專利名稱：一類可鑄造形成厘米尺度非晶態(tài)塊體材料的鎂合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非晶態(tài)合金(或金屬玻璃)，特別提供了一類可采用銅模鑄造形成厘米尺度非晶態(tài)塊體材料的鎂合金
背景技術(shù)：
相對(duì)于普通的多晶體金屬材料而言，非晶態(tài)合金(亦稱金屬玻璃)的主要結(jié)構(gòu)特征為原子排列沒有長(zhǎng)周期的有序度，也沒有晶界。因此具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、各向同性等優(yōu)異的性能。在汽車、飛行器、微型機(jī)械、微電子、體育用品、精密儀器、防盜設(shè)備、能量轉(zhuǎn)換、醫(yī)用材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。普通的金屬與合金從液態(tài)冷卻時(shí)將發(fā)生結(jié)晶，凝固成多晶體結(jié)構(gòu)的材料。非晶態(tài)合金通常是將合金熔體冷卻至低于它的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(一般用Tg表示)，避免發(fā)生明顯的晶體形核與結(jié)晶，從而凝固形成非晶態(tài)(或玻璃態(tài))結(jié)構(gòu)的金屬材料。
自20世紀(jì)60年代起，人們發(fā)現(xiàn)某些合金如果以足夠快的冷卻速率冷卻時(shí)可以產(chǎn)生過冷(低于熔點(diǎn)溫度仍不發(fā)生結(jié)晶)，在室溫下仍保持為極度粘滯的液相或者是玻璃相。所需的典型冷卻速率大約為104K/秒至106K/秒。為了實(shí)現(xiàn)這樣快的冷卻速率，需要將少量的合金熔體與保持在室溫附近的導(dǎo)熱基板(如銅板)相接觸。制約非晶態(tài)材料尺度的原因主要是由于必須以足夠快的速率抽取熱量以抑制結(jié)晶過程。因此，以前發(fā)展的大多數(shù)非晶態(tài)合金只能夠得到粉末、薄帶、細(xì)絲、薄片等形態(tài)，這些粉末、薄帶、細(xì)絲、薄片可通過將合金熔體噴射在快速轉(zhuǎn)動(dòng)的冷卻銅輥上、滴落在冷卻的金屬錘砧之間或者是將冷卻的基板快速移動(dòng)通過狹窄的噴嘴等方法來獲得。
合金熔體冷卻時(shí)抵抗結(jié)晶的能力表現(xiàn)為熔體冷卻形成非晶態(tài)所需臨界冷卻速率的大小。為了便于更廣泛的實(shí)際生產(chǎn)或者應(yīng)用，抑制結(jié)晶發(fā)生所需要的理想冷卻速率為10-1～102K/秒數(shù)量級(jí)或者更低。隨著合金本身臨界冷卻速率的降低，人們可以制備出具有更大橫截面的非晶態(tài)部件。這樣的合金在加熱至過冷液態(tài)時(shí)能夠有充分的時(shí)間進(jìn)行工業(yè)規(guī)模的加工處理，而不發(fā)生結(jié)晶。臨界冷卻速率大致與塊體材料幾何尺寸的平方成反比，即Rc=10t2.]]>其中Rc表示臨界冷卻速率(單位為K/秒)，t表示厚度(以厘米為單位)。Rc越小，t越大。近年來，人們相繼在鋯基、鈀基、鉑基、釔基、鈣基、鐵基、銅基、鑭基、釹基等為主要元素的合金中發(fā)現(xiàn)了可以用銅模鑄造形成厘米量級(jí)厚度或直徑的塊體非晶態(tài)合金。這些合金的玻璃形成臨界速率在數(shù)量級(jí)上小于10K/秒。
通常，合金的本征非晶形成能力以及合金熔體的熱穩(wěn)定性主要依賴于合金的化學(xué)成分，而且對(duì)成分的變化十分敏感。有些情況下，元素含量1％(原子百分?jǐn)?shù))的變化可導(dǎo)致非晶形成能力的大幅度變化。合金成分的復(fù)雜化或多元化(即由多種合金元素組成)可以改進(jìn)提高合金的本征玻璃形成能力，降低玻璃形成的臨界冷卻速率。對(duì)于鎂合金來說，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)Mg-Zn(Ga、Gd)等二元合金，Mg-Zn(Sn)-Ga、Mg-Zn-Au、Mg-Cu-Ca、Mg-TM-X(TM為Cu或Ni)，X為Sn、Si、Ge、Zn、Sb、Bi或In)、Mg-TM-RE(TM為Cu或Ni，RE為稀土Y、Gd、Nd、La、Ce或Te)、Mg-TM-AE(TM為Cu或Ni，AE為堿土Ca、Sr或Ba)等三元合金，Mg-Cu-Zn(Al，Ag，Li)-Y等四元合金在某些特定的成分范圍可由熔體冷卻形成非晶態(tài)合金。不同合金形成非晶態(tài)的臨界冷卻速率差異很大，范圍從106K/秒數(shù)量級(jí)至50K/秒數(shù)量級(jí)。三元以上合金的玻璃形成臨界冷卻速率明顯低于二元合金，具有更強(qiáng)的非晶形成能力。例如，Mg65Cu20Zn5Y10(下標(biāo)為原子百分比)合金可采用銅鏌澆鑄形成直徑為6mm的金屬玻璃圓棒。
