CN101818293B

CN101818293B - 一种耐热镁合金

Info

Publication number: CN101818293B
Application number: CN2010101579259A
Authority: CN
Inventors: 戚文军; 赵红亮; 郑飞燕; 王岩; 农登; 王顺成; 周楠; 蔡畅
Original assignee: Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Current assignee: Guangdong Institute of Materials and Processing
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: CN101818293A

Abstract

一种镁合金。其特征是由以下组分和重量百分比组成：Al 1.5～6.0％，Zn 0.15～0.25％，Si 0.5～3.0％，Ca 0.1～0.8％和Sr 0.1～0.5％，余量为Mg。本发明的镁合金的室温抗拉强度、伸长率分别大于128MPa和7.8％，150℃的抗拉强度和伸长率大于120MPa和20％，相同条件下抗拉强度比对比例提高15％以上，伸长率提高10％以上。它是一种具有良好的组织及性能，尤其是高温性能的耐热镁合金，适用于汽车、3C等行业。

Description

一种耐热镁合金

技术领域：

本发明涉及一种合金，具体涉及一种镁合金。

背景技术：

镁合金具有密度小、比强度和比刚度高以及可回收等优点，成为汽车、3C等行业的首选材料。但是，镁合金的用途远不及铝合金，其原因之一是其耐热性能差。当环境温度超过120℃，其强度快速下降。限制了其应用范围。

目前，国内外对耐热镁合金的研究主要集中于具有高温抗蠕变性能的Mg-Al合金。耐热镁合金中的典型代表有AS系(Mg-Al-Si)、AE系(Mg-Al-RE)和AZ系(Mg-Al-Zn)。

AS系合金是目前较常用的一种压铸镁合金。与常用的AZ系合金相比，由于AS系合金中Al含量的减少和Si元素的加入，减少了沿晶界呈网状分布的Mg₁₇Al₁₂相，得到了Mg₂Si强化相，该强化相具有很高的熔点(1085℃)，较高的硬度(460HV)，与母合金相近的较低的密度(1.9g/cm³)，高弹性模量以及低的热膨胀系数(7.5×10^-6K^-1)。Mg₂Si相主要分布于晶界，在合金的高温蠕变过程中能够有效地钉扎晶界，从而显著地提高合金的高温强度。例如，175℃时，AS41合金的高温性能明显优于AZ91和AM60合金，具有良好的韧性、抗拉强度和屈服强度。

尽管AS系合金具有较高的高温性能，但其推广应用仍然受到一定程度的限制，主要是由于：①Si在合金中形成的高温强化相Mg₂Si往往以粗大的汉字块形态出现，在受到应力作用时Mg₂Si粒子周围存在很大的应力集中，致使显微空洞的萌生和扩展，并且随着温度升高，空洞会随之增大，从而严重损害合金的性能；②每增加1％的Si，Mg₂Si合金的液相线温度提高约40℃，导致合金的流动性变差和合金的压铸工艺性能降低；③由于慢的冷却速度导致粗大汉字块形态的Mg₂Si相生成，因此无法用于砂型铸造等工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服Mg-Al-Si合金的不足，提供一种具有良好的组织及性能，尤其是高温性能的耐热镁合金。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：由以下组分和重量百分比组成：Al 1.5～6.0％，Zn 0.15～0.25％，Si 0.5～3.0％，Ca 0.1～0.8％和Sr0.1～0.5％，余量为Mg。

优选的镁合金由以下组分和重量百分比组成：Al 2.0％，Zn 0.2％，Si1.0％，Ca 0.25％和Sr 0.2％，余量为Mg。

Al是耐热镁合金中最主要的合金元素，其在Mg中的最大固溶度达到12.7wt％，当Al含量小于10wt％时，随着含量的增加，抗拉强度和硬度提高，而伸长率则先提高后下降。研究表明，含有5～6％Al的Mg-Al系镁合金具有最佳的强度和塑性组合。Al提高镁合金强度的原因主要是Al在Mg中的溶解度随温度的降低而下降，当合金凝固或时效处理时，过饱和固溶体中会析出弥散、平衡的β-Mg₁₇Al₁₂强化相，从而提高合金的强度。但是，由于β-Mg₁₇Al₁₂与基体之间非共格，界面能高，在高温下易软化粗化，不能有效钉扎晶界。而β-Mg₁₇Al₁₂相一般随Al含量的增加而增多，如果β-Mg₁₇Al₁₂相在晶界析出会降低合金的抗蠕变性能，所以Al含量选择为1.5～6.0％。

