专利名称：Mg－Zn－Nd－Si基球形准晶中间合金及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种Mg-Zn合金及其制造方法，具体地说，是一种Mg-Zn-Nd-Si基三维二十面体球形准晶中间合金及其制造方法。
背景技术：
自1982年美国国家标准局(NBS)的科学家谢切曼(D.shechtman)等人在快速凝固Al-Mn合金中首次发现准晶以来，在铝基、镁基以及其它合金中相继发现了很多种准晶。到目前为止，人们已经发现了近200种成分的准晶，其中有七十余种在热力学上是稳定的。在这些准晶中，有96种(其中47种是稳定的)二十面体准晶，65种(其中26种是稳定的)十面体准晶。
至从我国北京航空材料研究院的罗治平等人一九九三年首先确定Mg-Zn-Y合金中的Mg3Zn6Y三元相为二十面体准晶相以后，Mg-Zn-RE系准晶成为近年来准晶研究的另一个热点，世界各国的凝固物理学家们对Mg-Zn-RE三元系中准晶的形成机制、结构和性能等展开了大量的研究工作。研究发现对于Mg-Zn-RE系的准晶作为一种新型的镁基合金材料，同样以其独特的结构而具有特殊的性能，由于准晶中不存在特定的滑移面，室温下位错难以运动，所以硬而脆，不能用作结构材料，但是利用准晶高硬度、高弹性模量、高热力学稳定性和低表面能的优异性能可将其用作强化相。尤其值得注意的是，在镁合金相图上，存在稳定准晶和α-Mg两相共存区，既可以通过快速凝固的方法形成准晶，也可以在常规铸造的缓慢冷却凝固过程中生成稳定准晶相，这为准晶的工业化生产提供了有利条件。利用准晶的遗传特性，可采用常规的铸造工艺方法，以外加方式使准晶颗粒弥散均匀分布于镁合金基体中，获得Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶颗粒增强的耐热镁合金或高强度镁基复合材料。因为在镁合金基体组织α-Mg相内部和晶界中或其附近均匀弥散分布的准晶颗粒具有限制位错运动，阻止晶界滑移的作用，提高镁合金的耐热稳定性和抗蠕变性能。此外还能够抑制高温挤压变形时发生再结晶。
大量的研究发现，对于在常规铸造条件下形成的Mg-Zn-RE系准晶主要为三维二十面体稳定准晶，此外，还发现有二维的十面体稳定准晶存在，由于不同的稀土元素和合金化元素对准晶形成的过程影响不同，导致准晶最终的生长形态各异，使之当以外加方式加入镁合金中作为细化相和增强相时，其遗传效应也不尽相同。为了最大程度地发挥Mg-Zn-RE系准晶对镁合金的增强效果，减小准晶颗粒对镁合金基体的割裂作用，避免形成应力集中，因此通过控制合金的原子比和常规凝固工艺过程来控制准晶相的形貌，大小和数量，使得在Mg-Zn-Nd-Si基合金的结晶凝固过程中获得一种高球化率高热稳定性三维二十面体球形准晶中间合金。为高性能耐热镁合金的生产提供一种新型优质强效中间合金变质剂。
发明内容
本发明通过控制质量比和原子比，优化铸造工艺过程，在常规铸造条件下，在Mg-Zn-Nd-Si基准晶中间合金的凝固过程中获得三维二十面体球形准晶相。为耐热镁合金的生产提供一种Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金及其制造方法。
本发明Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金，其特征在于该合金是一种三维二十面体MgxZnuNdwSit球形准晶中间合金材料，其化学成分按质量百分比wt％计为Mg42.00％～48.00％，Zn46.50％～55.50％，Nd2.00％～5.00％，Si0.50％～2.00％；其铸态组织是由α-Mg初生相+三维二十面体MgxZnuNdwSit球形准晶相+MgyZnz离异共晶相+MgZn基体相共存的多相复合组织所组成。
其中，MgxZnuNdwSit球形准晶相的体积含量占中间合金总体积的30％～40％。
本发明制备上述的Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金的方法，其具体的工艺步骤为I.以熔体质量百分数Wt％计，称取1#镁锭42.00％～48.00％，1#纯锌49.20％～55.50％，纯钕2.00％～5.00％，1#结晶硅0.50％～2.00％；II.将称好的锭料在200℃下进行预热烘烤；III.将预热烘烤后的锭料装入电炉中，在SF6+CO2气体保护下，按常规镁合金熔炼方法在760℃～800℃下熔炼出Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金熔体；IV.在730℃～760℃温度下出炉浇铸成型，凝固后得到三维二十面体MgxZnuNdwSit球形准晶相的中间合金，其中MgxZnuNdwSit球形准晶相中x+u+w+t＝100为原子百分比，其中54.5≤x≤68.0，29.5≤u≤40.0，2.0≤w≤5.0，0.5≤t≤2.0。