鎂的密度僅為1.738克/立方厘米。鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。與其它普通的金屬結(jié)構(gòu)材料和工程塑料相比，鎂合金具有很多優(yōu)良的特性如密度低、比強(qiáng)度高、機(jī)械加工性能優(yōu)良、鑄造性和阻尼減震性好、熱導(dǎo)率高、尺寸穩(wěn)定性高、電磁屏蔽性能優(yōu)良、美觀、易于回收利用等。鎂在地殼中的含量相當(dāng)豐富，而且具有很高的回收率。鎂合金也因此被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。鑒于這些特點(diǎn)，鎂合金在汽車、通信、電子、電器、航空、航天、交通、冶金、化學(xué)、電化學(xué)等行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用需求。
非晶態(tài)鎂合金具有很高的強(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度約為600～800兆帕，是普通多晶體鑄造鎂合金的2至4倍，幾乎可以同鋼鐵材料相媲美，但密度為3～4克/立方厘米，因此具有很高的比強(qiáng)度，作為結(jié)構(gòu)材料可具有明顯的減重效果，具有強(qiáng)非晶形成能力的鎂合金可用于制備更大幾何尺寸的棒材、板材或直接鑄造成零部件，滿足更為廣泛的應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將提供一類易于制備成為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的鎂合金，用普通銅模澆鑄的方法即可形成厘米尺度的非晶態(tài)塊體材料或者零部件。這類材料具有高強(qiáng)度、低密度、高比強(qiáng)度的特點(diǎn)。
本發(fā)明提供一類可采用銅模澆鑄形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的多組元鎂合金，其合金成分的表達(dá)式為Mga(Cu1-xAgx)bRc。其中a，b，c為原子百分比，R為元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一種，a＝45～65％，b＝25～45％，c＝8～15％，a+b+c＝100％，x＝0.01～0.5。在此成分范圍的合金熔體澆鑄至銅模內(nèi)腔后，可形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的塊體材料或者零部件。
本發(fā)明提供一類可采用銅模澆鑄形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的多組元鎂合金，其合金成分的表達(dá)式為Mga(Cu1-xAgx)bTyRc。其中a，b，c，y為原子百分比，T為元素Ni、Zn、Pd中的至少一種，R為元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一種，a＝45～65％，(b+y)＝25～45％，c＝8～15％，a+b+y+c＝100％，x＝0.01～0.5，y≤5％。在此成分范圍的合金熔體澆鑄至銅模內(nèi)腔后，可形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的塊體材料或者零部件。
