利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法；所述方法包括如下步驟：確定鎂稀土合金固溶處理溫度；中頻電磁感應(yīng)加熱處理鎂稀土合金試樣，所述加熱處理時(shí)試樣溫度穩(wěn)定在步驟A確定的固溶處理溫度；鎂稀土合金試樣固溶處理完成后，淬火冷卻至室溫，即可。本發(fā)明極大地縮短固溶處理時(shí)間，極大地減少固溶處理消耗的電能；對(duì)于某些特殊情況(比如精密鎂合金)，可以獲得更好的固溶處理效果，如，防止其在長時(shí)間的固溶加熱過程中氧化等。
【專利說明】利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鎂合金熱處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂及鎂合金有很多的優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)商用綠色環(huán)保和生態(tài)金屬結(jié)構(gòu)材料”，正在汽車工業(yè)、電子通訊業(yè)和航空航天等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]然而，現(xiàn)有鎂合金還存在著強(qiáng)度差、使用溫度低和易腐蝕等缺點(diǎn)，影響了鎂合金在這些領(lǐng)域中的進(jìn)一步推廣。如何改善鎂合金的綜合性能，是從20世紀(jì)中期開始材料科學(xué)家不斷研究的課題。有關(guān)研究表明，添加稀土元素是提升鎂合金性能的重要手段。對(duì)于鎂稀土合金，固溶處理和時(shí)效處理是保證其優(yōu)越性能的重要工藝。然而實(shí)際的生產(chǎn)情況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明，在一般電阻加熱的情況下，鎂稀土合金固溶處理耗時(shí)長，耗能大，容易產(chǎn)生表面氧化和變形。因此提高鎂稀土合金固溶處理效率有著重要的意義。
[0004]高中頻磁場(chǎng)用于加熱時(shí)，具有快速的特點(diǎn)，但無法解決集膚效應(yīng)的問題，故多應(yīng)用于對(duì)加熱精度要求不高的情況如表面淬火等，而難以應(yīng)用于對(duì)加熱均勻性較高的熱處理上。另外，外加磁場(chǎng)雖已被證實(shí)可影響金屬原子的擴(kuò)散過程，但這種影響的程度大大受到磁場(chǎng)類型，金屬本身結(jié)構(gòu)和原子本身特征的影響，對(duì)多數(shù)合金的固溶處理加速并不明顯，因此難以實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)和工程意義。
[0005]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，專利號(hào)為CN102560014A的中國專利公開了脈沖磁場(chǎng)下快速加熱熱處理裝置及熱處理方法；其提出快速利用脈沖磁場(chǎng)加熱的熱處理裝置和方法，可以使熱處理的金屬快速達(dá)到預(yù)定溫度，但并未涉及磁場(chǎng)對(duì)原子擴(kuò)散速率的影響。在電磁場(chǎng)熱處理合金改變性能領(lǐng)域，專利號(hào)為CN101775520的中國發(fā)明專利公開了利用磁場(chǎng)處理制備高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方法，其提出了一種磁場(chǎng)控制Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方法，改善了材料的導(dǎo)電率和強(qiáng)度等性能，也并未涉及熱處理過程的速率?？偨Y(jié)來說，目前為止，還沒有公開的相關(guān)專利和論文指出用一種電磁場(chǎng)加熱，提高合金固溶速率的有效方法，在鎂合金領(lǐng)域更是如此。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)電阻加熱方式下鎂合金固溶處理耗時(shí)長耗能多等缺點(diǎn)，提供一種利用中頻 磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法。其本質(zhì)上是一種新型的利用中頻交變磁場(chǎng)加快元素?cái)U(kuò)散，進(jìn)而提高鎂-稀土合金固溶處理效率的技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)有:可以極大地縮短固溶處理時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示時(shí)間節(jié)省可以達(dá)到50%以上；可以極大地減少固溶處理消耗的電能，經(jīng)計(jì)算，可以節(jié)省超過50%的電能；對(duì)于某些特殊情況(比如精密鎂合金)，可以獲得更好的固溶處理效果(防止其在長時(shí)間的固溶加熱過程中氧化等)。