CN101353747B - 压铸耐热镁合金及其制备方法 - Google Patents

压铸耐热镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种金属材料技术领域的压铸耐热镁合金及其制备方法,合金组分及重量百分比为:1.5-6.0%Sm,0-3.0%Nd,0-2.5%Ca,0.1-2.0%Zn,0.2-0.8%Zr,杂质元素小于0.02%,其余为Mg。制备方法为:称取原料后,将工业纯镁在N2和SF6混合气体的保护下加热,待纯镁完全熔化后,在650-680℃加入工业纯锌和工业纯钙,Mg-Sm和Mg-Nd中间合金,在760℃加入Mg-Zr中间合金,保温后搅拌,再升温至780-800℃并在该温度下保温,然后将温度调节到750-760℃精炼,并保温30分钟后降温至680-700℃,即进行压铸生产。本发明合金在室温和高温均具有良好的抗拉强度、屈服强度、延伸率,同时具有优良的抗蠕变性能,并且具有良好的压铸性能。

Description

压铸耐热镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种金属材料技术领域的合金及其制备方法,具体是一种添加合金元素(Sm、Nd、Ca、Zn、Zr)的压铸耐热镁合金及其制备方法。
背景技术
轻量化逐渐成为现代汽车的发展方向,镁合金作为最有前途的轻合金在汽车工业中将得到更广泛的应用。而目前汽车上的镁合金件,基本上都是压铸件。现有铸造镁合金中,以AZ91D、AM50等合金的应用最为广泛,这些镁合金具有优良的力学性能、耐腐蚀性能和压铸性能。然而,当工作温度超过120℃时,这些合金的蠕变性能急剧下降,因此不能用于生产汽车动力传动和承载系统等结构件。目前正在研究和开发的汽车用耐热镁合金主要有Mg-RE-Zn、Mg-Al-RE、Mg-Al-Ca、Mg-Zn-Al-Ca、Mg-Al-Ca-RE、Mg-Al-Sr、Mg-Al-Si等合金系。
经对现有技术的检索发现,稀土元素被认为使用来提高镁合金耐热性能的重要元素,I.P.Moreno等人在《Scripta Materialia》,2003,48:1029-1034,“Microstructural stability and creep of rare-earth containing magnesiumalloys”一文中研究了Mg-RE-Zn合金显微组织的高温稳定性,以及合金的高温抗蠕变性能,发现稀土元素以及Zn的添加能够显著的提高合金的高温抗蠕变性能,但是该合金在200℃以上的温度范围内抗蠕变性能明显下降。以及澳大利亚CAST研究中心开发的Mg-Nd-Zn-Zr合金(专利号:WO2006105594A1),也是主要针对低于200℃的工作条件下应用,此外该合金的延伸率较低,塑性较差。
从以上分析可以发现,开发一种能在200℃条件下应用,具有较高塑性和优异耐热性能的压铸耐热镁合金具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种压铸耐热镁合金,使其通过向纯镁中添加Sm、Nd、Ca、Zn、Zr等元素,从而实现耐热镁合金需要具备的优异高温强度、塑性和抗蠕变性能,同时使其具有良好的压铸性能。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明所涉及的压铸耐热镁合金,包含的组分及其重量百分比为1.5-6.0%Sm,0-3.0%Nd,0-2.5%Ca,0.1-2.0%Zn,0.2-0.8%Zr,杂质元素Fe<0.005%,Cu<0.015%,Ni<0.002%,其余为Mg。
上述组分及其重量百分比进一步优选为:2.0-5.0%Sm,0.5-2.0%Nd,0.2-1.0%Zn,0.2-0.6%Zr,杂质元素Fe<0.005%,Cu<0.015%,Ni<0.002%,其余为Mg。
上述组分及其重量百分比进一步优选为:2.0-5.0%Sm,0.5-1.5%Ca,0.2-1.0%Zn,0.2-0.6%Zr,杂质元素Fe<0.005%,Cu<0.015%,Ni<0.002%,其余为Mg。
本发明所涉及的压铸耐热镁合的制备方法,包括如下步骤:
第一步,按照组分的重量百分比称取原料,原料为:镁锭,工业纯锌,Mg-Sm中间合金,Mg-Nd中间合金。
第二步,将工业纯镁在N2和SF6混合气体的保护下加热,待纯镁完全熔化后,在650-680℃加入工业纯锌和工业纯钙,Mg—Sm和Mg—Nd中间合金,在760℃加入Mg—Zr中间合金,保温2-3分钟后搅拌,再升温至780-800℃并在该温度下保温,然后将温度调节到750-760℃精炼,并保温30分钟后降温至680-700℃,即可进行压铸生产。
所述镁锭,其镁含量的质量分数大于99.9%。
所述N2和SF6混合气体,其中SF6体积分数为0.2%。
所述780-800℃下保温,其时间为10分钟。
所述750-760℃下保温,其时间为30分钟。
本发明合金中的稀土Sm与Mg形成具有较高热稳定性的Mg41Sm5强化相,该相主要沿晶界分布,有效阻碍了晶界滑移;同时Sm固溶于合金基体,有固溶强化作用。对合金流动性而言,Mg-Sm合金的共晶温度为530℃,低于其它镁稀土合金的共晶温度,同时该Sm在Mg中的固容度较低,因此其固相线温度较低,具有优良的流动性能。Nd与Mg形成高温稳定的Mg12Nd相,分布于晶界,有效的阻碍了晶界滑移,进一步提高了合金的力学性能。Ca元素的添加,可以细化第二相,改变其形貌,使其分布更加弥散,从而更加有效的改善合金的高温性能,同时Ca的加入还可以有效地降低成本,但含量也不宜过多,以免和Mg产生低熔点的共晶相,合金的塑性过低。Zn主要固溶于Mg41Sm5相和Mg12Nd相中,第二相的体积分数,提高了合金的高温抗蠕变性能;同时Zn的加入可以提高合金的流动性。Zr的加入显著细化了晶粒,提高了合金的抗拉强度。
此外,对铸造性能而言,镁钐合金的共晶温度较低,为530℃,同时其在共晶温度的固溶度较低,为5.8wt.%,因此其固相线稳定较低,合金在压铸条件下,较其它镁稀土合金而言具有更好的流动性。