本發(fā)明提供一類可采用銅模澆鑄形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的多組元鎂合金，其合金成分的表達(dá)式為Mga(Cu1-xAgx)bRcXz，其中a，b，c，z為原子百分比，R為元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一種，X為元素Zr、Nb、Cr中的至少一種，a＝45～65％，b＝25～45％，(c+z)＝8～15％，a+b+c+z＝100％，x＝0.01～0.5，z≤2％。在此成分范圍的合金熔體澆鑄至銅模內(nèi)腔后，可形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的塊體材料或者零部件。
本發(fā)明提供一類可采用銅模澆鑄形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的多組元鎂合金，其合金成分的表達(dá)式為Mga(Cu1-xAgx)bTyRcXz，其中a，b，y，c，z為原子百分比，T為元素Ni、Zn、Pd中的至少一種，R為元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一種，X為元素Zr、Nb、Cr中的至少一種，a＝45～65％，(b+y)＝25～45％，(c+z)＝8～15％，a+b+y+c+z＝100％，x＝0.01～0.5，y≤5％，z≤2％。在此成分范圍的合金熔體澆鑄至銅模內(nèi)腔后，可形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的塊體材料或者零部件。
本發(fā)明的多組元非晶態(tài)鎂合金中，氧含量最好不超過0.1％(重量百分比)。
本發(fā)明提供的多組元鎂合金具有很好的非晶形成能力，經(jīng)熔體銅模澆鑄可形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的塊體材料。鑄件的幾何形狀取決于熔體澆鑄所使用的銅模內(nèi)腔設(shè)計(jì)，可以為圓柱體、棱柱、薄板、多面體等形狀的零部件，銅模質(zhì)量不小于15千克，以保證具有足夠大的熱容吸收熔體的熱量，降低澆鑄后熔體冷卻導(dǎo)致的銅模溫升。模具的溫升應(yīng)低于5℃。在使用圓柱形內(nèi)腔的模具條件下，合金形成完全非晶態(tài)結(jié)構(gòu)塊體的臨界厚度(或直徑)為0.4～2.5厘米。不同成分的合金形成非晶態(tài)塊體材料的臨界尺寸不同。在均形成非晶態(tài)合金的前提下，合金的抗氧化能力、耐蝕性、韌性和熱穩(wěn)定性略有不同。
本發(fā)明提供的多組元非晶態(tài)鎂合金的基本制備過程如下按照給出的合金成分表達(dá)式，分兩步熔煉制備母合金，先將Cu、Ag、Ni、Y、Gd等高熔點(diǎn)組元的塊體材料在真空電弧爐的水冷銅坩堝中反復(fù)熔煉為中間合金，以降低與低熔點(diǎn)組元之間的熔點(diǎn)差異。然后，再將中間合金與Mg、Zn等低熔點(diǎn)元素的塊體材料放置于一起，用真空感應(yīng)熔煉的方法熔煉成母合金。每一步驟的熔煉需反復(fù)數(shù)次，以保證合金成分的均勻，制備后的母合金再經(jīng)感應(yīng)加熱或電阻加熱重熔后，澆入銅模冷卻至室溫，即形成所需的塊體材料或零部件。也可將母合金利用擠壓鑄造技術(shù)制備成零部件。
本發(fā)明提供的非晶態(tài)鎂合金，其軸向壓縮斷裂強(qiáng)度可達(dá)到650～850兆帕。鑄件內(nèi)如有少量氣孔，可導(dǎo)致強(qiáng)度下降。
為了保證由熔體冷卻形成非晶態(tài)，本發(fā)明所提供的合金，Mg含量不能低于45％，也不能超過65％。這一范圍之外的Mg含量將導(dǎo)致合金非晶形成能力下降，不能在較低的冷卻速率下獲得非晶態(tài)的合金，無法制備出厚度超過3毫米的、均勻的非晶態(tài)塊體材料或者零部件。由于Mg元素易于揮發(fā)，在合金配置過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件適量增加些(不超過5％)作為補(bǔ)償，成分的偏差應(yīng)不超過1％(原子百分?jǐn)?shù))。合金中Cu和Ag元素的作用為提高非晶形成能力，(Cu+Ag)的總含量不能高于40％，否則在熔體冷卻過程中易于析出金屬間化合物晶體而不能形成單一、均勻的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。合金中R(Y、Gd、Nd、Mm)元素的作用是提高非晶形成能力和吸收氣相雜質(zhì)元素(如氧)，R含量不能低于8％，也不能超過15％。T(Ni、Zn、Pd)元素可以增強(qiáng)合金的非晶形成能力，其含量不超過5％。X(Zr、Nb、Cr)元素可以提供合金的韌性，但會(huì)使合金的非晶形成能力略有下降或者是組織結(jié)構(gòu)的不均勻，其含量不能超過2％。
