CN100430503C - 一种高强度az91hp镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及镁合金制备技术，具体为一种高强度AZ91HP镁合金及其制备方法。该合金为镁铝系合金体系，其成分为Mg-9%Al-1%Zn(质量百分比)组成，该合金的初晶α-Mg晶粒粒径为10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均匀、弥散分布，粒径为3-5μm，二次枝晶间距为6-10μm。本发明镁合金采用铜模浇铸的方法制备，铜模浇铸工艺的快速冷却使合金的晶粒细化，第二相均匀、弥散分布，从而使该镁合金具有高的压缩强度和塑性。本发明开发了一种制备高压缩强度AZ91HP镁合金的新方法，拓展了镁合金材料的应用领域。

Description

一种高强度AZ91HP镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金制备技术，具体为一种高强度AZ91HP镁合金及其制备方法。
背景技术
环保、节能是21世纪人类社会可持续发展的重大战略要求。镁具有储量丰富、重量轻、比强度高、减震性好等一系列优点，是理想的环保、节能材料，符合可持续发展的要求。近年来受到人们广泛关注，其应用领域不断拓宽。采用传统方法生产的镁合金往往强度低、耐腐蚀性能差，因此，如何改善镁合金力学性能成为镁合金材料研究领域的前沿和热点。镁合金材料力学性能的改善对镁合金材料的应用具有重大现实意义。
镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，但与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，镁合金的应用也还很有限。目前，镁合金的产量只有铝合金的1％。镁合金作为结构应用的最大用途是铸件，其中90％以上是压铸件。限制镁合金广泛应用的主要问题是：由于镁元素极为活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，因此，镁合金的生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差；现有工业镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温(150～350℃)场合的应用；镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高。
近年来，各国学者对镁合金材料进行了深入研究，特别是在如何改善力学性能方面做了大量的工作。目前，改善镁合金力学性能的途径主要有形变硬化、晶粒细化、合金化、热处理、镁合金与陶瓷相复合等多种方法。
耐蚀高纯AZ91HP镁合金在盐雾试验中的耐蚀性大约是AZ91C的100倍，超过了压铸铝合金A380，比低碳钢还好得多。目前，AZ91HP镁合金的熔炼工艺为熔剂法和无熔剂熔炼法，其不足之处在于：盐和氟盐高温下易挥发产生某些有毒气体，熔剂挥发的气体如HCl有可能渗入合金液，成为材料使用过程中的腐蚀源，加速材料的腐蚀，降低材料的使用寿命。AZ91HP镁合金的铸造工艺为压铸技术和半固态成形技术，其不足之处在于：镁合金压铸时，由于压射速度高，当镁液充填到模具型腔时，不可避免会有金属液紊流及卷气现象发生，造成工件内部和表面产生孔洞缺陷，因此对于要求高的铸件，如何提高其成品率是镁合金压铸所面临的主要问题之一。镁合金的半固态成形技术包括触变铸造，其制备预制坯料需要巨大的投资，而且关键技术为国外少数几家公司所垄断，导致其成本居高不下，仅适于制造需高强度的关键零件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度AZ91HP镁合金及其制备方法，该方法工艺成本低且简便易行，获得的镁合金具有较高压缩强度和塑性。
本发明的技术方案是：
本发明提供了一种高强度AZ91HP镁合金，镁合金组织由初晶α-Mg和第二相β-Mg17Al12组成，其中，初晶α-Mg所占的体积分数为0.6-0.8，第二相β-Mg17Al12所占的体积分数为0.2-0.4，该合金的初晶α-Mg晶粒粒径为10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均匀、弥散分布，粒径为3-5μm，二次枝晶间距为6-10μm。
所制备的快速凝固AZ91HP镁合金力学性能指标如下：
压缩屈服强度σ0.2＝170-190Mpa；
压缩断裂强度σf＝360-395Mpa；
压缩塑性应变εp＝4％-8％。
所述的制备高强度AZ91HP镁合金的方法，采用铜模浇铸来制备快速凝固AZ91HP镁合金样品，镁合金晶粒得到细化，由于晶粒细化和第二相粒子的沉淀强化，使得AZ91HP镁合金的强度得以提高。铜模浇铸具体工艺参数如下：真空度10-1～10-3Pa，温度500～700℃，冷却速度10～102K/s。
本发明具有的优点：
1、本发明采用了AZ91HP镁合金，无需通过形变硬化和合金化来改善镁合金的力学性能，而是通过铜模浇铸来增大冷却速率，使晶粒得到细化以获得高强度AZ91HP镁合金，工艺成本低且简便易行。
2、本发明涉及镁合金为镁铝系合金体系，其成分为Mg-9％Al-1％Zn(质量百分比)组成，采用铜模浇铸的方法制备。铜模浇铸工艺的快速冷却使合金的晶粒细化，第二相均匀、弥散分布，从而使该镁合金具有高的压缩强度和塑性。本发明开发了一种制备高压缩强度AZ91HP镁合金的新方法，拓展了镁合金材料的应用领域。
附图说明
图1为铜模冷却AZ91HP的X-射线谱。
图2为铜模冷却AZ91HP的光学照片。
图3为铜模冷却AZ91HP的背散射照片。
