CN100410407C - Mg-Al-Si-Mn-Ca合金制备方法 - Google Patents

Mg-Al-Si-Mn-Ca合金制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Mg-Al-Si-Mn-Ca合金及其制备方法,该合金由下述重量百分比的组分组成:Al 5.0~7.0%、Mn 0.2~0.5%、Zn≤0.2%、Si 0.5~2.0%、Ca≤0.3%,余量为镁。其制备方法为:向熔炉中通入保护气体并加热至400~500℃,加入预热的纯铝锭、纯镁锭;将炉温升至680~720℃,待炉料熔化后加入预热的铝锰中间合金,最后加入纯Zn,熔化后搅拌均匀;将炉温升温至760~780℃,将硅钙合金加入合金液并搅拌均匀;搅拌后静置25~40分钟后降温到690~720℃;将铸型预热,待镁合金液的温度降至690~720℃进行浇注。本发明在含铝镁合金中加入Si、Ca合金元素,通过反应在其基体上自生颗粒增强相以改善合金的微观组织,从而提高该类合金的强度、硬度和塑韧性。

Description

Mg-Al-Si-Mn-Ca合金制备方法技术领域本发明属于镁合金及其制备方法,具体涉及Mg-Al-Si-Mn-Ca合金的制备 方法。 背景技术镁合金是迄今最轻的金属结构材料,由于其具有较高的比强度、比刚度 和比较大的减震系数,因此,被广泛应用于汽车、航天、通讯和计算机等行 业。目前应用最广的镁合金是Mg-Al系列,如AZ91和Mg-Al系。但这类合 金的强度,韧性和高温性能在很多方面都达不到要求,从而限制了镁合金的 应用。为了提高镁合金的性能,以满足各方面的应用,许多研究人员曾尝试 在现有合金中加入合金元素,来提高其性能。例如上海交通大学曾小勤、彭 立明等人研究了稀土加入Mg-Al系后对合金组织和力学性能的影响(曹幸, 彭立明,曾小勤等,机械工程材料,27巻第2期(2003): 21-24页),加入 稀土后,合金中形成针状的稀土相容易割裂基体,而且加入稀土元素提高了 镁合金的成本。上海交通大学和东南大学袁广银等研究了 Sb对Mg-9A1和 Mg-Al-Zn-Si的组织和性能的影响(袁广银孙扬善等中国有色金属学报9 巻4期(1999): 779-784页;袁广银刘满平等金属学报38巻10期(2002): 1101-1108页),加入Sb后合金的力学性能有了很大的提高,但Sb的密度较 大,而且Sb是稀有元素,加入后提高了合金的成本。另外采用低成本的不连续颗粒或纤维增强的镁合金材料,具有更高的比强 度、比刚度、耐高温、耐磨损等优良性能,逐渐受到人们的重视。采用原位反 应法获得自生颗粒增强相的镁合金材料,由于增强相在基体内反应生成,具有 尺寸小、界面洁净无污染、热稳定性好、与基体相容性好、制备成本低等优点, 已成为镁合金材料研究中的一个重要发展方向。采用高强度、高模量、低密度 增强相可提高镁合金的常温力学性能,并显著提高镁合金的高温强度与高温蠕变性能。如Mg2Si相,其熔点高(1085°C),密度低(1.99X103Kg/m3),硬 度高(4500GPa),热膨胀系数低(CTE-7.5X10-6K-l)和弹性模量高(120GPa),可用以强化镁合金,改善材料的热稳定性与抗蠕变性能。西安理工大学研究了 Si对AZ91镁合金组织和性能的影响(黄正华,郭学锋等材料工程6期(2004): 28-32页),加入硅元素后,合金中形成了粗大的汉字形Mg2Si相, 使合金力学性能大幅度降低。