本發(fā)明提供的多組元非晶態(tài)鎂合金中允許存在有少量雜質(zhì)，如氫、氧、氮、碳、磷等，雜質(zhì)元素主要來自于起始材料、合金冶煉過程中的氣氛、坩堝材料等。許多合金(如鋯基、鐵基等)的非晶形成能力對(duì)雜質(zhì)的引入極為敏感，少量的雜質(zhì)存即可明顯地導(dǎo)致合金非晶形成能力的下降。例如，合金中的氧含量超過氧的固溶度，會(huì)析出金屬氧化物相，成為結(jié)晶的形核質(zhì)點(diǎn)，從而導(dǎo)致過冷熔體穩(wěn)定性的急劇下降，最終在冷卻過程中無法形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供合金的主要元素Mg和稀土(如Y、La、Ce、Nd、Sm、Gd、Mm等)是非?；顫姷脑兀c氧等氣相雜質(zhì)元素具有很強(qiáng)的親和力，雜質(zhì)元素的引入在合金的制備與鑄造過程中難以避免，但只要適當(dāng)控制合金成分，少量的鎂氧化物和稀土氧化物的存在仍可保證合金具有較好的非晶形成能力。盡管如此，合金中的氧含量不宜超過0.1％(重量百分比)。
根據(jù)銅模與熔體接觸的熱傳導(dǎo)能力，薄板或圓棒中心處的冷卻速率最低，而與銅模接觸的表面冷卻最快。因此，整個(gè)塊體材料能否形成均勻的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是由芯部處的冷卻速率所限制的。塊體材料的厚度(或直徑)每增加1個(gè)數(shù)量級(jí)需要將合金的非晶形成臨界冷卻速率降低約2個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，完全為非晶態(tài)的厚度大約為1、4和25毫米的圓棒，其臨界冷卻速率大致分別相當(dāng)于500、50和10K/秒。許多常見的加工技術(shù)均可達(dá)到這樣的冷卻速率，諸如，將合金熔體鑄入循環(huán)水冷卻的銅模來生產(chǎn)厚度大于1毫米的非晶材料的塊、板、棒或者近凈形零件。本發(fā)明提供的合金非晶形成的臨界冷卻速率(冷卻過程中避免結(jié)晶所需的最小冷卻速率)大約在5～1K/秒，可以采用普通銅模澆鑄的方法制備出塊、板、棒等多種形狀的非晶態(tài)材料或零部件。也可將母合金放入在熔化狀態(tài)下不與合金熔體發(fā)生反應(yīng)的鐵管、鉬管內(nèi)(內(nèi)徑為0.5-3厘米)，抽真空密封后，加熱至合金熔點(diǎn)以上約100℃，熔化均勻后，淬入水(或鹽水等淬火介質(zhì))中，得到非晶態(tài)塊體材料，形成完全非晶材料的臨界尺寸要明顯大于銅模澆鑄的情況。


圖1為銅模澆鑄制備的鑄態(tài)非晶態(tài)合金圓棒，a)直徑為1.6cm的Mg54Cu24.5Ag10.5Y11合金(實(shí)施例1)，b)直徑為2.5cm的Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11合金(實(shí)施例4)；
圖2為七種合金銅模澆鑄圓棒橫截面的X-射線衍射譜，a)Mg54Cu24.5Ag10.5Y11，1.6厘米(實(shí)施例1)，b)Mg60Cu25Ag3Y10Mm2，1.2厘米(實(shí)施例2)，c)Mg56Cu20Ag11Gd6Nd7，1.4厘米(實(shí)施例3)，d)Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11，2.5厘米(實(shí)施例4)，e)Mg55Cu20Ag10Zn3Gd12，1.8厘米(實(shí)施例5)，f)Mg61Cu14Ag12Nd12Zr1，0.8厘米(實(shí)施例6)，g)Mg58Cu18Ag12Ni2Gd9Nb1，0.8厘米(實(shí)施例7)；圖3為七種合金銅模澆鑄圓棒的連續(xù)加熱DSC曲線(加熱速率為20℃/min)，a)Mg54Cu24.5Ag10.5Y11，1.6厘米(實(shí)施例1)，b)Mg60Cu25Ag3Y10Mm2，1.2厘米(實(shí)施例2)，c)Mg56Cu20Ag11Gd6Nd7，1.4厘米(實(shí)施例3)，d)Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11，2.5厘米(實(shí)施例4)，e)Mg55Cu20Ag10Zn3Gd12，1.8厘米(實(shí)施例5)，f)Mg61Cu14Ag12Nd12Zr1，0.8厘米(實(shí)施例6)，g)Mg58Cu18Ag12Ni2Gd9Nb1，0.8厘米(實(shí)施例7)；
