本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及鎂中間合金晶粒細(xì)化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

鎂及鎂合金作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有高的比強(qiáng)度和比剛度，好的阻尼性能，優(yōu)良的鑄造性能和易切削加工性等優(yōu)點(diǎn)，且鎂資源豐富，所以鎂合金有望在汽車、航空航天和3c產(chǎn)品(計(jì)算機(jī)、通訊、消費(fèi)類電子產(chǎn)品)等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但是由于鎂是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其塑性成形性較差，強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能偏低，晶粒細(xì)化是改善上述缺點(diǎn)的有效方法。

目前鎂合金的晶粒細(xì)化主要通過(guò)合金化和變質(zhì)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前應(yīng)用較成熟的晶粒細(xì)化劑是金屬鋯，但是只能應(yīng)用在不含鋁的鎂合金中，相對(duì)來(lái)說(shuō)應(yīng)用范圍比較狹小，而且鋯有較多缺點(diǎn)，比如：價(jià)格昂貴，合金化溫度較高、易沉降、收得率低等。對(duì)含鋁鎂合金的晶粒細(xì)化劑的研究主要集中在以下兩類：

(1)添加溶質(zhì)元素：一般認(rèn)為溶質(zhì)元素的添加，在合金凝固過(guò)程中，會(huì)在固-液界面前沿產(chǎn)生成分過(guò)冷，促進(jìn)形核。但是添加到熔體中的合金元素的一部分將與鋁或鎂發(fā)生反應(yīng)而生成化合物，有的甚至能形成粗大的化合物，導(dǎo)致合金元素對(duì)鎂合金的晶粒細(xì)化作用不穩(wěn)定。

(2)碳變質(zhì)法：在合金熔體中引入單質(zhì)碳或者含碳的化合物，生成有效的異質(zhì)形核顆粒達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。生成的形核顆粒研究認(rèn)為是al4c3或al2oc。但晶粒細(xì)化效果不穩(wěn)定，細(xì)化機(jī)理有爭(zhēng)議，碳引入熔體中較困難，并且碳的加入嚴(yán)重影響合金的耐腐蝕性。

另外，目前一類新的研究正在開(kāi)展，是在含稀土re(y、gd、sm、ce等)的鎂合金中添加al，直接原位合成具有異質(zhì)形核作用的al2re化合物，這類化合物呈多邊形狀，分布在晶粒內(nèi)部，是一種有效的異質(zhì)形核顆粒。但生成的這種化合物顆粒需要特定的合金成分和工藝條件，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方面有一定操作難度，且生成的化合物顆粒尺寸對(duì)細(xì)化效率影響較大，以及原位合成法對(duì)生成的化合物顆粒尺寸較難控制。所以亟需一種制備鎂合金晶粒細(xì)化劑的簡(jiǎn)單有效方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種鎂中間合金晶粒細(xì)化劑，目的之二在于提供一種鎂中間合金晶粒細(xì)化劑制備方法，目的之三在于提供一種鎂中間合金晶粒細(xì)化劑在鎂或鎂合金晶粒細(xì)化的應(yīng)用。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

1.鎂中間合金晶粒細(xì)化劑，細(xì)化劑含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～20％cu2mg型金屬間化合物和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80～95％的鎂組成。

進(jìn)一步，所述cu2mg型金屬間化合物為al2ca、al2y、al2gd、al2y0.5gd0.5、al2ce、al2sm和/或al2nd。。

進(jìn)一步，所述cu2mg型金屬間化合物粒度為1～5μm。

2.以上任一項(xiàng)所述的鎂中間合金晶粒細(xì)化劑的制備方法步驟如下：

(1)按照cu2mg型金屬間化合物的原子比，取對(duì)應(yīng)的金屬原材料在真空1.0×10^-2～6.0×10^-2mpa下，以純度為99.999％或以上的氬氣為保護(hù)氣，電爐加熱，每5min增加電爐功率5kw，直到金屬全部熔化并能隨感應(yīng)電流發(fā)生電磁攪拌，再保溫5min停止加熱，冷卻后，機(jī)械破碎為金屬間化合物顆粒；

(2)將鎂粉和步驟(1)制備的金屬間化合物顆?；旌锨蚰?，真空氬氣下，球磨5～10h，將球磨后的粉末真空烘干，并熱壓成塊，熱壓溫度為450～550℃，保溫30～60min，冷卻即得含金屬間化合物的鎂中間合金預(yù)制塊；

