充分静置；

(3)精炼：继续升高温度至750℃以上，进行精炼，精炼完成后保温静置；

(4)将步骤(3)获得的合金溶液浇铸已经预热的模具中冷却。

在室温下对上述合金进行性能测定，结果显示该合金的综合力学性能较现有技术有很大 改善，其中断裂韧性为12.9MPam^1/2，抗拉强度是523MPa，屈服强度为430MPa。

实施例3：

通过多因素和单因素试验对Mg-Cd系增强型的镁基合金的各组分的比例进行优化，选择 力学性能最优的合金组分。具体地，本发明优选的效果最佳的镁基合金，按重量百分比含有 如下组分：Cd 6.5％，Bi 1.8％，Ba 0.85％，Ca 0.75％，Zn 2.7％，Al 2.5％，Sr 0.9％、Pr 0.38％， Nd 0.45％，Y 0.45％，Yb 0.15％，Zr 0.55％，Sn 1.1％，Mn 1.35％，Cu 0.45％，Ti 0.32％， Nb 1.55％，Hf0.15％，纳米碳化钨2.5％石墨烯5.5％，氮化硅晶须4.5％，余下组分为Mg。

所述镁基合金的制备方法如下：

(1)按照上述比例取各组分原料-纯Mg锭、纯Cd锭、纯Zn锭、纯Al锭、其他合金元 素，以及纳米碳化钨、氮化硅晶须和石墨烯颗粒；

(2)将纯Mg锭在惰性气体氮气的保护下进行熔化，然后加入纯Cd锭、纯Zn锭、纯Al 锭以及其他合金元素充分熔化；再加入预热后的纳米碳化钨、氮化硅晶须和石墨烯颗粒，机 械搅拌20-30min，使其混合均匀，随后在500-900W的超声功率下进行超声处理，超声处理 的时间优选为30min-2h，随后进一步熔炼，熔炼的同时继续进行搅拌，熔炼完成后充分静置；

(3)精炼：继续升高温度至750℃以上，进行精炼，精炼完成后保温静置；

(4)将步骤(3)获得的合金溶液浇铸已经预热的模具中冷却。

在室温下对上述合金进行性能测定，结果显示该合金的综合力学性能最佳，其中断裂韧 性为14.8MPam^1/2，抗拉强度是550MPa，屈服强度为446MPa。

表1：实施例1-3合金的力学性能

表1的数据表明，本申请所制备的合金具有优良的抗拉强度、屈服强度以及断裂韧性， 为拓展镁基合金的应用提供了强大的技术支持。