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 Mg54Cu24.5Ag10.5Y11合金(名義成分為原子百分比，下同)以市售純金屬M(fèi)g、Cu、Ag、Y元素的棒、塊、錠、板等塊體材料(純度高于99.5％，重量百分比)為起始材料，首先在經(jīng)過鈦純化的氬氣氣氛下電弧熔煉Cu、Ag、Y三元合金作為中間合金，再將Cu、Ag、Y中間合金與Mg元素材料在惰性氣氛下感應(yīng)熔煉成四元母合金錠。母合金錠需反復(fù)熔煉數(shù)次以保證成分的均勻性。取60克母合金材料放置于石墨坩堝中，在普通電阻爐中加熱至580℃熔化后將坩堝移出，傾轉(zhuǎn)倒入銅模中。銅模內(nèi)腔的幾何形狀為φ16mm×60mm(可根據(jù)需要選擇不同的直徑和長(zhǎng)度或其它幾何形狀)。熔體冷卻后形成直徑16mm、長(zhǎng)60mm的圓棒，見圖1a。圓棒橫截面經(jīng)機(jī)械拋光后用于X射線衍射(XRD)分析。在其它條件不變的情況下，改換內(nèi)腔幾何形狀為φ4mm×60mm的銅模，澆鑄出直徑4mm、長(zhǎng)60mm的圓棒，用低速金剛石鋸從圓棒上截取直徑4mm、高8mm的試樣，將兩端拋光，用于軸向壓縮性能測(cè)試，加載的應(yīng)變速率為1×10-4秒-1。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線上測(cè)得的壓縮斷裂強(qiáng)度為820兆帕。自鑄態(tài)圓棒上取少量試樣(約10mg)用于差示掃描量熱(DSC)分析，加熱速率為20℃/分鐘。XRD譜為典型的非晶結(jié)構(gòu)漫散峰，未出現(xiàn)晶體相的衍射峰，說明整個(gè)鑄態(tài)圓棒為單一非晶相，見圖2a。DSC曲線可觀察到由于玻璃轉(zhuǎn)變引起的放熱臺(tái)階和晶化轉(zhuǎn)變引起的若干放熱反應(yīng)，見圖3a，進(jìn)一步證實(shí)鑄態(tài)合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2 Mg60Cu25Ag3Y10Mm2合金以市售純金屬M(fèi)g、Cu、Ag、Y、Mm元素的棒、塊、錠、板等塊體材料(純度高于99.5％，重量百分比)為起始材料，首先在經(jīng)過鈦純化的氬氣氣氛下電弧熔煉Cu、Ag、Y、Mm四元合金作為中間合金，再將Cu、Ag、Y、Mm中間合金與Mg元素材料在惰性氣氛下感應(yīng)熔煉成五元母合金錠。母合金錠需反復(fù)熔煉數(shù)次以保證成分的均勻性。取40克母合金材料放置于石墨坩堝中，在普通電阻爐中加熱至580℃熔化后將坩堝移出，翻轉(zhuǎn)倒入銅模中。銅模內(nèi)腔的幾何形狀為φ12mm×60mm(可根據(jù)需要選擇不同的直徑和長(zhǎng)度或其它幾何形狀)。熔體冷卻后形成直徑12mm、長(zhǎng)60mm的圓棒。圓棒橫截面經(jīng)機(jī)械拋光后用于X射線衍射(XRD)分析。在其它條件不變的情況下，改換內(nèi)腔幾何形狀為φ4mm×60mm的銅模，澆鑄出直徑4mm、長(zhǎng)60mm的圓棒，用低速金剛石鋸從圓棒上截取直徑4mm、高8mm的試樣，將兩端拋光，用于軸向壓縮性能測(cè)試，加載的應(yīng)變速率為1×10-4秒-1。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線上測(cè)得的壓縮斷裂強(qiáng)度為780兆帕。自鑄態(tài)圓棒上取少量試樣(約10mg)用于差示掃描量熱(DSC)分析，加熱速率為20℃/分鐘。XRD譜為典型的非晶結(jié)構(gòu)漫散峰，未出現(xiàn)晶體相的衍射峰，說明整個(gè)鑄態(tài)圓棒為單一非晶相，見圖2b。