進(jìn)一步設(shè)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用方法，更新周邊相關(guān)的輔助設(shè)備和技術(shù)，投入生產(chǎn)后，它將使得鎂合金的固溶處理技術(shù)發(fā)生一次大的飛躍。[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明涉及一種利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，包括如下步驟:
[0009]A、確定鎂稀土合金固溶處理溫度(即:樣品將在此溫度下進(jìn)行固溶的時(shí)效處理)；
[0010]B、中頻電磁感應(yīng)加熱處理鎂稀土合金試樣，所述加熱處理時(shí)試樣溫度穩(wěn)定在步驟A確定的固溶處理溫度；
[0011]C、鎂稀土合金試樣固溶處理完成后，淬火冷卻至室溫，即可。
[0012]優(yōu)選地，所述鎂稀土合金中稀土元素的質(zhì)量百分比含量為5%~30%。更優(yōu)選為3%~17%。
[0013]更優(yōu)選地,所述稀土元素包括Gd、Nd、Y、Sm、Ce、La、Dy或Pr。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟A具體為:根據(jù)相圖，結(jié)合所述鎂稀土合金的化學(xué)成分，確定合適的固溶處理溫度。[0015]優(yōu)選地，步驟B中，所述中頻電磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)頻率為2000~5000Hz。磁場(chǎng)頻率的具體數(shù)值由試樣尺寸和所用的溫度決定。
[0016]更優(yōu)選地，所述步驟B具體為:將鎂稀土合金試樣放置于中頻電磁感應(yīng)加熱爐感應(yīng)線圈的中央位置，調(diào)節(jié)中頻電磁感應(yīng)加熱爐的輸出功率，使得試樣溫度穩(wěn)定在步驟A確定的固溶處理溫度。記錄下此時(shí)的中頻電磁感應(yīng)加熱爐的輸出功率，頻率等參數(shù)有利于實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)后分析。
[0017]優(yōu)選地，所述輸出功率使得試樣或工件自身溫度穩(wěn)定于合適的固溶處理溫度。所述輸出功率常在2kW~IOkW范圍內(nèi)，所述固溶處理溫度常在300°C~700°C范圍內(nèi)。其中固溶處理溫度由材料本身性質(zhì)決定；而輸出功率大小由試樣尺寸、形狀、固溶處理溫度等決定，為使試樣或工件溫度穩(wěn)定于理論固溶溫度時(shí)的輸出功率。
[0018]優(yōu)選地，步驟B中，所述鎂稀土合金試樣為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀。如:圓柱、棱柱等。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟B中還包括對(duì)加熱處理中的試樣進(jìn)行溫度測(cè)量和控制的步驟。固溶處理溫度對(duì)鎂稀土合金的固溶處理影響很大，保證熱處理在合適的溫度下進(jìn)行十分必要?？紤]到元器件的放置位置會(huì)導(dǎo)致溫度不同，要求在固溶處理過程中對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行溫度測(cè)量和控制。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟C還包括檢驗(yàn)淬火后的鎂稀土合金組織來優(yōu)化固溶處理時(shí)間的步驟。以優(yōu)化過的固溶處理時(shí)間完成步驟B、C，即完成優(yōu)化的鎂稀土合金的固溶處理。
[0021]本發(fā)明公開了一種利用磁場(chǎng)提高鎂稀土合金固溶處理的效率方案，指出一種中頻磁場(chǎng)可大大加速鎂稀土合金的固溶處理，這主要基于以下三點(diǎn)事實(shí):(I)稀土元素原子均具有金屬性，且外層未占滿的電子軌道較多，決定了其對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)更顯著；(2)稀土元素原子半徑接近或大于鎂原子，其在鎂基體中的擴(kuò)散更容易受到外場(chǎng)誘導(dǎo)；(3)中頻磁場(chǎng)有一定強(qiáng)度且在一定尺度上不會(huì)產(chǎn)生明顯的集膚效應(yīng)而導(dǎo)致工件加熱不均勻。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0023]與傳統(tǒng)的以箱式電阻爐加熱的方式相比，本發(fā)明提供的方法可以極大地縮短固溶處理時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示時(shí)間節(jié)省可以達(dá)到50%以上；可以極大地減少固溶處理消耗的電能，經(jīng)計(jì)算，可以節(jié)省超過50 %的電能；對(duì)于某些特殊情況(比如精密鎂合金)，可以獲得更好的固溶處理效果(防止其在長時(shí)間的固溶加熱過程中氧化等)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0025]圖1為具體試樣尺寸示意圖；
