[发明专利]磁场和冷速调控Mg-Nd合金物相的方法

说明书

本发明公开了一种磁场和冷速调控Mg‑Nd合金物相的方法，控制向Mg‑Nd合金熔体施加的磁场，并控制Mg‑Nd合金熔体的凝固过程的冷速，在Mg‑Nd合金凝固过程中，确定所生成的第二相金属间化合物中的稳定物相优先生成的凝固条件，并调控第二相金属间化合物的物相种类和物相比例，使Mg‑Nd合金熔体进行凝固，制备目标镁合金材料。本发明方法通过施加磁场改变Mg‑Nd合金凝固后的第二相种类；本发明施加磁场后制备的Mg‑Nd合金维氏硬度为292.4‑418.5HV；本发明采用合金相选择方法简单方便、节能环保且成本低廉，易于应用于工业生产，是一种控制Mg‑Nd铸态合金组织物相的方法，可控性强。

技术领域

本发明涉及一种镁合金的制备工艺，特别是涉及一种第二相可调控的稀土镁合金的制备工艺，应用于稀土镁合金轻质工程材料制备技术领域。

背景技术

磁场作为一种冷物理场，可影响合金凝固过程。对于顺磁合金，磁场可促进体系趋向平衡凝固。由于不同物相的磁化率不同，故磁场合金凝固组织相较于无磁场凝固组织，出现物相种类及含量不同程度的变化。此外，磁场会影响界面原子扩散及迁移活动，从而促进或抑制特定物相的生成。材料凝固过程中，常用的均恒磁场属于静磁场。

稀土镁合金是一类综合性能良好的轻质工程材料。Nd等稀土元素的添加可细化晶粒、强化固溶体，并在晶界处生成网状金属间化合物以强化晶界。这些金属间化合物可阻碍晶界滑移，从而提高合金的硬度。Nd在镁中最大固溶度为3.6wt.％，加入镁合金后表现出明显的析出强化效果。Mg-Nd合金凝固过程中，通常形成细小的第二相弥散分布在αMg基体及晶界处，起到细晶强化和弥散强化的作用。该二元系富镁侧主要的金属间化合物为Mg₁₂Nd、Mg₄₁Nd₅。Mg₁₂Nd为亚稳相，常见于铸态合金；Mg₄₁Nd₅为平衡相，多见于退火态。这两种物相的力学性能有所不同。Mg₁₂Nd形成所需冷速高于Mg₄₁Nd₅，且Mg₁₂Nd多以离异共晶的形式在晶界上形成，造成合金成分不均匀，强度与硬度有所下降。而冷却速度与外磁场是影响Mg-Nd合金凝固第二相种类的两类主要因素。

目前，稀土镁合金应用受限于稀土含量高、价格昂贵、力学性能差等问题。针对部分特殊结构部件，需要进一步提高其强度硬度。专利CN105445086A揭示向AZ61镁合金中添加0.7％的Mo，可使合金硬度由69.5HB增至73.3HB；专利CN105908111A采用固溶处理和时效处理制备的含0.5％～2％混合稀土的AZ91D压铸镁合金，平均硬度可达87.2HB；专利CN106011567A中的镁合金铸件经变质处理，并在铸造过程中加入功能盐与熔体的作用，硬度最高可达120HB；专利CN105331911A提出深冷与磁场耦合作用可弱化镁合基面织构，实现AZ31镁合金室温塑性加工性能的提高，其屈服强度可达180MPa；专利CN102211153A将电磁场应用于镁合金的轧制过程中，其所制电磁场铸轧带坯的硬度可达82.1HV；专利CN1847431A在镁合金熔炼过程中加入Ca阻燃，使合金在0.2～1.0T磁场中凝固，此方法制得的AZ91D镁合金抗拉强度可达214MPa；专利CN105970136A在镁合金变形过程中施加5T强磁场，调控镁合金基面织构以细化晶粒；专利CN102909352A公开了0.1～1.0T直流磁场控制增强镁合金基体结晶织构的方法，提升合金室温塑性变形能力。上述诸多发明，通过添加合金元素、施加磁场等手段，提升镁合金的综合力学性能。但仍存在以下问题：

1.所采用的制备方法没有改变镁合金的相组成，对合金性能提升幅度小，硬度值约在70～130HB(74～137HV)之间；

2.所制备铸态合金处于热力学不稳定状态，后续使用过程中易随温度变化而发生相变，性能不够稳定，失效风险较大；

3.采用深过冷、强磁场等处理手段，成本较高，不利于大规模工业化。