DSC曲線可觀察到由于玻璃轉(zhuǎn)變引起的放熱臺(tái)階和晶化轉(zhuǎn)變引起的若干放熱反應(yīng)，見圖3b，進(jìn)一步證實(shí)鑄態(tài)合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3 Mg56Cu20Ag11Gd6Nd7合金以市售純金屬M(fèi)g、Cu、Ag、Gd、Nd元素的棒、塊、錠、板等塊體材料(純度高于99.5％，重量百分比)為起始材料，首先在經(jīng)過鈦純化的氬氣氣氛下電弧熔煉Cu、Ag、Gd、Nd四元合金作為中間合金，再將Cu、Ag、Gd、Nd中間合金與Mg元素材料在惰性氣氛下感應(yīng)熔煉成五元母合金錠。母合金錠需反復(fù)熔煉數(shù)次以保證成分的均勻性。取50克母合金材料放置于石墨坩堝中，在普通電阻爐中加熱至580℃熔化后將坩堝移出，翻轉(zhuǎn)倒入銅模中。銅模內(nèi)腔的幾何形狀為φ14mm×60mm(可根據(jù)需要選擇不同的直徑和長(zhǎng)度或其它幾何形狀)。熔體冷卻后形成直徑14mm、長(zhǎng)60mm的圓棒。圓棒橫截面經(jīng)機(jī)械拋光后用于X射線衍射(XRD)分析。在其它條件不變的情況下，改換內(nèi)腔幾何形狀為φ4mm×60mm的銅模，澆鑄出直徑4mm、長(zhǎng)60mm的圓棒，用低速金剛石鋸從圓棒上截取直徑4mm、高8mm的試樣，將兩端拋光，用于軸向壓縮性能測(cè)試，加載的應(yīng)變速率為1×10-4秒-1。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線上測(cè)得的壓縮斷裂強(qiáng)度為810兆帕。自鑄態(tài)圓棒上取少量試樣(約10mg)用于差示掃描量熱(DSC)分析，加熱速率為20℃/分鐘。XRD譜為典型的非晶結(jié)構(gòu)漫散峰，未出現(xiàn)晶體相的衍射峰，說明整個(gè)鑄態(tài)圓棒為單一非晶相，見圖2c。DSC曲線可觀察到由于玻璃轉(zhuǎn)變引起的放熱臺(tái)階和晶化轉(zhuǎn)變引起的若干放熱反應(yīng)，見圖3c，進(jìn)一步證實(shí)鑄態(tài)合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例4 Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11以市售純金屬M(fèi)g、Cu、Ag、Gd元素的棒、塊、錠、板等塊體材料(純度高于99.5％，重量百分比)為起始材料，首先在經(jīng)過鈦純化的氬氣氣氛下電弧熔煉Cu、Ag、Gd三元合金作為中間合金，再將Cu、Ag、Gd中間合金與Mg元素材料在惰性氣氛下感應(yīng)熔煉成四元母合金錠。母合金錠需反復(fù)熔煉數(shù)次以保證成分的均勻性。取150克母合金材料放置于石墨坩堝中，在普通電阻爐中加熱至580℃熔化后將坩堝移出，翻轉(zhuǎn)倒入銅模中。銅模內(nèi)腔的幾何形狀為φ25mm×60mm(可根據(jù)需要選擇不同的直徑和長(zhǎng)度或其它幾何形狀)。熔體冷卻后形成直徑25mm、長(zhǎng)60mm的圓棒，見圖1b。圓棒橫截面經(jīng)機(jī)械拋光后用于X射線衍射(XRD)分析。在其它條件不變的情況下，改換內(nèi)腔幾何形狀為φ4mm×60mm的銅模，澆鑄出直徑4mm、長(zhǎng)60mm的圓棒，用低速金剛石鋸從圓棒上截取直徑4mm、高8mm的試樣，將兩端拋光，用于軸向壓縮性能測(cè)試，加載的應(yīng)變速率為1×10-4秒-1。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線上測(cè)得的壓縮斷裂強(qiáng)度為840兆帕。自鑄態(tài)圓棒上取少量試樣(約10mg)用于差示掃描量熱(DSC)分析，加熱速率為20℃/分鐘。XRD譜為典型的非晶結(jié)構(gòu)漫散峰，未出現(xiàn)晶體相的衍射峰，說明整個(gè)鑄態(tài)圓棒為單一非晶相，見圖2d。DSC曲線可觀察到由于玻璃轉(zhuǎn)變引起的放熱臺(tái)階和晶化轉(zhuǎn)變引起的若干放熱反應(yīng)，見圖3d，進(jìn)一步證實(shí)鑄態(tài)合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例5 Mg55Cu20Ag10Zn3Gd12合金以市售純金屬M(fèi)g、Cu、Ag、Zn、Gd元素的棒、塊、錠、板等塊體材料(純度高于99.5％，重量百分比)為起始材料，首先在經(jīng)過鈦純化的氬氣氣氛下電弧熔煉Cu、Ag、Gd三元合金作為中間合金，再將Cu、Ag、Gd中間合金與Mg、Zn元素材料在惰性氣氛下感應(yīng)熔煉成五元母合金錠。