一类可铸造形成厘米尺度非晶态块体材料的镁合金制造技术

本发明专利技术提供了一类可以形成厘米尺度非晶态块体材料的镁合金，其特征在于，合金成分的表达式为：Ｍｇ↓［ａ］（Ｃｕ↓［１－ｘ］Ａｇ↓［ｘ］）↓［ｂ］Ｔ↓［ｙ］Ｒ↓［ｃ］Ｘ↓［ｚ］，其中ａ，ｂ，ｙ，ｃ，ｚ为原子百分比，Ｔ选自Ｎｉ、Ｚｎ、Ｐｄ中的至少一种元素，Ｒ选自Ｙ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｍｍ中的至少一种元素，Ｘ选自Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ中的至少一种元素，ａ＝４５～６５％，（ｂ＋ｙ）＝２５～４５％，（ｃ＋ｚ）＝８～１５％，ａ＋ｂ＋ｙ＋ｃ＋ｚ＝１００％，ｘ＝０．０１～０．５，ｙ≤５％，ｚ≤２％。本发明专利技术提供的镁合金可采用铜模浇铸方法铸造成临界尺寸为０．４至２．５厘米的非晶态合金块体材料或零部件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非晶态合金(或金属玻璃)，特别提供了一类可采用铜模铸造形成厘米尺度非晶态块体材料的镁合金
技术介绍
相对于普通的多晶体金属材料而言，非晶态合金(亦称金属玻璃)的主要结构特征为原子排列没有长周期的有序度，也没有晶界。因此具有高强度、耐腐蚀、各向同性等优异的性能。在汽车、飞行器、微型机械、微电子、体育用品、精密仪器、防盗设备、能量转换、医用材料等领域具有广泛的应用前景。普通的金属与合金从液态冷却时将发生结晶，凝固成多晶体结构的材料。非晶态合金通常是将合金熔体冷却至低于它的玻璃转变温度(一般用Tg表示)，避免发生明显的晶体形核与结晶，从而凝固形成非晶态(或玻璃态)结构的金属材料。自20世纪60年代起，人们发现某些合金如果以足够快的冷却速率冷却时可以产生过冷(低于熔点温度仍不发生结晶)，在室温下仍保持为极度粘滞的液相或者是玻璃相。所需的典型冷却速率大约为104K/秒至106K/秒。为了实现这样快的冷却速率，需要将少量的合金熔体与保持在室温附近的导热基板(如铜板)相接触。制约非晶态材料尺度的原因主要是由于必须以足够快的速率抽取热量以抑制结晶过程。因此，以前发展的大多数非晶态合金只能够得到粉末、薄带、细丝、薄片等形态，这些粉末、薄带、细丝、薄片可通过将合金熔体喷射在快速转动的冷却铜辊上、滴落在冷却的金属锤砧之间或者是将冷却的基板快速移动通过狭窄的喷嘴等方法来获得。合金熔体冷却时抵抗结晶的能力表现为熔体冷却形成非晶态所需临界冷却速率的大小。为了便于更广泛的实际生产或者应用，抑制结晶发生所需要的理想冷却速率为10-1～102K/秒数量级或者更低。随着合金本身临界冷却速率的降低，人们可以制备出具有更大横截面的非晶态部件。这样的合金在加热至过冷液态时能够有充分的时间进行工业规模的加工处理，而不发生结晶。临界冷却速率大致与块体材料几何尺寸的平方成反比，即Rc=10t2.]]>其中Rc表示临界冷却速率(单位为K/秒)，t表示厚度(以厘米为单位)。Rc越小，t越大。近年来，人们相继在锆基、钯基、铂基、钇基、钙基、铁基、铜基、镧基、钕基等为主要元素的合金中发现了可以用铜模铸造形成厘米量级厚度或直径的块体非晶态合金。这些合金的玻璃形成临界速率在数量级上小于10K/秒。通常，合金的本征非晶形成能力以及合金熔体的热稳定性主要依赖于合金的化学成分，而且对成分的变化十分敏感。有些情况下，元素含量1％(原子百分数)的变化可导致非晶形成能力的大幅度变化。合金成分的复杂化或多元化(即由多种合金元素组成)可以改进提高合金的本征玻璃形成能力，降低玻璃形成的临界冷却速率。对于镁合金来说，现已发现Mg-Zn(Ga、Gd)等二元合金，Mg-Zn(Sn)-Ga、Mg-Zn-Au、Mg-Cu-Ca、Mg-TM-X(TM为Cu或Ni)，X为Sn、Si、Ge、Zn、Sb、Bi或In)、Mg-TM-RE(TM为Cu或Ni，RE为稀土Y、Gd、Nd、La、Ce或Te)、Mg-TM-AE(TM为Cu或Ni，AE为碱土Ca、Sr或Ba)等三元合金，Mg-Cu-Zn(Al，Ag，Li)-Y等四元合金在某些特定的成分范围可由熔体冷却形成非晶态合金。不同合金形成非晶态的临界冷却速率差异很大，范围从106K/秒数量级至50K/秒数量级。三元以上合金的玻璃形成临界冷却速率明显低于二元合金，具有更强的非晶形成能力。例如，Mg65Cu20Zn5Y10(下标为原子百分比)合金可采用铜镆浇铸形成直径为6mm的金属玻璃圆棒。镁的密度仅为1.738克/立方厘米。镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料。