与现有压铸耐热镁合金相比,本发明熔炼工艺简单,成本相对较低,同时合金具有良好的塑性、优异的高温强度和抗蠕变性能。以Mg-3.3Sm-1Nd—0.5Zn-0.4Zr合金为例,压铸条件下其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为241.3MPa、164.1MPa,7.2%;在200℃,60MPa条件下,100小时的蠕变量是0.04%,在200℃,80MPa条件下,100小时的蠕变量是0.05%。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实例1:
合金成分(重量百分比)为:5.7%Sm、1.8%Zn、0.2%Zr,杂质元素含量小于0.02%,其余为Mg。合金的熔炼工艺为:按照上述成分配置合金,在电阻坩锅炉中加入工业纯镁100Kg,同时采用N2+0.2%SF6混合气体保护,待镁完全熔化后,在650℃加入工业纯锌0.4Kg,Mg—25Sm中间合金95Kg,在760℃加入Mg—30Zr中间合金3Kg,保温2~3分钟后搅拌,升温至780℃并在该温度下保温10分钟,再将温度降低到750~760℃进行精炼,之后保温30分钟左右,降温至680℃左右进行压铸。
本实例合金的室温抗拉强度为214MPa、屈服强度为142MPa、延伸率为8.6%;在200℃下的抗拉强度为176MPa、屈服强度为105MPa、延伸率为17.0%;在200℃,60MPa条件下,100小时的蠕变量是0.09%,在200℃,80MPa条件下,100小时的蠕变量是0.15%。
实例2:
合金成分(重量百分比)为:3.5%Sm、2.7%Nd、2.8%Zn、0.4%Zr,杂质元素含量小于0.02%,其余为Mg。合金的熔炼工艺为:按照上述成分配置合金,在电阻坩锅炉中加入工业纯镁100Kg,同时采用N2+0.2%SF6混合气体保护,待镁完全熔化后,在660℃加入工业纯锌0.4Kg,Mg—25Sm中间合金45Kg和Mg—25Nd中间合金40Kg,在760℃加入Mg—30Zr中间合金3Kg,保温2~3分钟后搅拌,升温至780℃并在该温度下保温10分钟,再将温度降低到750~760℃进行精炼,之后保温30分钟左右,降温至680℃左右进行压铸。
本实例合金的室温抗拉强度为221MPa、屈服强度为147MPa、延伸率为7.4%;在200℃下的抗拉强度为181MPa、屈服强度为113MPa、延伸率为14.7%;在200℃,60MPa条件下,100小时的蠕变量是0.07%,在200℃,80MPa条件下,100小时的蠕变量是0.12%。
实例3:
合金成分(重量百分比)为:0.5%Sm、2.4%Ca、1.8%Zn、0.4%Zr,杂质元素含量小于0.02%,其余为Mg。合金的熔炼工艺为:按照上述成分配置合金,在电阻坩锅炉中加入工业纯镁100Kg,同时采用N2+0.2%SF6混合气体保护,待镁完全熔化后,在660℃加入工业纯锌2.0Kg,同时加入工业纯钙2.5Kg,Mg—25Sm中间合金4Kg,在760℃加入Mg—30Zr中间合金3.9Kg,保温2~3分钟后搅拌,升温至780℃并在该温度下保温10分钟,再将温度降低到750~760℃进行精炼,之后保温30分钟左右,降温至680℃左右进行压铸。
本实例合金的室温抗拉强度为208MPa、屈服强度为167MPa、延伸率为3.3%;在200℃下的抗拉强度为176MPa、屈服强度为132MPa、延伸率为7.9%;在200℃,60MPa条件下,100小时的蠕变量是0.07%,在200℃,80MPa条件下,100小时的蠕变量是0.1%。
实例4:
合金成分(重量百分比)为:0.4%Sm、2.6%Nd、1.1%Zn、0.4%Zr,杂质元素含量小于0.02%,其余为Mg。合金的熔炼工艺为:按照上述成分配置合金,在电阻坩锅炉中加入工业纯镁100Kg,同时采用N2+0.2%SF6混合气体保护,待镁完全熔化后,在660℃加入工业纯锌2.1Kg,Mg—25Sm中间合金4Kg和Mg—25Nd中间合金40.6Kg,在760℃加入Mg—30Zr中间合金3.9Kg,保温2~3分钟后搅拌,升温至780℃并在该温度下保温10分钟,再将温度降低到750~760℃进行精炼,之后保温30分钟左右,降温至680℃左右进行压铸。
本实例合金的室温抗拉强度为211MPa、屈服强度为123MPa、延伸率为8.1%;在200℃下的抗拉强度为169MPa、屈服强度为119MPa、延伸率为16.2%;在200℃,60MPa条件下,100小时的蠕变量是0.04%,在200℃,80MPa条件下,100小时的蠕变量是0.06%。
实例5:
合金成分(重量百分比)为:3.3%Sm、0.8%Nd、0.8%Zn、0.4%Zr,杂质元素含量小于0.02%,其余为Mg。合金的熔炼工艺为:按照上述成分配置合金,在电阻坩锅炉中加入工业纯镁100Kg,同时采用N2+0.2%SF6混合气体保护,待镁完全熔化后,在660℃加入工业纯锌1Kg,Mg—25Sm中间合金29Kg和Mg—25Nd中间合金2.6Kg,在760℃加入Mg—30Zr中间合金2.6Kg,保温2~3分钟后搅拌,升温至780℃并在该温度下保温10分钟,再将温度降低到750~760℃进行精炼,之后保温30分钟左右,降温至680℃左右进行压铸。
本实例合金的室温抗拉强度为235MPa、屈服强度为156MPa、延伸率为8.5%;在200℃下的抗拉强度为202MPa、屈服强度为136MPa、延伸率为18.1%;在200℃,60MPa条件下,100小时的蠕变量是0.04%,在200℃,80MPa条件下,100小时的蠕变量是0.05%。
实例6:
合金成分(重量百分比)为:3.1%Sm、0.6%Ca、0.5%Zn、0.4%Zr,杂质元素含量小于0.02%,其余为Mg。合金的熔炼工艺为:按照上述成分配置合金,在电阻坩锅炉中加入工业纯镁100Kg,同时采用N2+0.2%SF6混合气体保护,待镁完全熔化后,在660℃加入工业纯锌1Kg,同时加入工业纯钙1.2Kg。Mg—25Sm中间合金29Kg,在760℃加入Mg—30Zr中间合金2.6Kg,保温2~3分钟后搅拌,升温至780℃并在该温度下保温10分钟,再将温度降低到750~760℃进行精炼,之后保温30分钟左右,降温至700℃左右进行压铸。
本实例合金的室温抗拉强度为239MPa、屈服强度为175MPa、延伸率为7.1%;在200℃下的抗拉强度为196MPa、屈服强度为152MPa、延伸率为12.3%;在200℃,60MPa条件下,100小时的蠕变量是0.03%,在200℃,80MPa条件下,100小时的蠕变量是0.04%。