母合金錠需反復(fù)熔煉數(shù)次以保證成分的均勻性。取90克母合金材料放置于石墨坩堝中，在普通電阻爐中加熱至580℃熔化后將坩堝移出，翻轉(zhuǎn)倒入銅模中。銅模內(nèi)腔的幾何形狀為φ18mm×60mm(可根據(jù)需要選擇不同的直徑和長(zhǎng)度或其它幾何形狀)。熔體冷卻后形成直徑18mm、長(zhǎng)60mm的圓棒。圓棒橫截面經(jīng)機(jī)械拋光后用于X射線衍射(XRD)分析。在其它條件不變的情況下，改換內(nèi)腔幾何形狀為φ4mm×60mm的銅模，澆鑄出直徑4mm、長(zhǎng)60mm的圓棒，用低速金剛石鋸從圓棒上截取直徑4mm、高8mm的試樣，將兩端拋光，用于軸向壓縮性能測(cè)試，加載的應(yīng)變速率為1×10-4秒-1。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線上測(cè)得的壓縮斷裂強(qiáng)度為710兆帕。自鑄態(tài)圓棒上取少量試樣(約10mg)用于差示掃描量熱(DSC)分析，加熱速率為20℃/分鐘。XRD譜為典型的非晶結(jié)構(gòu)漫散峰，未出現(xiàn)晶體相的衍射峰，說明整個(gè)鑄態(tài)圓棒為單一非晶相，見圖2e。DSC曲線可觀察到由于玻璃轉(zhuǎn)變引起的放熱臺(tái)階和晶化轉(zhuǎn)變引起的若干放熱反應(yīng)，見圖3e，進(jìn)一步證實(shí)鑄態(tài)合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例6 Mg61Cu14Ag12Nd12Zr1以市售純金屬M(fèi)g、Cu、Ag、Nd、Zr元素的棒、塊、錠、板等塊體材料(純度高于99.5％，重量百分比)為起始材料，首先在經(jīng)過鈦純化的氬氣氣氛下電弧熔煉Cu、Ag、Nd、Zr四元合金作為中間合金，再將Cu、Ag、Nd、Zr中間合金與Mg元素材料在惰性氣氛下感應(yīng)熔煉成五元母合金錠。母合金錠需反復(fù)熔煉數(shù)次以保證成分的均勻性。取20克母合金材料放置于石墨坩堝中，在普通電阻爐中加熱至580℃熔化后將坩堝移出，翻轉(zhuǎn)倒入銅模中。銅模內(nèi)腔的幾何形狀為φ8mm×60mm(可根據(jù)需要選擇不同的直徑和長(zhǎng)度或其它幾何形狀)。熔體冷卻后形成直徑8mm、長(zhǎng)60mm的圓棒。圓棒橫截面經(jīng)機(jī)械拋光后用于X射線衍射(XRD)分析。在其它條件不變的情況下，改換內(nèi)腔幾何形狀為φ4mm×60mm的銅模，澆鑄出直徑4mm、長(zhǎng)60mm的圓棒，用低速金剛石鋸從圓棒上截取直徑4mm、高8mm的試樣，將兩端拋光，用于軸向壓縮性能測(cè)試，加載的應(yīng)變速率為1×10-4秒-1。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線上測(cè)得的壓縮斷裂強(qiáng)度為850兆帕。自鑄態(tài)圓棒上取少量試樣(約10mg)用于差示掃描量熱(DSC)分析，加熱速率為20℃/分鐘。XRD譜為典型的非晶結(jié)構(gòu)漫散峰，未出現(xiàn)晶體相的衍射峰，說明整個(gè)鑄態(tài)圓棒為單一非晶相，見圖2f。DSC曲線可觀察到由于玻璃轉(zhuǎn)變引起的放熱臺(tái)階和晶化轉(zhuǎn)變引起的若干放熱反應(yīng)，見圖3f，進(jìn)一步證實(shí)鑄態(tài)合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例7 Mg58Cu18Ag12Ni2Gd9Nb1
