一种高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属材料工程技术领域，提供了一种高强度铸造Mg‑Zn‑Cu‑Zr合金及其制备方法。其各组分的质量百分数为：Zn 4％～10％，Cu 0.1％～1.0％，Zr 0.1％～0.5％，余量为Mg。其中低成本元素Zr的添加不仅可以细化晶粒，还能降低其他杂质元素对合金组织和性能的损害。通过对常规铸造Mg‑Zn‑Cu‑Zr合金在GPa级高压下进行凝固，细化了合金凝固组织，改善了Mg(Zn,Cu)2相的形态与分布，进一步扩大Mg‑Zn‑Cu‑Zr合金的力学性能和高温使用范围。

A High Strength Cast Mg-Zn-Cu-Zr Alloy and Its Preparation Method

The invention belongs to the technical field of metal materials engineering, and provides a high strength cast Mg Zn Cu Zr alloy and a preparation method thereof. The mass percentages of each component are: Zn 4%-10%, Cu 0.1%-1.0%, Zr 0.1%-0.5%, and Mg. The addition of low cost element Zr can not only refine the grain size, but also reduce the damage of other impurity elements to the structure and properties of the alloy. By solidifying conventional cast Mg_Zn_Cu_Zr alloy under GPa high pressure, the solidification structure of the alloy was refined, the morphology and distribution of Mg (Zn, Cu) 2 phase were improved, and the mechanical properties and high temperature application range of Mg_Zn_Cu_Zr alloy were further expanded.