东南大学研究了 Ca, Si复合对AZ91合金的组 织和性能的影响(闵学刚孙扬善等东南大学学报32巻3期(2002): 409-414 页),郑州大学齐新华等研究了 Ca, Si复合合金化对Mg-Al系合金的组织和 性能的影响(齐新华等.Ca、 Si复合加入对Mg-Al系镁合金组织和性能的影 响.轻合金加工技术.2004, 32(8):48-51.)研究表明Ca对形成的粗大的Mg2Si 相具有变质作用,使转变为规则的多边形状,从而提高合金的性能。但这种复 合微合金化需要添加两次中间合金,即工序较多,从而成本较高。工业用硅钙合金是冶炼优质钢理想的复合脱氧剂,去硫剂;可防止钢包 口结瘤,代替铝进行连铸钢钢液的终脱氧;硅钙合金粉剂已成为钢包喷粉用 的主要粉剂,并能改变钢中夹杂物的形态,从而大幅度提高钢的铸造性能和 机械性能。硅钙合金还用作铸铁生产中的孕育剂和添加剂。硅钙合金已成为 优质钢冶炼和铸铁生产中不可缺少的合金材料,但将硅钙合金应用到镁合金 领域在国内外文献中还未见报道。 发明内容本发明的目的是提供一种Mg-Al-Si-Mn-Ca合金的制备方法,通过在含铝 镁合金中加入Si、 Ca合金元素,在镁合金熔铸过程中通过反应在其基体上自 生颗粒增强相以改善合金的微观组织,从而提高该类合金的强度、硬度和塑 韧性。为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:Mg-Al-Si-Mn-Ca合金由下 述重量百分比的组分组成:Al 5.0~7.0%、Mn 0.2~0.5%、Zi^0.2%、 Si 0.5~2.0%、 Ca50.3%,余量为镁。制备上述Mg-Al-Si-Mn-Ca合金的过程包括以下步骤: ①向熔炉中预先通入保护气体,待加热至400~500°C,加入按比例计算已经过预热的纯铝锭、纯镁锭;② 将炉温升至680~720°C,待装入的炉料全部熔化后,加入预热的铝锰 中间合金,待中间合金烙化后,最后加入重量比50.2%的纯Zn,熔化后将合 金液搅拌均匀;③ 将炉温升温至76(K780'C,将重量比为0.5〜2.0% (以Si计算)的硅钙 合金加入合金液,搅拌均匀,并除去表面熔渣;④ 搅拌后,静置25〜40分钟,然后降温到6卯〜720'C;⑤ 将铸型预热至220~260'C,待镁合金液的温度降至690-720'C时进行浇 注。铸锭冷却后即得含有自生颗粒增强相的Mg-Al-Si-Mn-Ca合金。为了消除在铸造过程中造成的成分偏析等不均匀性,浇注后铸锭要在 390〜420'C下保温6~20小时进行均匀化处理,随后在200〜210'C进行人工时 效处理。所通入的保护气体为CO2:SF6=6~10:l。在装料及熔化过程中,发现镁液露出并燃烧时,应适当增大通气量将其 吹灭。浇注时扒去镁合金液表面的熔渣,浇口尽量靠近铸型,浇注过程中用保 护气体吹向液体表面。本发明通过用硅钙合金直接加入到Mg-Al系合金中以引入Si和Ca元素, 从而直接产生添加Si同时又使Ca起到变质作用的目的,而硅钙合金中少量 Al本身就是Mg-Al系合金的基体成分,影响不大,少量的C也能起到晶粒细 化的作用。本发明在镁合金基体上通过反应直接获得尺寸小且弥散分布的自 生颗粒增强相即Mg2Si,合金晶粒细化、第二相弥散分布,抗拉强度、硬度、 伸长率、冲击功等强度和塑韧性等性能有较大幅度提高,耐腐蚀性能和铸造 性能也有所提高。加入硅钙合金也改善了镁合金的流动性和其中夹杂物形态 等诸如其在钢中的作用。同时,本发明通过加硅转合金的方式制备含铝镁合 金克服了以中间合金方式加硅、钙的不足,与以往以A1-Ca, Mg-Si或Mg-Ca 等中间合金方式在镁合金中生成颗粒增强Mg2Si相的工艺相比,本发明的熔 铸工艺工序减少,操作简单,从而节省了合金生产成本。