以市售純金屬M(fèi)g、Cu、Ag、Ni、Gd、Nb元素的棒、塊、錠、板等塊體材料(純度高于99.5％，重量百分比)為起始材料，首先在經(jīng)過鈦純化的氬氣氣氛下電弧熔煉Cu、Ag、Ni、Gd、Nb五元合金作為中間合金，再將Cu、Ag、Ni、Gd、Nb中間合金與Mg元素材料在惰性氣氛下感應(yīng)熔煉成六元母合金錠。母合金錠需反復(fù)熔煉數(shù)次以保證成分的均勻性。取20克母合金材料放置于石墨坩堝中，在普通電阻爐中加熱至580℃熔化后將坩堝移出，翻轉(zhuǎn)倒入銅模中。銅模內(nèi)腔的幾何形狀為φ8mm×60mm(可根據(jù)需要選擇不同的直徑和長(zhǎng)度或其它幾何形狀)。熔體冷卻后形成直徑8mm、長(zhǎng)60mm的圓棒。圓棒橫截面經(jīng)機(jī)械拋光后用于X射線衍射(XRD)分析。在其它條件不變的情況下，改換內(nèi)腔幾何形狀為φ4mm×60mm的銅模，澆鑄出直徑4mm、長(zhǎng)60mm的圓棒，用低速金剛石鋸從圓棒上截取直徑4mm、高8mm的試樣，將兩端拋光，用于軸向壓縮性能測(cè)試，加載的應(yīng)變速率為1×10-4秒-1。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線上測(cè)得的壓縮斷裂強(qiáng)度為840兆帕。自鑄態(tài)圓棒上取少量試樣(約10mg)用于差示掃描量熱(DSC)分析，加熱速率為20℃/分鐘。XRD譜為典型的非晶結(jié)構(gòu)漫散峰，未出現(xiàn)晶體相的衍射峰，說明整個(gè)鑄態(tài)圓棒為單一非晶相，見圖2g。DSC曲線可觀察到由于玻璃轉(zhuǎn)變引起的放熱臺(tái)階和晶化轉(zhuǎn)變引起的若干放熱反應(yīng)，見圖3g，進(jìn)一步證實(shí)鑄態(tài)合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
表1 代表性合金以及在銅模澆鑄條件下可以形成均勻非晶態(tài)圓棒材料的最大直徑(Dmax)

權(quán)利要求
1.一類易于通過熔體銅模澆鑄形成非品態(tài)結(jié)構(gòu)的鎂合金，其成分表達(dá)式為Mga(Cu1-xAgx)bRc，其中a，b，c為原子百分比，R為元素Y、Gd、Nd、Mm(Mm為混合稀土)中的至少一種，a＝45～65％，b＝25～45％，c＝8～15％，a+b+c＝100％，x＝0.01～0.5。
2.一類易于通過熔體銅模澆鑄形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的鎂合金，其成分表達(dá)式為Mga(Cu1-xAgx)bTyRc，其中a，b，c，y為原子百分比，T為元素Ni、Zn、Pd中的至少一種，R為元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一種，a＝45～65％，(b+y)＝25～45％，c＝8～15％，a+b+y+c＝100％，x＝0.01～0.5，y≤5％。
3.一類易于通過熔體銅模澆鑄形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的鎂合金，其成分表達(dá)式為Mga(Cu1-xAgx)bRcXz，其中a，b，c，z為原子百分比，R為元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一種，X為元素Zr、Nb、Cr中的至少一種，a＝45～65％，b＝25～45％，(c+z)＝8～15％，a+b+c+z＝100％，x＝0.01～0.5，z≤2％。
4.一類易于通過熔體銅模澆鑄形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的鎂合金，其成分表達(dá)式為Mga(Cu1-xAgx)bTyRcXz，其中a，b，y，c，z為原子百分比，T為元素Ni、Zn、Pd中的至少一種，R為元素Y、Gd、Nd、Mm中的至少一種，X為元素Zr、Nb、Cr中的至少一種，a＝45～65％，(b+y)＝25～45％，(c+z)＝8～15％，a+b+y+c+z＝100％，x＝0.01～0.5，y≤5％，z≤2％。
全文摘要
本發(fā)明提供了一類可以形成厘米尺度非晶態(tài)塊體材料的鎂合金，其特征在于，合金成分的表達(dá)式為Mg
文檔編號(hào)B22D21/00GK1844433SQ20051004618
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2005年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月6日
發(fā)明者麻晗, 徐堅(jiān), 史玲玲, 鄭強(qiáng), 沈勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所