本发明Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金及其制造方法的优点及用途在于这种Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金具有低的表面能，低的热膨胀系数，高的硬度和热力学稳定性，与镁合金基体间具有很好的润湿性，具有好的结合强度，Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶相作为增强相可大幅度提高和增强镁基合金材料的强韧性和高温耐热抗蠕变性。
本发明这种Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金的制备工艺简单，生产成本低廉，可进行规模化工业生产，具有很好的市场应用前景。
图1是本发明实施方式1中的Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金的金相组织照片图2是本发明实施方式2中的Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金的金相组织照片图3是本发明实施方式3中的Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金的金相组织照片。
具体实施例方式
本发明通过以下具体的实施例对本发明的技术方案作出进一步的描述。
实施方式1本发明MgxZnuNdwSit球形准晶中间合金的化学成分(按质量百分数wt％计)为Mg42.00％，Zn55.50％，Nd2.00％，Si0.50％。
I.按设计成分备料(按熔体质量分比wt％计)，称取1#镁锭42.00％，1#纯锌55.50％，纯Nd2.00％，，结晶硅0.50％II.在200℃进行预热烘烤；III.装入中频感应电炉中，按常规镁合金熔炼方法将合金在SF6+CO2气体保护下熔化，并升温至760℃后保温，熔炼出Mg-Zn-Nd-Si基准晶中间合金液体；IV.在730℃出炉浇入金属铸型中，凝固后得到一种三维二十面体的MgxZnuNdwSit球形准晶相的中间合金锭料。
这种Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金的终态基体组织是由α-Mg初生相+三维二十面体MgxZnuNdwSit球形准晶相+MgyZnz离异共晶相+MgZn基体相共存的多相复合组织所组成，如实施方式附图1所示。
其中MgxZnuNdwSit球形准晶相的体积相对含量占中间合金总体积的30％。
MgxZnuNdwSit球形准晶相中x+u+w+t＝100为原子百分比，其中x＝68，u＝29.5，w＝2，t＝0.5。
实施方式2本发明MgxZnuNdwSit基球形准晶中间合金的化学成分(按质量百分比wt％计)为Mg48.00％，Zn46.50％，Nd3.50％，Si2.00％。
I.按设计成分备料(按熔体质量百分比wt％计)，1#镁锭48.00％，1#纯锌46.5％，纯钕3.5％，结晶硅2％；II.在200℃下进行预热烘烤；III.装入电炉中，按常规镁合金熔炼方法将合金在SF6+CO2气体保护下熔化，并升温至780℃后保温，熔炼出MgxZnuNdwSit基准晶中间合金液体；IV.在760℃出炉浇入金属铸型中，凝固成型后制备出一种三维二十面体的MgxZnuNdwSit球形准晶中间合金锭料。
这种Mg-Zn-Nd-Si基准晶中间合金的铸造终态组织是由α-Mg初生相+三维二十面体MgxZnuNdwSit球形准晶相+MgyZnz离异共晶组织+MgZn基体相共存的复相组织所组成，如实施方式附图2所示。
其中MgxZnuNdwSit球形准晶相的体积相对含量占中间合金总体积的40％。
MgxZnuNdwSit球形准晶相中x+u+w+t＝100为原子百分比，其中x＝54.5，u＝40.0，w＝3.5，t＝2.0。
