[发明专利]铝-锆-钛-碳中间合金在镁及镁合金变形加工中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝基中间合金在金属加工中的应用，尤其是一种铝-锆-钛-碳中间合金在镁及镁合金变形加工中的应用。

背景技术

镁及镁合金的工业应用始于20世纪30年代，由于镁及镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等优点，使镁及镁合金特别是变形镁合金在交通工具、工程结构材料和电子领域等中的应用潜力非常巨大。变形镁合金是指可用挤压、轧制、锻造等塑性成型方法加工成形的镁合金。然而，由于受到材料制备、加工技术、抗腐蚀性能以及价格等因素制约，镁合金尤其是变形镁合金的应用量远远落后于钢铁和铝合金，在金属材料领域里还没有任何一种材料像镁那样，其发展潜力和实际应用现状之间存在如此大的差异。

镁与铁、铜、铝等常用的金属不同，镁合金是密排六方晶体结构，室温下只有3个独立的滑移系，合金的塑性变形能力较差，其晶粒大小对力学性能影响十分显著。镁合金结晶温度范围较宽，热导率较低，体收缩较大，晶粒粗化倾向严重，凝固过程中易产生缩松、热裂等缺陷；细小的晶粒有助于减少缩松、减小第二相的大小和改善铸造缺陷；镁合金晶粒细化能缩短晶间相固溶所需的扩散距离，提高热处理效率；另外，细小的晶粒还有助于改善镁合金的耐腐蚀性能和加工性能。应用晶粒细化剂对镁合金熔体进行细化处理是提高镁合金综合性能和改善镁合金成形性能的重要手段，通过细化晶粒不仅可以提高镁合金材料的强度，还可以大大改善其塑性和韧性，使镁合金材料的塑性加工大规模化、低成本产业化成为可能。

对纯镁晶粒有明显细化效果的元素是Zr，这是1937年发现的。有研究表明Zr能有效抑制镁合金晶粒的生长，从而细化晶粒。Zr可以在纯Mg、Mg-Zn系和Mg-RE系中使用；但是Zr在液态镁中的溶解度很小，发生包晶反应时镁液中仅能溶解0.6wt%Zr，而且Zr与Al、Mn会形成稳定的化合物而沉淀，不能起到细化晶粒的效果，因此，在Mg-Al系和Mg-Mn系合金中不能加入Zr。Mg-Al系合金是目前最流行的商用镁合金，Mg-Al系合金铸态晶粒比较粗大，有时甚至呈粗大的柱状晶和扇状晶，这使得铸锭变形加工困难、易开裂、成材率低、力学性能低下，且塑性变形时速率很低，严重影响了工业化生产。因此要实现规模化生产，必须首先解决镁合金铸态晶粒细化的问题。Mg-Al系合金的晶粒细化方法主要有过热法、添加稀土元素法和碳质孕育法等。过热法虽有一定效果，但熔体氧化更严重。添加稀土元素法，其效果既不稳定也不理想。而碳质孕育法原料来源广泛，操作温度较低，已成为Mg-Al系合金最主要的晶粒细化方法，传统的碳质孕育法采用添加MgCO₃或C₂Cl₆等，其原理是在熔体中形成大量弥散的Al₄C₃质点，而Al₄C₃是镁合金较好的非均质晶核，因而大量弥散的Al₄C₃晶核使镁合金晶粒细化。但是这种细化剂加入时熔体易沸腾，因此生产上也很少采用。总之，与铝合金工业相比，镁合金工业目前尚未发现通用的晶粒中间合金，各种晶粒细化方法的使用范围还取决于合金系或合金成分。因此，发明一种镁及镁合金凝固时可通用且能有效细化铸态晶粒的晶粒细化剂及在连续生产中应用它的方法，是当前实现镁合金产业化的关键之一。

发明内容

为了解决上述现有存在的问题，提供了一种铝-锆-钛-碳（Al-Zr-Ti-C）中间合金在镁及镁合金变形加工中的晶粒细化用途。

本发明所采用的技术方案是：一种铝-锆-钛-碳中间合金在镁及镁合金变形加工中的应用，所述铝-锆-钛-碳（Al-Zr-Ti-C）中间合金以重量百分比计的化学成分为：0.01%至10%的Zr、0.01%至10%的Ti、0.01%至0.3%的C，余量为Al；所述变形加工为塑性成型方法；所述应用为使镁或镁合金晶粒细化。

优选的，所述铝-锆-钛-碳（Al-Zr-Ti-C）中间合金以重量百分比计的化学成分为：0.1%至10%的Zr、0.1%至10%的Ti、0.01%至0.3%的C，余量为Al。更优选的化学成分为：1%至5%的Zr、1%至5%的Ti、0.1%至0.3%的C，余量为Al。

优选的，所述铝-锆-钛-碳（Al-Zr-Ti-C）中间合金中杂质含量以重量百分比计为：Fe不大于0.5%、Si不大于0.3%、Cu不大于0.2%、Cr不大于0.2%，其他单个杂质元素不大于0.2%。