[0026]圖2為兩種加熱方式下固溶處理0.5h后Mg-Gd合金的金相照片；其中，a為500°C電磁感應(yīng)加熱0.5h，500倍；b為500°C常規(guī)電阻加熱0.5h，500倍；
[0027]圖3為兩種加熱方式下固溶處理后剩余第二相面積比隨時(shí)間變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029]實(shí)施例1
[0030]本實(shí)施例涉及Mg-Gd合金固溶處理,具體包括如下步驟:
[0031](I)確定合金固溶溫度:此實(shí)例中所用合金經(jīng)感應(yīng)耦合等離子體(ICP)分析，實(shí)際成分為Mg-16.66% Gd-0.082% Zr。據(jù)相圖可選定為500°C為其合適的固溶處理溫度。元器件為直徑2cm，高Icm的圓柱(如圖1所示，小孔用于熱電偶測(cè)溫)。為研究本發(fā)明的方法對(duì)整個(gè)固溶處理過程的影響，并與常規(guī)固溶處理進(jìn)行對(duì)比，用兩組共10個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中一組用于本發(fā)明方法-電磁場(chǎng)加熱下的固溶處理，另外一組用于常規(guī)方法-箱式電阻爐下的固溶(作為對(duì)照)。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度檢測(cè)和調(diào)節(jié)。
[0032](2)電磁感應(yīng)加熱處理樣品:打開中頻電磁感應(yīng)加熱爐，調(diào)整其輸出功率，使試樣溫度穩(wěn)定在500°C:此時(shí)其輸出功率為6kW，磁場(chǎng)頻率為2200Hz。
[0033](3)淬火及確定固溶過程完成時(shí)間:為優(yōu)化合金固溶處理時(shí)間，4個(gè)試樣分別以本發(fā)明方法進(jìn)行固溶處理15mim，0.5h，lh，2h，拿出后迅速淬火冷卻至室溫。作為對(duì)比，另有6個(gè)試樣在同樣溫度下，以常規(guī)方法進(jìn)行固溶處理15mim,0.5h, lh, 2h, 4h, 8h。所有試樣在保溫相應(yīng)時(shí)間段后淬火，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察，以確定兩種固溶處理方法完成所需要的時(shí)間。固溶處理基本完成的標(biāo)志是大部分第二相已溶解進(jìn)入基體。因此對(duì)兩種固溶處理方法下處理不同時(shí)間的所有試樣，均依據(jù)光學(xué)顯微鏡照片(如圖2所示)進(jìn)行第二相面積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)(如圖3所示)。對(duì)于這兩種方法，當(dāng)?shù)诙嗝娣e分?jǐn)?shù)為零的試樣所對(duì)應(yīng)的固溶處理時(shí)間即為固溶處理完成的時(shí)間。
[0034](4)由圖2，圖3可以得出以下結(jié)論:利用兩種加熱方式在500°C下對(duì)Mg-16.66%Gd-0.082% Zr合金進(jìn)行固溶處理，本發(fā)明提供方法中，0.5h為固溶處理完成時(shí)間。而常規(guī)方法中，8h為固溶處理完成時(shí)間。在固溶處理進(jìn)行到相同時(shí)間時(shí)，本專利提供方法中試樣里的第二相的剩余明顯少于常規(guī)方法中的。故可以判斷本專利方法可有效提高M(jìn)g-Gd合金固溶處理的效率。
[0035]實(shí)施例2[0036]本實(shí)施例涉及Mg-Nd合金固溶處理,具體包括如下步驟:
[0037](I)確定合金固溶溫度:此實(shí)例中所用元器件材料為商用NZK合金，其成分為Mg-3% Nd-0.2% Zn。據(jù)相圖確定在此成分下合適的固溶處理溫度為540°C。該元器件形狀為IOmmX25mmX25mm的方塊。兩組共10個(gè)試樣以兩種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此實(shí)施例中其他實(shí)驗(yàn)設(shè)置與實(shí)施例1中相似。