实施方式3本发明MgxZnuNdwSit基球形准晶中间合金的化学成分(按质量百分数wt％计)为Mg44.50％，Zn49.20％，Nd5.00％，Si1.30％。
I.按设计成分备料(按熔体质量分比wt％计)，称取1#镁锭44.50％，1#纯锌49.20％，纯钕5.00％，结晶硅1.30％；II.在200℃进行预热烘烤；III.装入电阻炉中，按常规镁合金熔炼方法将合金在SF6+CO2气体保护下熔化，并升温至800℃后保温，熔炼出符合设计化学成分要求的Mg-Zn-Nd-Si基准晶中间合金液体；IV.在745℃出炉浇入金属铸型中，凝固后制备出一种具有高球化率高热稳定性三维二十面体准纳米尺度MgxZnuNdwSit球形准晶相的中间合金锭料。
这种Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金的终态基体组织是由α-Mg初生相+高球化率高热稳定性三维二十面体准纳米尺度MgxZnuNdwSit球形准晶相+MgyZnz离异共晶组织+MgZn基体相共存的复相组织所组成附图3所示)。
其中MgxZnuNdwSit球形准晶相的体积相对含量占中间合金总体积的35％。
MgxZnuNdwSit准晶相中x+u+w+t＝100为原子百分比，其中x＝61.0，u＝32.7，w＝5.0，t＝1.3。
实施方式4本发明MgxZnuNdwSit基球形准晶中间合金，按照具体实施方式
1、2和3，经多次反复实验结果表明，将其化学成分按质量百分比wt％计为Mg42.00％～48.00％，Zn46.50％～55.50％，Nd2.00％～5.00％，Si0.50％～2.00％，所得铸态组织都是由α-Mg初生相+三维二十面体MgxZnuNdwSit球形准晶相+MgyZnz离异共晶相+MgZn基体相共存的多相复合组织所组成，其MgxZnuNdwSit球形准晶相的体积含量占中间合金总体积的30％～40％。其MgxZnuNdwSit球形准晶相中x+u+w+t＝100为原子百分比，其中54.5≤x≤68.0，29.5≤u≤40.0，2.0≤w≤5.0，0.5≤t≤2.0。
权利要求
1.Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金，其化学成分按质量百分比wt％计为Mg42.00％～48.00％，Zn46.50％～55.50％，Nd2.00％～5.00％，Si0.50％～2.00％；其铸态组织是由α-Mg初生相+三维二十面体MgxZnuNdwSit球形准晶相+MgyZnz离异共晶相+MgZn基体相共存的多相复合组织所组成。
2.如权利要求1所述的Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金，其特征在于MgxZnuNdwSit球形准晶相的体积含量占中间合金总体积的30％～40％。
3.制备权利要求1所述的Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金的方法，其特征在于该方法的具体工艺步骤如下I.以熔体质量百分数Wt％计，称取1#镁锭42.00％～48.00％，1#纯锌49.20％～55.50％，纯钕2.00％～5.00％，1#结晶硅0.50％～2.00％；II.将称好的锭料在200℃下进行预热烘烤；III.将预热烘烤后的锭料装入电炉中，在SF6+CO2气体保护下，按常规镁合金熔炼方法在760℃～800℃下熔炼出Mg-Zn-Nd-Si基球形准晶中间合金熔体；IV.在730℃～760℃温度下出炉浇铸成型，凝固后得到三维二十面体MgxZnuNdwSit球形准晶相的中间合金，其中MgxZnuNdwSit球形准晶相中x+u+w+t＝100为原子百分比，其中54.5≤x≤68.0，29.5≤u≤40.0，2.0≤w≤5.0，0.5≤t≤2.0。
全文摘要
本发明公开了一种Mg－Zn－Nd－Si基球形准晶中间合金及其制造方法，该方法是在常规铸造条件下凝固成形一种Mg－Zn－Nd－Si基高球化率高热稳定性的三维二十面体准纳米尺度Mg
文档编号C22C30/00GK101054639SQ20071006201
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月24日 优先权日2007年5月24日
发明者张金山, 严杰, 梁伟, 王晓明 申请人:太原理工大学