CN101041874A - 一种准晶增强的高锌镁合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准晶增强的高锌镁合金及其制备方法，其方法是利用具有Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶相的中间合金，对高锌镁基合金熔体进行准晶均匀化处理。其组成按质量分数Wt％计为：Al：2.50～5.00，Zn：6.00～20.00，Y：0. 40～1.00，Mn：0.40～1.20，Ni：0.003～0.005，Fe：0.03～0.05，Cu：0.03～0.05，其余为Mg。其铸态组织特征是α－Mg+τ(Mg₃₂(Al，Zn)₄₉)+φ(Al₂Mg₅Zn₂)+弥散均匀分布于α－Mg中或在τ相以及φ相的边缘附近的Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒四相共存的复相组织所组成。Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒在高锌镁合金材料中的体积相对含量为1.50～4.00％。本发明镁合金着火温度高，铸造性能好，力学性能优越，适合于规模化工业生产，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种准晶增强的高锌镁合金及其制造方法

技术领域

本发明属于镁合金及其制造领域，特别是涉及到一种用镁基准晶增强的高锌镁合金材料及其制造方法。

背景技术

在先技术，公开号为CN1488773的“一种含稀土高锌镁合金及其制备方法”，该合金主要由Mg、Zn、Al、Mn、RE元素组成，其主要特征是在高锌镁合金中加入RE元素，细化晶粒，形成新相，提高了高锌镁合金的室温和高温力学性能，并克服了ZAC8506镁合金加钙易氧化的缺点，制备工艺简单。

在先技术，公开号为CN1546711的“含硅的高锌镁合金及其制备工艺”，其组成成分质量份数为：Zn：6～10％，Al：2～5％，Mn：0.2～0.4％，Si：0.3～1.6％，余量为Mg。Si的加入，形成Mg₂Si相，一方面流动性显著提高，从而改善了铸造性能，另一方面在含Si镁合金中再加入变质剂AlP，使得汉字形Mg₂Si及合金基体组织明显细化，从而显著改善了合金的常温和高温(150℃)力学性能。该合金制备工艺简单，变质剂Al-AlP中间合金在该镁合金中易于加入，无污染，无反应渣，变质效果长效稳定，克服了单质磷变质时易燃烧、产生大量烟雾污染环境等缺点，实现了绿色变质。

高锌镁合金及其制备方法，虽然在镁合金及其制备方法上作了改进，添加了Zn、RE及Si元素，在一定程度上提高了高锌镁合金的室温和高温力学性能，但所制备的高锌镁合金仍然存在着韧性差、成型难以及力学性能低等不足。目前国内外用来提高和改善镁合金性能的具体方法如上所述，是对镁合金进行合金化，加入单元素Ca、Be和稀土元素，或通过多元复合元素来提高镁合金的着火点和抗氧化性以及力学性能，但作用效果有限。

为此，如果能够适当地增大镁合金中第2或第3主加元素的含量，不仅可降低镁合金中与镁平衡的镁分压，增大形成镁氧化物的标准生成反应自由能，而且还可通过降低镁合金的熔点来降低铸造生产所必需的过热温度，从而使镁合金能在大气环境中熔炼。同时，在增大第2或第3主加元素的含量后，其镁合金的密度会有所增加，因此在用溶剂保护时降低溶剂用量并使溶剂尽可能地浮在镁合金液的表面，真正起到保护作用，并使渣液容易分离达到熔体净化的目的。由于着火点的提高还可实现利用普通压铸机的压铸生产，为镁合金的深加工和成本降低以及扩大市场应用范围创造有利条件。

基于上述原因，把Zn作为镁合金中的第2主加元素，并用Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒作为高锌镁合金弥散强化相以提高高锌镁合金的强韧性和耐热性。消除由Zn高给镁合金带来的高脆性的不利影响。

发明内容

本发明为了克服现有镁合金的不足之处，提出一种工艺简便，成本相对低廉，又能显著提高着火点和强韧性的镁基准晶增强的高锌镁合金及其制造方法，以解决现有铸造镁合金着火点低、韧性差、成型难、力学性能和耐腐蚀性能低以及生产成本高等不足。

