CN101724772B - 一种高强度铸造镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn1％～10％，Ca 1％～7.5％，Sn 1％～9％，其余为Mg。制备方法为：按照镁合金的化学成分配料，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，控制熔炼温度720℃～770℃；在710℃～750℃浇注、压铸；在380℃～420℃条件下固溶3～6小时后，再在170℃～190℃温度条件下时效16～20小时。本发明制备的高强度铸造镁合金抗拉强度≥300MPa，塑性≥3％。
Description
技术领域
本发明属于镁合金材料技术领域，具体涉及一种高强度铸造镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有低密度、高比强度、较低的刚性、较大的冲击功吸收、容易切削加工以及易回收利用等优点，目前在汽车、航空航天、电子等领域得到日益广泛的应用，被认为是一种有效减轻质量、节约能源、环境友好、有利于可持续发展的理想材料。但镁合金的强度不高妨碍了其扩大应用范围。由于强度低，用于汽车等镁合金的零部件不得不增大壁厚，因此提高镁合金的强度使其具有良好的综合性能，是新型镁合金开发的热点之一。
在高强度镁合金的合金化研究中，合金元素的添加主要集中在铝、锌、硅、锶、铜、镍、锰、锆、钙、锂和铋或者是钪、钇和稀土元素。其强化主要是固溶强化和与镁形成金属间化合物强化。目前高强度耐热镁合金主要是高稀土含量的合金，由于稀土的价格在国外较高，除在航空航天业外，在一般行业，如汽车企业采用的不多。我国虽然是稀土资源大国，但和其它合金元素相比，价格还是偏高。而我国的许多研究者往往偏重于稀土镁合金的研究，一些研究成果的稀土或钪、钇的含量高达10％以上。造成镁合金的价格高也是限制镁合金推广应用的一个重要原因。因此，当前高强耐热镁合金的开发应兼顾提高性能和降低成本两个方面因素。目前铸造镁合金的强度的铸态强度不高，一般σb低于300MPa。例如，已经在飞机和赛车汽缸上得到应用的Mg-Y-Re合金σb为275MPa，σ0.2为200MPa，δ为4％。在锻造高强度镁合金Zn6Al3中添加Si、Mn、Ca经双次时效处理，力学性能可以达到σb为300～400MPa，σ0.2为200～300MPa。
目前Mg合金的应用持续10年以每年15％的速度增长。在保证必要的塑性条件下，提高强度，降低成本将是高强镁合金的发展趋势。我们通过对汽车工业中采用的铸造镁合金(如AZ91D、AM50A、AM60B、AS21、AS41和AE42)和铸造铝合金(如A380、A356系列和A319系列)对比发现，Al合金的抗拉强度和屈服强度普遍高于Mg合金的对应强度，而延伸率小于Mg合金的对应延伸率。因此提高强度、降低成本将加速镁合金在汽车工业中的应用。
虽然镁合金现已经应用于红旗轿车气缸罩盖的试制，但仍然存在一些问题，主要表现在：强度不够高，不能用于重要结构件的制造；在高温下使用性能明显下降，长期工作温度不能超过120℃。低成本高强镁合金的发明解决了上述问题，在合金凝固过程中由于溶质元素的再分配降低了其固溶效果或由于析出粗大的金属间化合物降低了合金的综合力学性能。因此 抑制合金化元素的析出，降低团簇在温度降低的活动能力，抑制合金元素的扩散，提高在镁中的固态溶解能力，或由于形核率高，细化晶粒尺寸，可实现镁合金的强化与韧化效果。一般认为这种情况只有在快淬条件下才能实现，实际上，在普通的条件下也可以实现。这一思想可从一些元素对铸铁的白口倾向影响或从直径为100mm的大块非晶合金的成分设计中获得启示。
在现有应用中，铸造镁合金约占镁合金总产量的90％以上，主要应用在摩托车、轿车、微型车、飞机、3C产品和军事领域中以满足减重、吸噪、减震和防辐射的要求。商用飞机与汽车减重相同重量带来的燃油费用节省，前者是后者的近100倍，而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10倍。更重要的是其机动性能改善可以极大提高其战斗力和生存能力。因此，航空工业才会采取各种措施增加镁合金的用量。在汽车工业中，减少汽车自重将提高燃油经济性综合标准，降低废气排放和燃油成本。汽车所用燃料的60％消耗于汽车自重，汽车每减重10％。耗油将减少8％～10％。同时重量减轻可以增加车辆的装载能力和有效载荷，还可改善刹车和加速性能，极大改善车辆的噪音和振动现象。近年来，3C产品朝着轻、薄、短、小方向的发展趋势也将极大推动高强镁合金的应用与发展。
高强铸造镁合金的优势还在于在工装和模具设计上可以采用铝合金的成熟设计经验，甚至可以达到互换的程度，同时通过不加或少加稀土元素使成本降低，有利于推动镁合金的广泛应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种高强度铸造镁合金及其制备方法，达到制备出抗拉强度≥300MPa、塑性≥3％的高强度铸造镁合金的目的。
本发明的高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 1.4％～10％，Ca 1％～7.5％，Sn 1％～9％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备本发明的高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 1.4％～10％、Ca 1％～7.5％、Sn 1％～9％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度720℃～770℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在710℃～750℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型或砂型。
(4)热处理
在380℃～420℃条件下固溶3～6小时后，再在170℃～190℃温度条件下时效16～20小时。
本发明方法制备的高强度铸造镁合金，抗拉强度≥300MPa，塑性≥3％，具有良好的室温和高温性能，可广泛用于商业部件，包括汽车零部件、电子产品部件及航天航空用部件的成形与生产。
附图说明
图1为实施例线切割的拉伸样品尺寸；
图2为实施例1制备的镁合金Mg5Zn3Ca5Sn应力-应变曲线；
图3为实施例13制备的镁合金Mg1.4Zn5Ca5Sn和实施例14制备的镁合金Mg1.4Zn7Ca5Sn合金的应力-应变曲线。
具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明的方法。
以下实施例中采用N2和SF6混合气体作为保护气体，按体积百分比计，N295％，SF65％。
以Mg(x1)Zn(x2)Ca(x3)Sn表示合金成分，其中括号里的x1、x2、x3分别表示Zn、Ca、Sn的质量百分数，余量为Mg。
拉伸样品采用线切割取样，样品尺寸如图1所示。
实施例1
