[发明专利]一种镁合金石墨烯变质剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种镁合金石墨烯变质剂及其制备方法和应用。所述方法为：将镁在坩埚中加热熔化，得到镁熔体；在坩埚的顶部引入空气或由氧气与稀有气体混合而成的混合气体，混合气体中氧气的体积含量为10～25％；将CO持续通入至镁熔体中进行镁热反应，直至镁熔体中生成的石墨烯的质量百分含量为0.1～10％，得到复合熔体；在CO与镁熔体发生镁热反应的同时，使坩埚的顶部的温度为300℃以上，并在坩埚的顶部引燃逸出的未参与反应的CO；将复合熔体静置，然后使其凝固，得到镁合金石墨烯变质剂。本发明有效控制了反应产物中氧化镁的含量，既能够对基体镁实现晶粒细化，也能够改变共晶组织的形貌，能够使得铸件获得理想的力学性能。

技术领域

本发明涉及有色金属材料制备技术领域，具体涉及一种镁合金石墨烯变质剂及其制备方法和应用。

背景技术

铸造镁合金由于其低廉的成本被认为有十分广泛的应用潜力，镁合金的铸造技术已发展成熟，但室温下塑性差、强度差的缺点使其应用受限。研究发现，金属材料的晶粒尺寸越小，材料的屈服强度越高。因此晶粒细化技术是改善铸造镁合金的重要手段。目前，向熔体中添加变质剂来促进异质形核是细化铸造镁合金的最主要手段。Zr作为最有效的变质剂已成功应用于非Mg-Al系合金商业化生产。但是，Zr变质剂却不适用于应用最为广泛的Mg-Al系合金，因为Zr会和Al元素反应形成化合物沉淀。对于Mg-Al系合金而言，添加碳质变质剂是Mg-Al系合金非常有效的细化方法，如含碳气体、有机氯化物和固态含碳变质剂，但是这些变质剂难以精准控制，工艺要求严格，细化效果不稳定，甚至会排出有毒气体，对操作人员身体带来伤害。目前仍然没有一种细化剂(变质剂)可作为Mg-Al系合金理想的商用变质剂。目前的Mg-Al系镁合金尚无简单高效的变质剂，导致其铸态性能难以满足工程需求。所以，开发一种应用最为广泛的Mg-Al系镁合金的变质剂具有重要的工程意义。

石墨烯是具有大的比表面积的新型碳材料，通过石墨烯与Al元素发生反应生成Al-C化合物，这种化合物可作为镁合金的理想异质形核核心，提高了镁合金凝固过程的初始晶核数量，从而有效细化镁合金。但是石墨烯间的叠层团聚问题很难将其均匀的引入镁合金中，因此预先制备出含有石墨烯的中间合金是一种可行办法。在本团队的前期的研究中(参见中国专利申请CN109554573A)，通过利用二氧化碳与镁反应成功制备出均匀分散含石墨烯变质剂的中间合金，这种方法在镁合金中有广泛的应用潜力。本团队前期研究的这种含石墨烯变质剂的中间合金细化剂能够通过石墨烯和Mg-Al系镁合金中Al元素的反应而形成新的形核质点，在此体系的镁合金中有显著的细化效果，成功的解决了Mg-Al系镁合金中尚未有合适的细化剂的瓶颈，但是经过深入的研究却发现这种细化剂对还含有Zn的Mg-Zn系镁合金细化效果甚至都不如Zr细化剂(Zr对不含铝的镁合金有效果)；此外，该研究在制备过程中也存在由于高含量的氧化镁的生成而导致弱化了石墨烯变质剂的效果的问题。

因此，如何获得一种能够有效的控制原位反应中氧化镁的含量使石墨烯变质剂达到其理想的效果的石墨烯变质剂是至关重要的。

综上，非常有必要提供一种镁合金石墨烯变质剂及其制备方法和应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种镁合金石墨烯变质剂及其制备方法和应用。本发明方法成本低廉，操作简单，操作安全系数高，本发明制备的镁合金石墨烯变质剂氧化镁含量低，具有细化效率高，铸件性能提升明显等优点，可应用于大规模工业化制造新型镁合金。

本发明在第一方面提供了一种镁合金石墨烯变质剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将镁在坩埚中加热熔化，得到镁熔体；在所述坩埚的顶部引入空气或由氧气与稀有气体混合而成的混合气体，使所述坩埚的顶部与流动的空气或流动的所述混合气体直接接触，所述混合气体中氧气的体积百分含量为10～25％；