本发明利用准晶准周期性排列，结晶核心多，晶体生长速度慢，在准晶相界面处表面能低的特点，在高锌镁合金熔炼过程中，加入预先制备好的一定量的含有Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶相的中间合金，经过对熔体进行准晶均匀化处理，保温精炼扒渣并静置后浇入锭模或铸型中，使之在凝固过程中形成了α-Mg+τ(Mg₃₂(Al，Zn)₄₉)+φ(Al₂Mg₅Zn₂)+Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒的四相复合组织。由于在这种镁合金铸态基体组织中的α-Mg晶粒内部和τ相或φ相的边界处出现大量细小均匀弥散分布的Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒质点而钉扎晶界，还由于大量高熔点τ相的出现，使这种材料的强韧性和耐热性得以提高，由此获得一种很有发展和应用前景的新型镁合金。

本发明镁基准晶增强的高锌镁合金的特征在于该高锌镁合金按质量百分比Wt％计，其化学成分为：Al：2.50～5.00，Zn：6.00～20.00，Mn：0.40～1.20，Y0.：40～1.00，Ni：0.003～0.005，Fe：0.03～0.05，Cu：0.03～0.05，其余为Mg。

本发明镁基准晶增强的高锌镁合金的特征还在于该高锌镁合金的铸态组织特征是α-Mg+τ{Mg₃₂(Al，Zn)₄₉}+φ(Al₂Mg₅Zn₂)+弥散均匀分布于α-Mg中或在τ相以及φ相边缘附近的Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒四相共存的复相组织所组成。其高锌镁合金中的Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒在高锌镁合金材料中的体积相对含量为：1.50％～4.00％。其准晶颗粒相中x+u+t+w＝100为原子百分比。其中：26≤x≤40，51≤u≤62，6≤t≤10，1≤w≤3。

本发明一种用于制造镁基准晶增强的高锌镁合金的方法，该方法按下列两个步骤进行：

(1)首先按高锌镁合金设计成分所需的镁基准晶中间合金成分要求备料，以熔体质量百分数Wt％计，1#镁锭40.00～50.00，1#纯锌43.00～55.00，纯钇2.00～5.00，电解锰1.00～3.00，并在180℃～230℃进行预热，然后装入炉中，在SF₆气体保护下熔炼，并在720℃～740℃下保温20～30分钟后，精炼并静置30～40分钟，然后在720℃～740℃出炉浇注成型，得到Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶相的中间合金锭料。其准晶相中x+u+t+w＝100为原子百分比。其中：26≤x≤40，51≤u≤62，6≤t≤10，1≤w≤3。

(2)按设计高锌镁合金成分要求，称好所需的高锌镁合金基础炉料，按熔体质量百分比Wt％计，1#镁锭75.50～90.40，A00铝锭2.50～5.00，1#锌锭6.00～20.00，电解锰0.40～1.10，并在200℃进行预热，然后装炉在SF₆气体或溶剂保护下熔炼，并升温至680℃～700℃后，保温10～15分钟，再加入占熔体总重2.00％～8.00％的Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶中间合金，对熔体进行均匀化处理，保温10～15分钟，进行精炼后静置0.5～1小时，扒去浮渣，获得镁基准晶增强的高锌镁合金液体，最后在680℃～700℃出炉，直接浇注凝固成形或压铸成铸件，或降至650℃～680℃浇注成合金铸锭。

本发明镁基准晶增强的高锌镁合金的终态基体组织是由α-Mg+τ(Mg₃₂(Al，Zn)₄₉)+φ(Al₂Mg₅Zn₂)+弥散均匀分布于α-Mg相之内或在τ相以及φ相的边缘附近的Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒四相共存的复相组织所组成。Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒在高锌镁合金中的体积相对含量为1.50～4.00％。在本发明所采用的Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶中间合金中由于准晶相具有界面能低和环境友好的特点，所以在制备好的高锌镁合金基体组织中，镁基准晶相颗粒作为增强相弥散均匀分布，尺寸明显小于用其它方法生成的增强相，且形状趋于球形，对基体组织的割裂作用和应力集中程度减轻，使合金的强韧性得以提高，本发明高锌镁合金着火温度高，铸造性能好，力学性能优越，而且工艺简便，成本低廉，适合于规模化工业生产，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1的准晶增强的高锌镁合金光镜照片

图2是本发明实施例2的准晶增强的高锌镁合金光镜照片

图3是本发明实施例3的准晶增强的高锌镁合金光镜照片

具体实施方式

以下通过具体的实施例能够对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

实施例1

镁基准晶增强的高锌镁合金的化学成分(按质量百分数Wt％计)：Al：2.50，Zn：6.00，Mn：1.20，Y0.：40，Ni：0.005，Fe：0.04，Cu：0.03，其余为Mg。