Claims (5)

1.一种压铸耐热镁合金,其特征在于,包含的组分及其重量百分比为:1.5-6.0%Sm,0-3.0%Nd,0-2.5%Ca,0.1-2.0%Zn,0.2-0.8%Zr,杂质元素Fe<0.005%,Cu<0.015%,Ni<0.002%,其余为Mg。
2.根据权利要求1所述的压铸耐热镁合金,其特征是,包含的组分及其重量百分比为:2.0-5.0%Sm,0.5-2.0%Nd,0.2-1.0%Zn,0.2-0.6%Zr,杂质元素Fe<0.005%,Cu<0.015%,Ni<0.002%,其余为Mg。
3.根据权利要求1所述的压铸耐热镁合金,其特征是,包含的组分及其重量百分比为:2.0-5.0%Sm,0.5-1.5%Ca,0.2-1.0%Zn,0.2-0.6%Zr,杂质元素Fe<0.005%,Cu<0.015%,Ni<0.002%,其余为Mg。
4.一种如权利要求1所述的压铸耐热镁合金的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步,按照组分的重量百分比称取原料,原料为:镁锭,工业纯锌,Mg-Sm中间合金,Mg-Nd中间合金;
第二步,将工业纯镁在N2和SF6混合气体的保护下加热,待纯镁完全熔化后,在650-680℃加入工业纯锌和工业纯钙,Mg-Sm和Mg-Nd中间合金,在760℃加入Mg-Zr中间合金,保温2-3分钟后搅拌,再升温至780-800℃并在该温度下保温10分钟,然后将温度调节到750-760℃精炼,并保温30分钟后降温至680-700℃,即进行压铸生产;
所述N2和SF6混合气体,其中SF6体积分数为0.2%。
5.根据权利要求4所述的压铸耐热镁合金的制备方法,其特征是,所述镁锭,其镁含量的质量分数大于99.9%。
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