[發明專利]Mg-Si二元合金制備方法

無效

• 申請號: 200910066006.8
• 申請日: 2009-09-01
• 公開（公告）號: CN101643861A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發明（設計）人: 郭學鋒;楊文朋;陳思杰;柳曉婷
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C23/00
• 代理公司: 鄭州中民專利代理有限公司
• 代理人: 郭中民

技術領域

本發明涉及一種冶金方法，具體說是涉及一種Mg-Si二元合金的制備方法。該方法是利用純鎂或鎂合金和含有SiO₂為主要成分的玻璃或砂子材料制備Mg-Si二元合金。

背景技術

鎂材已成為繼鋼鐵和鋁之后的第三類被廣泛應用的金屬結構材料，鎂合金在全世界范圍得到了迅猛發展。工業純鎂的強度低，室溫塑性差，很少做為結構材料在工業中直接應用。通過向鎂中添加合金化元素，可以顯著改善其物理、化學和力學性能。合金化或微合金化作為改善鎂合金性能或設計新型鎂合金的重要手段之一，已經得到普遍應用。目前，耐高溫性能是鎂合金研究的熱點之一，通過添加或原位生成Mg₂X(X＝Si，Ge和Sn)等金屬間化合物是實現鎂基高溫材料的手段之一。其中，Mg₂Si具有高熔點(1085℃)、高硬度(4.5×10⁹Nm^-2)、低密度(1.99×10³kg·m^-3)、高的彈性模量(120GPa)、低的熱膨脹系數(7.5×10^-6K^-1)、以及良好的耐磨性和熱穩定性而成為鎂合金中理想的高溫強化相。根據Mg-Si二元相圖可知，硅在鎂中的最大固溶度僅為0.003at.％，硅和鎂原子反應會生成Mg₂Si金屬間化合物。Mg-Mg₂Si共晶點Si含量僅為1.38wt.％，反應溫度為638.8℃。當Si含量＞1.38wt.％時，需要加熱到很高溫度，才能形成含Si量高的熔體，在凝固過程中，初生Mg₂Si首先形核并長大，普通鑄造情況下，初生Mg₂Si相一般呈粗大的樹枝狀或多邊形塊狀。在應力作用下，粗大的初生Mg₂Si顆粒會極大地割裂基體、降低材料的韌性和抗拉強度。

目前，把硅加入鎂合金中主要有兩種方法：①直接加入。將細小硅顆粒(純度＞99.9％，顆粒度＜3mm)直接加入到鎂熔液中，然后充分攪拌，在高于750℃下長時間保溫后澆鑄；②間接加入。首先利用單質硅(純度＞99.9％)和純鋁(純度＞99.9％)制備出高硅含量的Al-Si中間合金，通常情況下硅含量＞20wt.％，然后將Al-Si中間合金加入鎂熔體中，充分攪拌后澆鑄。

對于第一種方法，由于硅顆粒和鎂熔液的潤濕性差，硅原子很難進入到鎂液中；此外，純硅的密度比鎂液稍大，硅顆粒會沉入坩堝底部。因此，熔煉過程中需要攪拌熔液，并在較高溫度下長時間保溫，通過高溫條件下擴散使Si原子與Mg原子充分反應生成Mg₂Si相。如果要制備Si含量＞5wt.％的合金，根據Mg-Si二元相圖可知，需要將熔體溫度提高到800℃以上，而且需要長時間保溫。這種情況下，一方面熔液溫度高于鎂合金液的變質溫度；另一方面，保溫時間較長時，會使得熔液中生成的Mg₂Si相聚集長大，得到的合金中大多數Mg₂Si相以粗大枝晶或多邊形塊狀存在，而共晶形式的Mg₂Si相體積分數較少。而粗大初生的Mg₂Si相會大大降低合金整體的強度和韌性。

第二種方法以Al-Si中間合金的方法加入。根據Al-Si二元相圖可知，共晶點時硅含量為11.7wt.％，反應溫度為577℃，所以，通常情況下可以制備出50wt.％Si的Al-Si中間合金。由于鋁與鎂性質相近，潤濕性較好，硅以Al-Si中間合金形式加入會促進硅的溶解吸收。然而，以Al-Si中間合金加入的鋁原子會與鎂液反應生成β-Mg₁₇Al₁₂相。由于β-Mg₁₇Al₁₂在高溫下易軟化、粗化，不能有效釘扎晶界。從而降低合金的高溫抗蠕變性能。另外，鋁元素的引入在后續的處理中不可能去除，在制備以鋁和硅為添加元素的三元系合金有較大優勢，如果要得到不含鋁元素的Mg-Si系合金，該方法不能實現。

因此，需要一種新的冶金方法，一方面避免引入其它元素；另一方面能提高硅在Mg-Si二元合金中的含量，可以作為生產含Si鎂合金用的中間合金；此外，還能在降低初生Mg₂Si的體積分數的同時提高共晶Mg₂Si的體積分數，從而進一步提高該合金的室溫和高溫力學性能。

發明內容

本發明的目的正是針對上述現有技術中存在的不足之處而提供一種新的Mg-Si二元合金的制備方法。