首先按高锌镁合金设计成分所需的镁基中间合金成分要求备料(按熔体质量百分数Wt％计)，1#镁锭40.00，1#纯锌55.00，纯钇2.00，电解锰3.00并在200℃进行预热烘烤，然后装入炉中，在SF₆气体保护下，在感应炉或电阻炉中按照常规镁合金熔炼方法在730℃保温25分钟后精炼并静置30分钟，熔炼出符合化学成分要求的准晶中间合金液体，在730℃出炉浇入金属型中凝固成形，制备出一种具有Mg₂₆Zn₆₂Y₁₀Mn₂镁基准晶相的中间合金锭料。

其次按设计高锌镁合金所需的基础炉料备料(按熔体质量百分数Wt％计)，1#镁锭90.40，A00铝2.50，1#纯锌6.00，电解锰1.10，并进行预热烘烤，然后装入电阻熔化炉中，按常规镁合金熔炼方法将合金在SF₆气体或熔剂保护下熔化，并升温至680℃后，保温10分钟，加入占熔体总重2.00％的预先制备好的Mg₂₆Zn₆₂Y₁₀Mn₂镁基准晶中间合金锭，对熔体进行均匀化处理，保温15分钟后，进行精炼，静置0.5小时后扒去浮渣，降温至690℃出炉直接浇注(或压铸)铸件或降至650℃浇注成合金铸锭待用。并同时在金属型中浇注出力学性能试样，这种高锌镁合金的终态基体组织是由α-Mg+τ(Mg₃₂(Al，Zn)₄₉)+φ(Al₂Mg₅Zn₂)+弥散均匀分布于α-Mg相之内或在τ相以及φ相的边缘附近的Mg₂₆Zn₆₂Y₁₀Mn₂镁基准晶颗粒四相共存的复相组织所组成。Mg₂₆Zn₆₂Y₁₀Mn₂镁基准晶颗粒在高锌镁合金材料中的体积相对含量为1.50％。显微组织照片如附图1-1所示，所测得的力学性能如附表所示。

实施例2

镁基准晶增强的高锌镁合金的化学成分(按质量百分数Wt％计)：Al：5.00，Zn：13.00，Mn：0.40，Y1.：00，Ni：0.003，Fe：0.03，Cu：0.05，其余为Mg。

首先按高锌镁合金设计成分所需的镁基准晶中间合金成分要求备料(按熔体质量百分数Wt％计)，1#镁锭50.00，1#纯锌46.00，纯钇3.00，电解锰1.00并在200℃进行预热烘烤，然后装入炉中，在SF₆气体保护下，在感应炉或电阻熔化炉中按照常规镁合金熔炼方法在720℃保温20分钟后精炼并静置35分钟，熔炼出符合化学成分要求的准晶中间合金液体，在720℃出炉浇入金属型中凝固成形，制备出一种具有Mg₄₀Zn₅₁Y₈Mn₁镁基准晶相的中间合金锭料。

其次，按设计高锌镁合金所需的基础炉料备料(按熔体质量百分比Wt％计)，1#镁锭82.60，A00铝5.00，1#纯锌12.00，电解锰0.40，并在200℃进行预热烘烤，然后装入电阻熔化炉中，按常规镁合金熔炼方法将合金在SF₆气体或熔剂保护下熔化，并升温至700℃后，保温12分钟，加入占熔体总重5.00％的预先制备好的Mg₄₀Zn₅₁Y₈Mn₁镁基准晶中间合金锭，对熔体进行准晶均匀化处理，保温10分钟后，进行精炼，静置0.8小时后扒去浮渣，降温至700℃出炉直接浇注(或压铸)铸件或降至680℃浇注成合金铸锭待用。并同时在金属型中浇注出力学性能试样，这种高锌镁合金的终态基体组织是由α-Mg+τ(Mg₃₂(Al，Zn)₄₉)+φ(Al₂Mg₅Zn₂)+弥散均匀分布于α-Mg相之内或在τ相以及φ相的边缘附近的Mg₄₀Zn₅₁Y₈Mn₁镁基准晶颗粒四相共存的复相组织所组成。Mg₄₀Zn₅₁Y₈Mn₁镁基准晶颗粒在高锌镁合金材料中的体积相对含量为2.50％。显微组织照片如附图1-2所示，所测得的力学性能如附表所示。

实施例3

镁基准晶增强的高锌镁合金的化学成分(按质量百分数Wt％计)：Al：3.50，Zn：20.00，Mn：0.70，Y0.：70，Ni：0.004，Fe：0.05，Cu：0.04，其余为Mg。