(3)在750～800℃將步驟(2)的含金屬間化合物的鎂中間合金預(yù)制塊壓入鎂液中，完全熔化后，冷卻溫度至720℃，保溫30min后，攪拌5～10min，澆注到預(yù)熱到150～200℃的模具中，得到含金屬間化合物的鎂鑄錠；

(4)將步驟(3)中所得鎂鑄錠根據(jù)擠壓筒尺寸，去掉頭尾，車外圓至合適尺寸后在350～420℃下預(yù)熱1～2h，擠壓得到鎂中間合金晶粒細(xì)化劑；

所述cu2mg型金屬間化合物、鎂粉和鎂液的添加量滿足最后得到的鎂中間合金晶粒細(xì)化劑中cu2mg型金屬間化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～20％和鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80～95％。

進(jìn)一步，步驟(1)中金屬間化合物顆粒的粒度為0.5～1mm。

進(jìn)一步，步驟(2)中所述球磨的球磨介質(zhì)為酒精或丙酮，球料比為8:1。

進(jìn)一步，步驟(3)中，所述鎂液為鎂錠在co2與sf6體積比為99:1的混合氣體保護(hù)下加熱升溫熔化成鎂液，所述模具為圓柱形低碳鋼模具。

進(jìn)一步，步驟(4)中擠壓溫度為350～420℃，擠壓比為89:1，擠壓鎂中間合金晶粒細(xì)化劑為9mm線材。

3.鎂中間合金晶粒細(xì)化劑在鎂或鎂合金晶粒細(xì)化中的應(yīng)用。

在熔煉鎂合金時(shí)，當(dāng)所有合金元素熔化并保溫結(jié)束后，將上述制備的鎂中間合金晶粒細(xì)化劑添加到鎂合金熔體中，并攪拌5～10min后，澆注到預(yù)熱到150～200℃的模具中，得到細(xì)晶鎂合金鑄錠。

進(jìn)一步，所述鎂合金包括含al或不含al的鎂合金，其中不含al鎂合金中，尤其對(duì)含稀土的鎂合金效果較好。

進(jìn)一步，所述鎂中間合金晶粒細(xì)化劑的添加量為0.05～0.6wt.％。

本發(fā)明的有益效果在于：1.本發(fā)明提供了一種新型的鎂合金晶粒細(xì)化劑，含高溫穩(wěn)定的cu2mg型金屬間化合物，并以中間合金的形式存在，添加更方便，收得率高，且不受鎂合金成分的限制，在含al和不含al的鎂合金中都可以使用，且金屬間化合物在鎂合金中彌散分布，可提高鎂合金的綜合力學(xué)性能。2.使用本發(fā)明制備的晶粒細(xì)化劑的鎂合金，晶粒尺寸約為45μm，相較于未添加晶粒細(xì)化劑的鎂合金的晶粒尺寸500μm，晶粒細(xì)化效果顯著。3.本發(fā)明制備方法通過(guò)先制備鎂金屬間化合物預(yù)制塊的方式，將金屬間化合物添加到鎂基體中形成鎂中間合金；與在鎂合金中直接添加金屬元素，從而原位形成金屬間化合物相比，制備方法不受鎂合金特定成分的限制，更易控制金屬間化合物的種類、含量和顆粒尺寸，還可以制備含兩種及以上cu2mg型金屬間化合物的鎂中間合金。4.本發(fā)明所述制備方法，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，利用率高，適合于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明：

圖1為添加了0.3wt.％mg-10al2y中間合金的鑄態(tài)mg-5y合金金相圖；

圖2為添加了1wt.％的al的鑄態(tài)mg-5y合金金相圖；

圖3為未添加任何晶粒細(xì)化劑的鑄態(tài)mg-5y合金金相圖；

圖4為實(shí)施例1制備得到的mg-10al2y中間合金掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。

實(shí)施例1.含al2y金屬間化合物的鎂中間合金晶粒細(xì)化劑

制備方法如下：

(1)al2y粉末顆粒的制備

按照al2y的原子比2:1，稱量99.9％的al錠和99.9％的y錠，將二者放入真空中頻感應(yīng)電爐中的石墨坩堝中，抽真空至1.0×10^-2mpa后，通入高純氬氣為保護(hù)氣。調(diào)節(jié)電爐功率為5kw，且每5min增加5kw，直到爐內(nèi)金屬全部熔化并能隨感應(yīng)電流發(fā)生電磁攪拌，繼續(xù)保溫5min后，加熱關(guān)，冷卻后獲得al2y塊體。將al2y塊體置于研缽中，機(jī)械破碎成0.5～1mm的al2y粉末顆粒，密封待用。