图la、 lb为Mg-Al系合金中加入硅钙合金前后的铸态显微组织照片,加 入硅钙合金后,基体上形成弥散分布的多变形Mg2Si相,对基体起到一定的 弥散强化作用。图2为Mg-Al系合金加入硅钙合金后的XRD相分析图谱,表明加入硅 钙合金后,合金基体上通过反应生成了熔点和稳定性较髙的颗粒增强相Mg2Si相。图3a、 3b为Mg-Al系合金加入硅钙合金前后的均匀化后的显微组织,从 组织可以看出,加入硅钙合金后,显微组织明显细化。图4为Mg-Al系合金加入硅钙合金前后的失重腐蚀试验,由图显示,Mg-Al 系合金中加入硅钙合金后其耐腐蚀性能也有较大程度的提高。图5为Mg-Al系合金加入硅钙合金前后的电极电位测试结果,从图中液 可以看出,加入硅钙合金后Mg-Al系合金的耐腐蚀性能有较大程度的提高。图6是Mg-Al系合金铸态基体的显微硬度,图7是合金铸态力学性能测 试结果,由图6和图7显示,加入适当的硅钙合金后Mg-Al系合金铸态显微 硬度显著提高,抗拉强度、冲击功、伸长率等也有明显的提高。图8为合金流动性测试结果,从图中看出,加入硅钙合金后,合金的流 动性有较大的提高。 附图说明图la、 lb分别是Mg-Al系中加入硅钙合金前后的铸态显微组织照片;图2是Mg-Al系加入硅钙合金后的XRD相分析图谱;图3a、 3b分别是Mg-Al系加入硅钙合金前后的均匀化后的显微组织;图4为Mg-Al系合金加入硅钙合金前后的失重腐蚀试验;图5为Mg-Al系合金加入硅钙合金前后的电极电位测试结果;图6为Mg-Al系合金铸态基体的显微硬度;图7为合金铸态力学性能测试结果;图8为合金流动性测试结果。具体实施方式 实施例1:Mg-Al-Si-Mn-Ca合金,由下述重量百分比的组分组成:Al 6.0%、 Mn 0.5%、 ZnO.2%, Si 1.0%、 CaO.18%,余量为镁。 其制备方法为-① 向熔炉预先通入按比例为CO2:SF6-10:l的保护气体,待加热至400'C, 加入按烧损率为10%计算已经过预热的纯铝锭和纯镁锭。② 将炉温升至700'C,待装入的炉料全部熔化后,加入预热的Al-10Mn 中间合金(也可为Al-20Mn),待中间合金熔化后,最后加入纯Zn,熔化后将 合金液搅拌均匀。③ 将炉温升温至780'C,将重量比1.0% (按Si计算)硅钙合金加入合金 液,搅拌均匀,并除去表面熔渣。④ 搅拌2分钟后,静置30分钟。(D将铸型预热至250'C ,镁合金液的温度降至72(TC进行浇注。扒去镁合 金液表面的熔渣,浇口尽量靠近铸型,浇注过程中用保护气吹向液体表面, 以免镁液被氧化。铸锭冷却后即得含有自生颗粒增强相的含铝镁合金。热处理:固溶处理温度为410'C,保温时间12小时。采用自来水作介质进行淬火 处理。人工时效温度为205'C。 实施例2:Mg-Al-Si-Mn-Ca合金,由下述重量百分比的组分组成:Al 7.0%、 Mn 0.2%、 Zn0.2%, Si 1.8%、 Ca0.28%,余量为镁。其制备方法为:① 向熔炉预先通入按比例为C02:SF6-8:1的保护气体,待加热至450'C, 加入按烧损率为10%计算已经过预热的纯铝锭和纯镁锭。② 将炉温升至680'C,待装入的炉料全部熔化后,加入预热的Al-10Mn 中间合金,待中间合金熔化后,最后加入纯Zn,熔化后将合金液搅拌均匀。③ 将炉温升温至770'C,将重量比1.8% (按Si计算)硅妈合金加入合金液,搅拌均匀,并除去表面熔渣。④ 搅拌2分钟后,静置25分钟。⑤ 将铸型预热至220'C ,镁合金液的温度降至690'C进行浇注。扒去镁合 金液表面的熔渣,浇口尽量靠近铸型,浇注过程中用保护气吹向液体表面, 以免镁液被氧化。