【技术实现步骤摘要】
一种高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金及其制备方法
本专利技术属于金属材料工程
，涉及一种高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金及其制备方法。
技术介绍
镁合金具有良好比强度、比刚度、导热性、抗震性及可加工性，广泛应用于高端汽车、航空航天等轻量化工业生产中，已成为铝合金及钢铁行业最具吸引力的潜在替代品，被誉为“21世纪绿色金属材料”。然而，由于镁合金的强度较低、塑性较差且合金添加剂昂贵等原因，大大限制了其在工业生产上的推广和应用。Mg-Zn-Cu合金是迄今商业化应用比较成功的Mg-Zn系耐热合金，其在150℃以下的高温性能较好，已成功用于汽车发动机部件、推进器等需耐中高温的零部件上。但由于铸造Mg-Zn-Cu合金组织较粗大，且主要强化相Mg(Zn,Cu)2共晶相多连成网状分布在枝晶间，不但Mg(Zn,Cu)2相的强化作用不能够充分发挥，还会降低铸造Mg-Zn-Cu合金的力学性能。为进一步提高Mg-Zn-Cu合金各项力学性能，技术人员尝试围绕合金化、热处理及挤压等工艺展开研究，例如：专利CN102071345A公开了一种含Zr的Mg-Zn-Cu合金，其组分的重量百分比为：Zn5～7％，Cu0.5～2％，Zr0.3～0.8％，余量为Mg，经充分热处理后最大抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达240～270MPa、160～190MPa和11～17％；J.Buha研究了时效处理对Mg-6Zn-2Cu-0.1Mn合金性能的影响，其峰时效合金最大抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达220～253MPa、121～168MPa和2.8～8.6％(J.Buha，MechanicalpropertiesofnaturallyagedMg-Zn-Cu-Mnalloy，MaterialsScienceandEngineeringA，2008，489:127-137)；赵冲研究了挤压工艺对Mg-Zn-Cu-Ce合金性能的影响，经不同挤压工艺处理后合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率分别达293～321MPa、215～282MPa和2.04～15.7％(赵冲，Mg-Zn-Cu-Ce合金组织与性能研究，重庆大学硕士学位论文，2012年)。尽管上述方法对Mg-Zn-Cu合金的力学性能有所改善，但高温下合金中的强化相易长大为过时效相，其强化效果仍不理想，且贵金属元素(如Ce等)的引入也增加了合金成本。而研究发现Mg-Zn-Cu合金较好的高温性能与Cu存在于共晶相Mg(Zn,Cu)2有关，因此细化铸造Mg-Zn-Cu合金组织、改善Mg(Zn,Cu)2共晶相形态与分布可显著改善合金力学性能，且成本更加低廉。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种新型低成本、高性能Mg-Zn-Cu-Zr合金的制备工艺，其中低成本元素Zr的添加不仅可以细化晶粒，还能降低其他杂质元素对合金组织和性能的损害。通过对常规铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金在GPa级高压下进行凝固，细化了合金凝固组织，改善了Mg(Zn,Cu)2相的形态与分布，进一步扩大Mg-Zn-Cu-Zr合金的力学性能和高温使用范围。本专利技术采用如下的技术方案：一种高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金，其各组分的质量百分数为：Zn4％～10％，Cu0.1％～1.0％，Zr0.1％～0.5％，余量为Mg。前述合金组分的质量百分数的优选范围为：Zn7％，Cu0.5％，Zr0.2％，余量为Mg。上述高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金的制备方法，包括以下步骤：(1)采用纯度为99.99％的Mg锭、纯度为99.99％的Zn锭、Cu/Zn质量比为7:3的黄铜和Mg-30％Zr中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量百分数；(2)将步骤(1)所述原料在250℃进行预热；(3)将坩埚电阻炉的加热温度设定为750～770℃，当坩埚温度达到300～350℃时加入Mg锭、Zn锭，通入体积比CO2/SF6＝99:1的混合气体作为熔炼保护气；待坩埚中Mg锭、Zn锭完全融化且坩埚温度达到650～700℃时依次加入Cu/Zn为7:3的黄铜和Mg-30％Zr中间合金并保温2min～5min；当炉温达到750℃～770℃时进行搅拌并除去熔液表面浮渣，保温20～30min，然后将金属熔液浇到预热好的金属型中，金属型预热温度为450～500℃，得到所需Mg-Zn-Cu-Zr铸态合金材料；(4)将上述制备的Mg-Zn-Cu-Zr铸态合金材料放入真空电阻炉中进行均匀化退火，温度设定为240～300℃，保温时间12～24小时，然后线切割成高压用试样；(5)将步骤(4)得到的高压用试样装入石墨组装套中，然后将组装好的石墨组装套放入高压六面顶的腔体位置，锤头对准后开始高压凝固：先将压力升高到设定凝固压力2GPa～6GPa，同时启动测温装置，并快速加热到预设的加热温度770℃～970℃，在该温度下保温保压15～20min，关闭电源停止加热，待自然冷却到室温后卸压并取出，得到最终合金试样。前述步骤(5)中，采用的是CS-1B型高压六面顶压机进行高压凝固实验，与两面顶压机系统相比，六面顶压机省去一个预应力模具和一个大型机架，同时高压腔内的压力场更为理想。前述步骤(5)中，高压用试样装入石墨组装套前，为有效避免杂质元素的引入，需清洁样品表面：首先用600～2000#细砂纸去除样品各表面油污及氧化层等杂质，然后放入超声波清洗机中进行清洗，最后放入110℃烘干箱中干燥12h以上。前述步骤(5)中，设定加热温度前需测试各试样样品在GPa级高压作用下的液相线温度。根据Clausius-Clapeyren方程，物质熔点随压力变化受固-液相变时体积变化的影响。由于Mg在高压作用下的熔化过程为膨胀反应，故Mg熔点随压力增加而升高。将实验样品分别在2～6GPa高压作用下进行不同温度的加热及保温，保压下快速冷却至室温，根据其凝固组织特征来确定液相线温度；设定的加热温度为各高压样品液相线温度+30℃左右。前述步骤(5)中，用于盛装高压凝固试样的坩埚选用的是氮化硼坩埚，氮化硼坩埚在真空下使用温度为1800℃，其抗热震性能良好，急冷下不易开裂；氮化硼坩埚尺寸应根据试样尺寸选择或机加工，其过大会影响试样盛装及受热，过小则可能因金属加热过程中发生热膨胀而胀裂坩埚。前述步骤(5)中，实验前严格擦拭并检查CS-1B型高压六面顶压机的每个锤头是否有裂纹。前述步骤(5)中，CS-1B型高压六面顶压机使用前需提前预热30min；加热过程时刻关注电流表变化，电流不宜过大；卸压时，先采用慢速卸压至20MPa后再改为快速卸压。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点:1、Zr是一本低成本合金添加元素，在Mg-Zn-Cu合金中添加适量的Zr不仅可以细化合金晶粒，还能降低其他杂质元素对合金组织和性能的损害，改善Mg-Zn-Cu合金的塑性并提高耐腐蚀性能。2、Mg-Zn-Cu合金较好的高温性能与Cu存在于共晶相Mg(Zn,Cu)2有关，但铸造Mg-Zn-Cu合金铸态组织较粗大，且主要强化相Mg(Zn,Cu)2为共晶相且多连成网状分布在枝晶间。采用高压凝固技术一方面可使Mg-Zn-Cu-Zr合金获得更多的结晶晶核数目，显著细化凝固组织，另一方面在高压凝固过程中Mg(Zn,Cu)2共晶相网状本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度铸造Mg‑Zn‑Cu‑Zr合金，其特征在于，其各组分的质量百分数为：Zn 4％～10％，Cu 0.1％～1.0％，Zr 0.1％～0.5％，余量为Mg。

【技术特征摘要】
1.一种高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金，其特征在于，其各组分的质量百分数为：Zn4％～10％，Cu0.1％～1.0％，Zr0.1％～0.5％，余量为Mg。2.根据权利要求1所述的高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金，其特征在于，其各组分的质量百分数为：Zn7％，Cu0.5％，Zr0.2％，余量为Mg。3.权利要求1或2所述的高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用纯度为99.99％的Mg锭、纯度为99.99％的Zn锭、Cu/Zn质量比为7:3的黄铜和Mg-30％Zr中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量百分数；(2)将步骤(1)所述原料在250℃进行预热；(3)将坩埚电阻炉的加热温度设定为750～770℃，当坩埚温度达到300～350℃时加入Mg锭、Zn锭，通入体积比CO2/SF6＝99:1的混合气体作为熔炼保护气；待坩埚中Mg锭、Zn锭完全融化且坩埚温度达到650～700℃时依次加入Cu/Zn为7:3的黄铜和Mg-30％Zr中间合金并保温2min～5min；当炉温达到750℃～770℃时进行搅拌并除去熔液表面浮渣，保温20～30min，然后将金属熔液浇到预热好的金属型中，金属型预热温度为450～500℃，得到所需Mg-Zn-Cu-Zr铸态合金材料；(4)将上述制备的Mg-Zn-Cu-Zr...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭坤宇，林小娉，叶杰，张宁，纪子杰，曹泽鹏，付守军，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：河北,13