首先按高锌镁合金设计成分所需的镁基准晶中间合金成分要求备料(按熔体质量百分数Wt％计)，1#镁锭44.00，1#纯锌49.00，纯钇5.00，电解锰2.00并在200℃进行预热烘烤，然后装入炉中，在SF₆气体保护下，在感应炉或电阻熔化炉中按照常规镁合金熔炼方法在740℃保温30分钟后精炼并静置40分钟，熔炼出符合化学成分要求的准晶中间合金液体，在740℃出炉浇入金属型中凝固成形，制备出一种具有Mg₃₄Zn₅₇Y₆Mn₃镁基准晶相的中间合金锭料。

其次按设计高锌镁合金所需的基础炉料备料(按熔体质量百分比Wt％计)，1#镁锭75.50，A00铝锭3.80，1#纯锌20.00，电解锰0.70，并在200℃进行预热烘烤，然后装入电阻熔炼炉中，按常规镁合金熔炼方法将合金在SF₆气体或熔剂保护下熔化，并升温至690℃之后，保温15分钟，加入占熔体总重8.00％的预先制备好的Mg₃₄Zn₅₆Y₇Mn₃镁基准晶中间合金锭，对熔体进行准晶均匀化处理，保温12分钟后，进行精炼，静置1小时后扒去浮渣，降温至680℃出炉直接浇注(或压铸)铸件或降至670℃浇注成合金铸锭待用。并同时在金属型中浇注出力学性能试样，这种高锌镁合金的终态基体组织是由α-Mg+τ(Mg₃₂(Al，Zn)₄₉)+φ(Al₂Mg₅Zn₂)+弥散均匀分布于α-Mg相之内或在τ相以及ψ相的边缘附近的Mg₃₄Zn₅₆Y₆Mn₃镁基准晶颗粒四相共存的复相组织所组成。Mg₃₄Zn₅₆Y₆Mn₃镁基准晶颗粒在高锌镁合金材料中的体积相对含量为4.00％。其显微组织照片如附图1-3所示，所测得的力学性能如附表所示。

表1

Claims (3)

1.一种镁基准晶增强的高锌镁合金，其特征在于该高锌镁合金按质量百分比Wt％计，其化学成分为：Al：2.50～5.00，Zn：6.00～20.00，Y：0.40～1.00，Mn：0.40～1.20，Ni：0.003～0.005，Fe：0.03～0.05，Cu：0.03～0.05，余为Mg。

2.根据权利要求1所述的镁基准晶增强的高锌镁合金，其特征在于该高锌镁合金的铸态组织特征是α-Mg+τ{Mg₃₂(Al，Zn)₄₉}+φ(Al₂Mg₅Zn₂)+弥散均匀分布于α-Mg中或在τ相以及φ相边缘附近的Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒四相共存的复相组织所组成；其中，Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶颗粒在高锌镁合金材料中的体积相对含量为：1.50％～4.00％；其准晶颗粒相中x+u+t+w＝100为原子百分比；其中：26≤x≤40，51≤u≤62，6≤t≤10，1≤w≤3。

3.用于制造权利要求1所述的准晶增强的高锌镁合金的方法，其特征在于该方法按下列两个步骤进行：

(1)首先按高锌镁合金设计成分需要的镁基中间合金成分要求备料，以熔体质量百分数Wt％计，1#镁锭40.00～50.00，1#纯锌43.00～55.00，纯钇2.00～5.00，电解锰1.00～3.00，并在180℃～230℃进行预热，然后装入炉中，在SF₆气体保护下熔炼，并在720℃～740℃下保温20～30分钟后，精炼并静置30～40分钟，然后在720℃～740℃出炉浇注成型，得到Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶相的中间合金锭料；

其准晶相中x+u+t+w＝100为原子百分比；

其中：26≤x≤40，51≤u≤62，6≤t≤10，1≤w≤3。

(2)按设计高锌镁合金成分要求，称好所需的高锌镁合金基础炉料，按熔体质量百分比Wt％计，1#镁锭75.50～90.40，A00铝锭2.50～5.00，1#锌锭6.00～20.00，电解锰0.40～1.10，并在200℃进行预热，然后装炉在SF₆气体或溶剂保护下熔炼，并升温至680℃～700℃后，保温10～15分钟，再加入占熔体总重2.00％～8.00％的Mg_xZn_uY_tMn_w镁基准晶中间合金，对熔体进行均匀化处理，保温10～15分钟，进行精炼后静置0.5～1小时，扒去浮渣，获得镁基准晶增强的高锌镁合金液体，最后在680℃～700℃出炉，直接浇注凝固成形或压铸成铸件，或降至650℃～680℃浇注成合金铸锭。

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