铸锭冷却后即得含有自生颗粒增强相的含铝镁合金。热处理:固溶处理温度为420'C,保温时间8小时。采用自来水作介质进行淬火处 理。人工时效温度为210'C。金相照片显示,基体上分布着规则块状的Mg2Si颗粒,与实施例l相同。 只是加入硅钙合金较多,基体上分布着较多的Mg2Si。实施例3:Mg-Al-Si-Mn-Ca合金,由下述重量百分比的组分组成:Al 5.0%、 Mn 0.2%、 Zn0.2%, Si 0.6%、 Ca0.1%,余量为镁。其制备方法为:① 向熔炉预先通入按比例为C02:SF6-6:1的保护气体,待加热至500'C, 加入按烧损率为10°/。计算己经过预热的纯铝锭和纯镁锭。② 将炉温升至720'C,待装入的炉料全部熔化后,加入预热的Al-10Mn 中间合金,待中间合金熔化后,最后加入纯Zn,熔化后将合金液搅拌均匀。③ 将炉温升温至760'C,将重量比0.6% (按Si计算)硅钙合金加入合金 液,搅拌均匀,并除去表面熔渣。④ 搅拌2分钟后,静置40分钟。(D将铸型预热至260'C,镁合金液的温度降至700'C进行浇注。扒去镁合 金液表面的熔渣,浇口尽量靠近铸型,浇注过程中用保护气吹向液体表面, 以免镁液被氧化。铸锭冷却后即得含有自生颗粒增强相的含铝镁合金。热处理:固溶处理温度为39(TC,保温时间20小时。采用自来水作介质进行淬火处理。人工时效温度为200。C。金相照片显示,基体上分布着较少的规则块状的Mg2Si颗粒,与实施例 l相同。铸态性能比较:<table>table see original document page 9</column></row> <table>本发明采用的硅钙合金的标准成分如下表,工业硅钙合金的成分(百分含量。/0)<table>table see original document page 9</column></row> <table>

Claims (5)

1. Mg-Al-Si-Mn-Ca合金制备方法,所述的合金由下述重量百分比的组分组成:Al 5.0~7.0%、Mn 0.2~0.5%、Zn≤0.2%、Si 0.5~2.0%、Ca≤0.3%,余量为镁,其特征在于,所述的制备方法包括以下步骤: ①向熔炉中预先通入保护气体,待加热至400~500℃,加入按比例计算已经过预热的纯铝锭、纯镁锭; ②将炉温升至680~720℃,待装入的炉料全部熔化后,加入预热的铝锰中间合金,待中间合金熔化后,最后加入重量比≤0.2%的纯Zn,熔化后将合金液搅拌均匀; ③将炉温升温至760~780℃,将硅钙合金加入合金液,搅拌均匀,并除去表面熔渣; ④搅拌后,静置25~40分钟,然后降温到690~720℃; ⑤将铸型预热至220~260℃,待镁合金液的温度降至690~720℃进行浇注。
2 、如权利要求1所述的Mg-Al-Si-Mn-Ca合金制备方法,其特征在于, 浇注后,铸锭在390〜42(TC下保温6~20小时进行均匀化处理,在200〜21(TC进 行人工时效处理。
3、 如权利要求2所述的Mg-Al-Si-Mn-Ca合金制备方法,其特征在于, 所用保护气体为CO2:SF6=6~10:l。
4、 如权利要求3所述的Mg-Al-Si-Mn-Ca合金制备方法,其特征在于,在装料及熔化过程中,发现镁液露出并燃烧时,应适量增大通气量将其吹灭。
5、 如权利要求4所述的Mg-Al-Si-Mn-Ca合金制备方法,其特征在于,浇注前先扒去镁合金液表面的熔渣,浇口尽量靠近铸型,浇注过程中用保护 气吹向液体表面,以免镁液被氧化。
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