[发明专利]用于Mg-Al合金的晶粒复合细化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于Mg-Al合金的晶粒复合细化剂及其制备方法，具体涉及用于 Mg-Al合金的含石墨和碱土金属(Ca或Sr)的高效复合细化剂及其制备方法。

背景技术

镁合金是最轻的金属结构材料，具有比重轻、比强度高、减振性好，而且电磁屏蔽性 强，易于回收等优点，被认为是二十一世纪最富开发和应用潜力的“绿色”材料。但是，相 对于钢铁材料，镁合金材料的力学性能还是较低，进一步提高其强度、塑性和韧性对于镁 合金的推广运用非常重要。众所周知，晶粒细化是改善金属材料强韧性的重要途径，且对 于镁合金，晶粒大小对其强塑性的影响比其他晶体结构的合金更为显著，同时经晶粒细化 还可显著改善镁合金的组织致密性。因此，通过晶粒细化技术细化镁合金对于生产高性能 镁合金制品非常重要。

传统的晶粒细化方法，如固态处理、半固态成形以及铸造晶粒细化技术等，都可不同 程度地细化镁合金。相对而言，以微量合金化法和碳质孕育剂法为代表的铸造晶粒细化技 术具有操作简单、工艺易于控制，成本低廉等优势。其中Zr是Mg晶粒细化最有效的元素， 但因Zr与Al极易反应形成化合物Al₃Zr使得Zr不能有效细化工业生产中应用最为广泛的 Mg-Al系铸造镁合金。在Mg-Al系铸造镁合金细化的微量元素合金化法，碱土金属是最为有 效的细化元素，其基本原理是利用碱土金属(Ca和Sr)在镁熔体凝固过程中发生偏析而抑制晶 粒生长。但随着合金化元素含量的增加，Mg晶粒的细化程度很快达到饱和，并将生成新的 合金相，导致延伸率降低，塑性下降。而碳质孕育剂法主要是利用含C物质在镁熔液中分解 产生的C原子与Al化合生成与α-Mg相结构相当，晶格常数相近的Al₄C₃质点作为形核核心所 致。

由凝固基本理论可知，铸造制品的最终晶粒尺寸主要受以下两方面因素控制：一是晶 核的形核能力及其有效晶核的数量；二是溶质元素偏析及其对晶粒生长的抑制能力。晶核 形核能力越强，其晶体生长所需的动力学过冷度(T_n)越小；溶质元素的偏析能力越高，其抑 制晶粒长大的能力越强。

在关于镁合金碳质细化的公开专利中，公开号为CN1410566的中国专利和CN1583327A 的专利申请涉及单独利用碳粉(石墨粉)作为碳源并细化镁合金的技术。基于上述复合细化思 路，公开号为CN101135013的中国专利公开了含碳和稀土Ce的复合细化剂及其制备方法。 文献[Metall.Mater.Trans.，2005：p2669]给出了Ca、Sr和Ce三种元素对Mg晶粒生长的抑制因 子分别为11.84、3.51和2.74，与Ca和Sr相比，Ce对Mg晶粒的生长抑制作用相对较低。在上 述三个公开专利中，其制备过程均包含铝粉、石墨粉以及镁粉的混合、烘干、压制及其烧 结等环节，存在的主要问题是铝粉和镁粉在制备过程中易于氧化，难以准确控制细化剂成 分。而公开号为CN1410566的中国专利和公开号为CN1583327的专利申请均仅仅利用碳粉 的细化作用，与复合细化相比，其细化作用相对有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于Mg-Al合金的晶粒复合细化剂 及其制备方法，本发明利用碳和碱土金属(Ca或Sr)复合制备了一种高效的晶粒细化剂。本发 明方法针对Mg-Al系合金，将含碳孕育剂法和熔体微量合金化法复合应用，利用Al₄C₃粒子 的高形核能力和合金化元素有效抑制晶粒生长的双重作用，获得了一种新的高效细化方法， 本发明的晶粒复合细化剂具有较好的细化效果，特别对于以AZ31为代表的低Al含量的变形 镁合金的细化效果尤其显著。

本发明的目的通过如下技术方案来实现。

所选用碳源要求无污染、在制备过程中易分散。而合金元素则要求其具有较高的Mg 晶粒生长抑制能力，且不易于与碳源反应。

所选用碳源为粒度在8～15μm的石墨粉；

所选用合金元素为碱土金属Ca和Sr，以中间合金的方式加入。

一种用于Mg-Al合金的晶粒复合细化剂，含有以下成分：Al、C、Mg以及Ca或Sr； 各成分的重量百分比为：50～60％Al、1～5％C、5～10.5％Ca或5～10.5％Sr，余量为Mg。

制备本发明所述的用于Mg-Al合金的晶粒复合细化剂的方法，具体包括以下步骤为：