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 5％，Ca 3％，Sn 5％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 5％、Ca 3％、Sn 5％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度750℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在730℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在400℃条件下固溶4小时后，再在180℃温度条件下时效18小时。
镁合金(Mg5Zn3Ca5Sn)抗拉强度为408MPa，延伸率5％。
实施例2
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 3％，Ca 1％，Sn 7％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 3％、Ca 1％、Sn 7％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度770℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在750℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用砂型。
(4)热处理
在420℃条件下固溶3小时后，再在190℃温度条件下时效16小时。
镁合金(Mg3Zn1Ca7Sn)抗拉强度为411MPa，延伸率4％。
实施例3
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 5％，Ca 3％，Sn 3％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 5％、Ca 3％、Sn 3％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度720℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在710℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在380℃条件下固溶6小时后，再在170℃温度条件下时效20小时。
镁合金(Mg5Zn3Ca3Sn)抗拉强度为402MPa，延伸率6％。
实施例4
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 1％，Ca 5％，Sn 3％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 1％、Ca 5％、Sn 3％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度750℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在730℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用砂型。
(4)热处理
在400℃条件下固溶5小时后，再在180℃温度条件下时效18小时。
镁合金(Mg1Zn5Ca3Sn)抗拉强度为320MPa，延伸率8％。
实施例5
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 3％，Ca 3％，Sn 2％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 3％、Ca 3％、Sn 2％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度760℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在740℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在390℃条件下固溶4.5小时后，再在190℃温度条件下时效16小时。
镁合金(Mg3Zn3Ca2Sn)抗拉强度为310MPa，延伸率10％。
实施例6
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 2％，Ca 5％，Sn 1％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 2％、Ca 5％、Sn 1％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度730℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在715℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在400℃条件下固溶4小时后，再在180℃温度条件下时效16小时。
镁合金(Mg2Zn5Ca1Sn)抗拉强度为300MPa，延伸率11％。
实施例7
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 5％，Ca 5％，Sn 3％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 5％、Ca 5％、Sn 3％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度770℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在740℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在400℃条件下固溶4小时后，再在180℃温度条件下时效20小时。
镁合金(Mg5Zn5Ca3Sn)抗拉强度为370MPa，延伸率7％。
实施例8
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 10％，Ca 7.5％，Sn 1％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 10％、Ca 7.5％、Sn 1％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度720℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在710℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在410℃条件下固溶4小时后，再在180℃温度条件下时效17小时。