与其它普通的金属结构材料和工程塑料相比，镁合金具有很多优良的特性如密度低、比强度高、机械加工性能优良、铸造性和阻尼减震性好、热导率高、尺寸稳定性高、电磁屏蔽性能优良、美观、易于回收利用等。镁在地壳中的含量相当丰富，而且具有很高的回收率。镁合金也因此被誉为“21世纪的绿色工程材料”。鉴于这些特点，镁合金在汽车、通信、电子、电器、航空、航天、交通、冶金、化学、电化学等行业中都有广泛的应用需求。非晶态镁合金具有很高的强度，其屈服强度约为600～800兆帕，是普通多晶体铸造镁合金的2至4倍，几乎可以同钢铁材料相媲美，但密度为3～4克/立方厘米，因此具有很高的比强度，作为结构材料可具有明显的减重效果，具有强非晶形成能力的镁合金可用于制备更大几何尺寸的棒材、板材或直接铸造成零部件，满足更为广泛的应用需求。
技术实现思路
本专利技术将提供一类易于制备成为非晶态结构的镁合金，用普通铜模浇铸的方法即可形成厘米尺度的非晶态块体材料或者零部件。这类材料具有高强度、低密度、高比强度的特点。本专利技术提供一类可采用铜模浇铸形成非晶态结构的多组元镁合金，其合金成分的表达式为Mga(Cu1-xAgx)bRc。其中a，b，c为原子百分比，R为元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一种，a＝45～65％，b＝25～45％，c＝8～15％，a+b+c＝100％，x＝0.01～0.5。在此成分范围的合金熔体浇铸至铜模内腔后，可形成非晶态结构的块体材料或者零部件。本专利技术提供一类可采用铜模浇铸形成非晶态结构的多组元镁合金，其合金成分的表达式为Mga(Cu1-xAgx)bTyRc。其中a，b，c，y为原子百分比，T为元素Ni、Zn、Pd中的至少一种，R为元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一种，a＝45～65％，(b+y)＝25～45％，c＝8～15％，a+b+y+c＝100％，x＝0.01～0.5，y≤5％。在此成分范围的合金熔体浇铸至铜模内腔后，可形成非晶态结构的块体材料或者零部件。本专利技术提供一类可采用铜模浇铸形成非晶态结构的多组元镁合金，其合金成分的表达式为Mga(Cu1-xAgx)bRcXz，其中a，b，c，z为原子百分比，R为元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一种，X为元素Zr、Nb、Cr中的至少一种，a＝45～65％，b＝25～45％，(c+z)＝8～15％，a+b+c+z＝100％，x＝0.01～0.5，z≤2％。在此成分范围的合金熔体浇铸至铜模内腔后，可形成非晶态结构的块体材料或者零部件。本专利技术提供一类可采用铜模浇铸形成非晶态结构的多组元镁合金，其合金成分的表达式为Mga(Cu1-xAgx)bTyRcXz，其中a，b，y，c，z为原子百分比，T为元素Ni、Zn、Pd中的至少一种，R为元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一种，X为元素Zr、Nb、Cr中的至少一种，a＝45～65％，(b+y)＝25～45％，(c+z)＝8～15％，a+b+y+c+z＝100％，x＝0.01～0.5，y≤5％，z≤2％。在此成分范围的合金熔体浇铸至铜模内腔后，可形成非晶态结构的块体材料或者零部件。本专利技术的多组元非晶态镁合金中，氧含量最好不超过0.1％(重量百分比)。本专利技术提供的多组元镁合金具有很好的非晶形成能力，经熔体铜模浇铸可形成非晶态结构的块体材料。铸件的几何形状取决于熔体浇铸所使用的铜模内腔设计，可以为圆柱体、棱柱、薄板、多面体等形状的零部件，铜模质量不小于15千克，以保证具有足够大的热容吸收熔体的热量，降低浇铸后熔体冷却导致的铜模温升。模具的温升应低于5℃。在使用圆柱形内腔的模具条件下，合金形成完全非晶态结构块体的临界厚度(或直径)为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一类易于通过熔体铜模浇铸形成非晶态结构的镁合金，其成分表达式为：Ｍｇ↓［ａ］（Ｃｕ↓［１－ｘ］Ａｇ↓［ｘ］）↓［ｂ］Ｒ↓［ｃ］，其中ａ，ｂ，ｃ为原子百分比，Ｒ为元素Ｙ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｍｍ（Ｍｍ为混合稀土）中的至少一种，ａ＝４５～６５％，ｂ＝２５～４５％，ｃ＝８～１５％，ａ＋ｂ＋ｃ＝１００％，ｘ＝０．０１～０．５。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：麻晗，徐坚，史玲玲，郑强，沈勇，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]