[0038](2)電磁感應(yīng)加熱處理樣品:打開中頻電磁感應(yīng)加熱爐，調(diào)整功率，使試樣溫度穩(wěn)定在540°C:此時(shí)其輸出功率為3.7kW，磁場(chǎng)頻率為2200Hz。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度檢測(cè)和調(diào)節(jié)。
[0039](3)淬火及確定固溶過程完成時(shí)間:為優(yōu)化合金固溶處理時(shí)間，4個(gè)試樣分別以本專利方法進(jìn)行固溶處理15mim，0.5h，lh，2h，拿出后迅速淬火冷卻至室溫。作為對(duì)比，另有4個(gè)試樣在同樣溫度下，以常規(guī)方法進(jìn)行固溶處理15mim,0.5h, lh, 2h, 4h, 8h。所有試樣在保溫相應(yīng)時(shí)間段后淬火，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察，以確定兩種固溶處理方法完成所需要的時(shí)間。用與實(shí)施例1中 相同的方法確定固溶處理完成時(shí)間。
[0040]與實(shí)施例1類似，發(fā)現(xiàn)在此實(shí)施例中，本發(fā)明提供方法下，NZK合金固溶處理完成時(shí)間為0.5h，而常規(guī)方式下，固溶處理完成時(shí)間為4h?？膳袛鄬＠椒ㄍ瑯哟蠓忍岣吡薔ZK合金的固溶處理效率。
[0041]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，包括如下步驟: A、確定鎂稀土合金固溶處理溫度； B、中頻電磁感應(yīng)加熱處理鎂稀土合金試樣，所述加熱處理時(shí)試樣溫度穩(wěn)定在步驟A確定的固溶處理溫度； C、鎂稀土合金試樣固溶處理完成后，淬火冷卻至室溫，即可。
2.如權(quán)利要求1所述的利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，所述鎂稀土合金中稀土元素的質(zhì)量百分比含量為5%~30%。
3.如權(quán)利要求2所述的利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，所述稀土元素包括Gd、Nd、Y、Sm、Ce、La、Dy或Pr。
4.如權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，所述步驟A具體為:根據(jù)相圖，結(jié)合所述鎂稀土合金的化學(xué)成分，確定合適的固溶處理溫度。
5.如權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，步驟B中，所述中頻電磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)頻率為2000~5000Hz。
6.如權(quán)利要求 5所述的利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，所述步驟B具體為:將鎂稀土合金試樣放置于中頻電磁感應(yīng)加熱爐感應(yīng)線圈的中央位置，調(diào)節(jié)中頻電磁感應(yīng)加熱爐的輸出功率，使得試樣溫度穩(wěn)定在步驟A確定的固溶處理溫度。
7.如權(quán)利要求6所述的利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，所述輸出功率使得試樣或工件自身溫度穩(wěn)定于合適的固溶處理溫度。
8.如權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，步驟B中，所述鎂稀土合金試樣為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀。
9.如權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，所述步驟B中還包括對(duì)加熱處理中的試樣進(jìn)行溫度測(cè)量和控制的步驟。
10.如權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的利用中頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的鎂稀土合金的快速固溶處理方法，其特征在于，所述步驟C還包括檢驗(yàn)淬火后的鎂稀土合金組織來優(yōu)化固溶處理時(shí)間的步驟。
【文檔編號(hào)】C22F1/06GK103911570SQ201410116499
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】錢勝前, 胡小禹, 彭立明, 付彭懷, 丁文江 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)