具体实施方式
以下通过实施例详述本发明。
实施例1
AZ91HP镁合金成分包括：90.023％Mg，8.97％Al，0.714％Zn，0.265％Mn，0.0078％Si，0.0019％Cu，0.001％Ni，0.0073％Fe和0.01％其它杂质(质量百分比)。
本发明AZ91HP镁合金冶炼方法为常规技术，本实施例镁合金采用真空熔炼，具体工艺参数有：真空度10-1～10-3Pa，加热温度700～850℃。将获得的合金液体在真空度10-2Pa、温度600℃下，通过铜模浇铸来增大冷却速率，冷却速度50K/s，使晶粒得到细化，以获得高强度AZ91HP镁合金。镁合金组织由初晶α-Mg和第二相β-Mg17Al12组成，本实施例中，初晶α-Mg所占的体积分数为0.6-0.7，第二相β-Mg17Al12所占的体积分数为0.3-0.4，该合金的初晶α-Mg晶粒粒径为10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均匀、弥散分布，粒径为3-5μm，二次枝晶间距为6-10μm，结果见图1-3。
图1为铜模冷却AZ91HP的X-射线谱。经X射线衍射分析可知，图1中该合金包括α-Mg、β-Mg17Al12、Al8Mn5三相，其中Al8Mn5相尺寸小、数量少，很难在光学显微镜下观察到。从图中可以明显看出快速凝固样品的衍射谱比较宽，这可能是由于显微组织存在内应力所引起的。
图2为铜模冷却AZ91HP的光学照片。图2给出了其典型的组织：共晶组织中的α-Mg先依附在原有的先共晶的α-Mg上，具有黑色轮廓线的离异共晶β-Mg17Al12以不规则的块状分布于晶界上，然后析出片层状的二次β-Mg17Al12。
图3为铜模冷却AZ91HP的背散射照片。由于Al8Mn5相在光学显微镜下很难被观察到，但是在扫描电镜的背散射照片中很容易被观察到，这些颗粒细小、均匀的分布在基体上，粒度在3μm以下，为杂质相，对镁合金性能影响很小，其体积分数含量在5％以下。
由于晶粒细化和第二相粒子的沉淀强化，使得AZ91HP镁合金的强度得以提高，该合金具有较高的压缩强度，其性能指标如下：压缩屈服强度σ0.2＝185MPa；压缩断裂强度σf＝370MPa；压缩塑性应变εp＝4.6％。
相关比较例1
AZ91HP镁合金冶炼方法具体工艺参数同上，铸造过程是采用的镁合金液浇注温度为690℃，初始模具的温度为420℃，内浇口速度为0.5m/s。
性能指标如下：压缩屈服强度σ0.2＝135MPa；压缩断裂强度σf＝275MPa；压缩塑性应变εp＝3.16％。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
将镁合金液体在真空度10-1Pa、温度500℃下，通过铜模浇铸来增大冷却速率，冷却速度10K/s，使晶粒得到细化，以获得高强度AZ91HP镁合金。本实施例中，初晶α-Mg所占的体积分数为0.65-0.75，第二相β-Mg17Al12所占的体积分数为0.25-0.35，该合金的初晶α-Mg晶粒粒径为10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均匀、弥散分布，粒径为3-5μm，二次枝晶间距为6-10μm。由于晶粒细化和第二相粒子的沉淀强化，使得AZ91HP镁合金的强度得以提高，该合金具有较高的压缩强度，其性能指标如下：压缩屈服强度σ0.2＝170MPa；压缩断裂强度σf＝360MPa；压缩塑性应变εp＝4％。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
将镁合金液体在真空度10-3Pa、温度700℃下，通过铜模浇铸来增大冷却速率，冷却速度102K/s，使晶粒得到细化，以获得高强度AZ91HP镁合金。本实施例中，初晶α-Mg所占的体积分数为0.6-0.7，第二相β-Mg17Al12所占的体积分数为0.3-0.4，该合金的初晶α-Mg晶粒粒径为10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均匀、弥散分布，粒径为3-5μm，二次枝晶间距为6-10μm。由于晶粒细化和第二相粒子的沉淀强化，使得AZ91HP镁合金的强度得以提高，该合金具有较高的压缩强度，其性能指标如下：压缩屈服强度σ0.2＝190MPa；压缩断裂强度σf＝395MPa；压缩塑性应变εp＝8％。

Claims (4)

1、一种高强度AZ91HP镁合金，其特征在于：镁合金组织由初晶α-Mg和第二相β-Mg17Al12组成，其中，初晶α-Mg所占的体积分数为0.6-0.8，第二相β-Mg17Al12所占的体积分数为0.2-0.4，该合金的初晶α-Mg晶粒粒径为10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均匀、弥散分布，粒径为3-5μm，二次枝晶间距为6-10μm。
2、按照权利要求1所述的高强度AZ91HP镁合金的制备方法，其特征在于：采用铜模浇铸来制备快速凝固AZ91HP镁合金样品，使镁合金晶粒细化和第二相粒子的沉淀强化，使得AZ91HP镁合金的强度得以提高。
3、按照权利要求2所述的高强度AZ91HP镁合金的制备方法，其特征在于铜模浇铸具体工艺参数如下：真空度10-1～10-3Pa，温度500～700℃，冷却速度10～102K/s。
4、按照权利要求2所述的高强度AZ91HP镁合金的制备方法，其特征在于所得镁合金力学性能指标如下：压缩屈服强度σ0.2＝170-190MPa；压缩断裂强度σf＝360-395MPa；压缩塑性应变εp＝4％-8％。
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