(2)mg-al2y預(yù)制塊的制備

將300g鎂粉和100gal2y粉末顆粒置于瑪瑙罐中，球磨介質(zhì)為酒精或者丙酮，球料比為8:1，抽真空后通入氬氣保護(hù)，在行星式球磨機(jī)上球磨8h。將球磨后的粉末真空烘干，并熱壓成型制備成預(yù)制塊，熱壓溫度為500℃，保溫60min，冷卻后取出備用。

(3)熔煉、澆注

將600g鎂錠置于涂了bn涂料的不銹鋼坩堝中，于電阻爐中升溫熔煉，在co2與sf6體積比為99:1混合氣體保護(hù)下，鎂錠熔化成鎂液，在780℃將mg-al2y預(yù)制塊壓入到800g鎂液中，待完全熔化后，將鎂熔體的溫度調(diào)節(jié)為720℃，保溫30min后，攪拌5min，將表面渣打掉，澆注到預(yù)熱200℃的圓柱形低碳鋼模具中，得到含al2y的鎂鑄錠。

(4)擠壓成型

將含al2y的鎂鑄錠，根據(jù)擠壓筒尺寸，去掉頭尾，車外圓至合適尺寸后在420℃下預(yù)熱1h，擠壓溫度為420℃，擠壓比為89:1，擠壓得到直徑為9mm的mg-10wt.％al2y中間合金晶粒細(xì)化劑，其掃描電鏡照片如圖4所示。

實(shí)施例2.含al2ca金屬間化合物的鎂中間合金晶粒細(xì)化劑

制備方法如下：

(1)al2ca粉末顆粒的制備

按照al2ca的原子比2:1，稱量99.9％al錠和99.9％ca錠，將二者放入真空中頻感應(yīng)電爐中的石墨坩堝中，抽真空至2.0×10^-2mpa后，通入高純氬氣為保護(hù)氣。調(diào)節(jié)電爐功率為5kw，且每5min增加5kw，直到看到爐內(nèi)金屬全部熔化并能隨感應(yīng)電流發(fā)生電磁攪拌，繼續(xù)保溫5min后，加熱關(guān)，冷卻后獲得al2ca塊體。將al2ca塊體置于研缽中，機(jī)械破碎成0.5～1mm的al2ca粉末顆粒，密封待用。

(2)mg-al2ca預(yù)制塊的制備

將150g鎂粉和50gal2ca粉末顆粒置于瑪瑙罐中，球磨介質(zhì)為丙酮，球料比為8:1，抽真空后通入氬氣保護(hù)，在行星式球磨機(jī)上球磨5h。將球磨后的粉末真空烘干，并熱壓成型制備成預(yù)制塊，熱壓溫度為450℃，保溫30min，冷卻后取出備用。

(3)熔煉、澆注

將800g鎂錠置于涂了bn涂料的不銹鋼坩堝中，于電阻爐中升溫熔煉，在co2與sf6體積比為99:1混合氣體保護(hù)下，鎂錠熔化成鎂液，在750℃將mg-al2ca預(yù)制塊壓入到700g鎂液中，待完全熔化后，將鎂熔體的溫度調(diào)節(jié)為720℃，保溫30min后，攪拌5min，將表面渣打掉，澆注到預(yù)熱150℃的圓柱形低碳鋼模具中，得到含al2ca的鎂鑄錠。

(4)擠壓成型

將含al2ca的鎂鑄錠，根據(jù)擠壓筒尺寸，去掉頭尾，車外圓至合適尺寸后在350℃下預(yù)熱1h，擠壓溫度為350℃，擠壓比為89:1，擠壓得到直徑為9mm的mg-5wt.％al2ca中間合金晶粒細(xì)化劑。

實(shí)施例3.含al2ce金屬間化合物的鎂中間合金晶粒細(xì)化劑

制備方法如下：

(1)al2ce粉末顆粒的制備

按照al2ce的原子比2:1，稱量99.9％al錠和99.9％ce錠，將二者放入真空中頻感應(yīng)電爐中的石墨坩堝中，抽真空至2.5×10^-2mpa后，通入高純氬氣為保護(hù)氣。調(diào)節(jié)電爐功率為5kw，且每5min增加5kw，直到看到爐內(nèi)金屬全部熔化并能隨感應(yīng)電流發(fā)生電磁攪拌，繼續(xù)保溫5min后，加熱關(guān)，冷卻后獲得al2ce塊體。將al2ce塊體置于研缽中，機(jī)械破碎成0.5～1mm的al2ce粉末顆粒，密封待用。