镁合金(Mg10Zn7.5Ca1Sn)抗拉强度为400MPa，延伸率5％。
实施例9
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 7％，Ca 3％，Sn 2％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 7％、Ca 3％、Sn 2％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度755℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在735℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在405℃条件下固溶5小时后，再在175℃温度条件下时效20小时。
镁合金(Mg7Zn3Ca2Sn)抗拉强度为390MPa，延伸率5％。
实施例10
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 1％，Ca 1％，Sn 9％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 1％、Ca 1％、Sn 9％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度725℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在715℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在420℃条件下固溶4小时后，再在190℃温度条件下时效16小时。
镁合金(Mg1Zn1Ca9Sn)抗拉强度为360MPa，延伸率5％。
实施例11
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 3％，Ca 2％，Sn 7％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 3％、Ca 2％、Sn 7％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度745℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在720℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在420℃条件下固溶4小时后，再在180℃温度条件下时效16小时。
镁合金(Mg3Zn2Ca7Sn)抗拉强度为370MPa，延伸率5.5％。
实施例12
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 3％，Ca 2％，Sn 5％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 3％、Ca 2％、Sn 5％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度770℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在750℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用砂型。
(4)热处理
在400℃条件下固溶4小时后，再在180℃温度条件下时效16小时。
镁合金(Mg3Zn2Ca5Sn)抗拉强度为350MPa，延伸率6％。
实施例13
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 1.4％，Ca 5％，Sn 5％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 1.4％、Ca 5％、Sn 5％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度720℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在710℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在400℃条件下固溶4小时后，再在180℃温度条件下时效18小时。
镁合金(Mg1.4 Zn5Ca5Sn)抗拉强度为300MPa，延伸率5.5％。
实施例14
高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn 1.4％，Ca 7％，Sn 5％，其余为Mg。
本发明的高强度铸造镁合金制备方法如下。
(1)配料
制备高强度镁合金原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照上述的化学成分配料，即按质量百分比Zn 1.4％、Ca 7％、Sn 5％、其余为Mg的比例配料。
(2)熔炼
采用铁坩埚，在普通电阻炉熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入。控制熔炼温度750℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体。
(3)浇注、压铸
在720℃浇注、压铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。
(4)热处理
在380℃条件下固溶6小时后，再在170℃温度条件下时效20小时。
镁合金(Mg1.4Zn7Ca5Sn)抗拉强度为350MPa，延伸率6.5％。
Claims (2)
1.一种高强度铸造镁合金，按质量百分比化学成分为：Zn1.4～10％，Ca5％～7.5％，Sn7～9％，其余为Mg，其抗拉强度≥300MPa，塑性≥3％。
2.权利要求1所述的高强度铸造镁合金的制备方法，其特征在于步骤如下：
(1)配料
原料采用金属Mg、金属Zn、金属Ca和金属Sn，按照权利要求1所述的化学成分配料，即按质量百分比Zn1.4～10％，Ca5％～7.5％，Sn7～9％，其余为Mg的比例配料；
(2)熔炼
首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Zn、Sn和Ca，其中Ca采用钟罩压入，控制熔炼温度720℃～770℃，采用N2和SF6混合气体作为保护气体；
(3)浇注、压铸
在710℃～750℃浇注、压铸，模型采用金属型或砂型：
(4)热处理
在380℃～420℃条件下固溶3～6小时后，再在170℃～190℃温度条件下时效16～20小时。
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| CN101724772A (zh) | 2010-06-09 |
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