(2)mg-al2ce預(yù)制塊的制備

以200g鎂粉和100gal2ce粉末顆粒置于瑪瑙罐中，球磨介質(zhì)為酒精，球料比為8:1，抽真空后通入氬氣保護(hù)，在行星式球磨機(jī)上球磨10h。將球磨后的粉末真空烘干，并熱壓成型制備成預(yù)制塊，熱壓溫度為550℃，保溫60min，冷卻后取出備用。

(3)熔煉、澆注

將700g鎂錠置于涂了bn涂料的不銹鋼坩堝中，于電阻爐中升溫熔煉，在co2與sf6體積比為99:1混合氣體保護(hù)下，鎂錠熔化成鎂液，在800℃將mg-al2ce預(yù)制塊壓入到700g鎂液中，待完全熔化后，將鎂熔體的溫度調(diào)節(jié)為720℃，保溫30min后，攪拌10min，將表面渣打掉，澆注到預(yù)熱200℃的圓柱形低碳鋼模具中，得到含al2ce的鎂鑄錠。

(4)擠壓成型

將含al2ce的鎂鑄錠，根據(jù)擠壓筒尺寸，去掉頭尾，車外圓至合適尺寸后在420℃下預(yù)熱1h，擠壓溫度為420℃，擠壓比為89:1，擠壓得到直徑為9mm的mg-10wt.％al2ce中間合金晶粒細(xì)化劑。

實(shí)施例4.含al2ce和al2y金屬間化合物的鎂中間合金晶粒細(xì)化劑

(1)al2y和al2ce粉末顆粒的制備如實(shí)施例1和實(shí)施例3所示。

(2)mg-al2ce-al2y預(yù)制塊的制備

將250g鎂粉、100gal2ce和100gal2y粉末顆粒置于瑪瑙罐中，球磨介質(zhì)為酒精，球料比為8:1，抽真空后通入氬氣保護(hù)，在行星式球磨機(jī)上球磨10h。將球磨后的粉末真空烘干，并熱壓成型制備成預(yù)制塊，熱壓溫度為500℃，保溫60min，冷卻后取出備用。

(3)熔煉、澆注

將500g鎂錠置于涂了bn涂料的不銹鋼坩堝中，于電阻爐中升溫熔煉，在co2與sf6體積比為99:1混合氣體保護(hù)下，鎂錠熔化成鎂液，在800℃將mg-al2ce-al2y預(yù)制塊壓入到550g鎂液中，待完全熔化后，將鎂熔體的溫度調(diào)節(jié)為720℃，保溫30min后，攪拌10min，將表面渣打掉，澆注到預(yù)熱200℃的圓柱形低碳鋼模具中，得到含al2ce和al2y的鎂鑄錠。

(4)擠壓成型

將含al2ce和al2y的鎂鑄錠，根據(jù)擠壓筒尺寸，去掉頭尾，車外圓至合適尺寸后在420℃下預(yù)熱1h，擠壓溫度為420℃，擠壓比為89:1，擠壓得到直徑為9mm的mg-10wt.％al2ce-10wt.％al2y鎂中間合金晶粒細(xì)化劑。

將實(shí)施例1所制備得到的mg-10wt.％al2y中間合金晶粒細(xì)化劑線材應(yīng)用在mg-5y合金中，添加量為0.3wt.％，得到如圖1所示的金相圖(晶粒尺寸平均約為48μm)，相同制備工藝下，對(duì)應(yīng)于如圖3所示的未添加任何晶粒細(xì)化劑的mg-5y合金(晶粒平均尺寸約為280μm)，可看出合金晶粒顯著細(xì)化，晶粒大小更加均勻。另外，與添加同等質(zhì)量的1wt.％al原位合成al2y的mg-5y合金(晶粒平均尺寸約為180μm)相比，如圖2所示。由圖1-圖3對(duì)比可知本發(fā)明制備的晶粒細(xì)化劑，細(xì)化效果更優(yōu)。

以上技術(shù)方案中cu2mg型金屬間化合物還可以為al2gd、al2y0.5gd0.5、al2sm和/或al2nd一種或多種物質(zhì)。

最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。