Zn与Al一样，也是镁合金中常用的特征元素，其对镁合金的影响仅次于Al。在合金中，Al/Zn比是值得重视的一个参数。文献表明，当Al含量＜8％时，随着Zn含量的增加，抗拉强度提高，但是伸长率下降。当Zn含量＜1％时，合金处于可铸造区，所以Zn含量选择为0.15～0.25％。

Si在镁合金中主要是形成具有高熔点的Mg₂Si相，并弥散分布在晶界周围。Mg₂Si相在300℃以下相当稳定，可以使合金的高温抗蠕变性能明显改善。但如果Si加入量太大或冷却速度较缓慢时，Mg₂Si相就会形成粗大的汉子状，增加合金脆性。有研究表明，镁合金中每增加1％的Si，镁合金的液相线温度就会提高约40℃，从而导致合金的流动性变差和压铸工艺性能降低。所以Si含量选择为0.5～3.0％。

Ca在耐热镁合金中除了能够细化枝晶尺寸和β-Mg₁₇Al₁₂相以外，还能溶入β-Mg₁₇Al₁₂相中，提高β-Mg₁₇Al₁₂相的热稳定性。而在镁合金中添加Ca元素后，Ca与Si结合生成CaSi₂粒子，为Mg₂Si提供了形核源，使Mg₂Si的形状由粗大的汉子状转变为细小的多边形，从而改善合金的高温力学性能。考虑到通常条件下Ca在Mg中的溶解度仅为0.82％，本发明中Ca含量选择为0.1～0.8％。

Sr在镁合金中扩散缓慢且具有较低的密度。在含有Ca的镁合金中，Sr一方面可与合金中的Al结合生产AlSr等相，减少Mg₁₇Al₁₂相在晶界析出，另一方面可与Al₂Ca相结合生成三元化合物或对晶界处的Mg₁₇Al₁₂相和Al₂Ca相的形态产生一定的影响，减弱Al₂Ca相对基体的脆化作用。而且Sr对晶界析出的Mg₂Si也有一定的变质作用，从而提高合金的综合性能。所以本发明中选择Sr来进一步细化晶粒和变质粗大的Mg₂Si相，其含量为0.1～0.5％。

附图说明

图1是对比例的合金金相组织图；

图2是实施例2的金相组织图。

具体实施方式

该镁合金的制备工艺按以下步骤进行：将镁锭、铝锭、锌锭、工业速熔硅和镁钙、镁锶中间合金按重量百分比进行配料；向加热至400～500℃的坩埚中通入SF₆和N₂混合保护气体，加入镁锭、铝锭和锌块(＞99.9％)；继续将配料加热熔化后，炉温升至710～720℃，加入锯成碎块的工业速熔硅，将炉温升至725～740℃并保温15～40min，搅拌均匀；将炉温降至710～720℃，加入镁钙、镁锶中间合金，保温10～15min，搅拌均匀；静置10～15min后除去表面的氧化物，浇注到金属型中，出模冷却。

采用固溶处理的方法对铸态合金进行热处理，固溶温度为405～420℃，固溶时间为12～20h。采用自来水作介质进行淬火处理。

对比例和各实施例的组分和重量百分比见表1。

对比例和各实施例的室温和150℃的抗拉强度和伸长率见表2。

表1镁合金的组分和重量百分比

表2镁合金的抗拉强度和伸长率

从图1和图2可以看出，对比例的合金固溶处理后由α-Mg基体和Mg₂Si相组成。其中，Mg₂Si相呈汉字状和多边形状(图1)。加入Ca和Sr后，合金中原本呈粗大汉字状的Mg₂Si相大部分已转变为分布比较均匀弥散的颗粒状，变质效果明显(图2)。

本发明的镁合金组织细化效果明显，粗大的汉子状Mg₂Si相晶粒尺寸由40μm降低到10μm，合金的室温抗拉强度、伸长率分别大于128MPa和7.8％，150℃的抗拉强度和伸长率大于120MPa和20％，相同条件下抗拉强度比对比例提高15％以上，伸长率提高10％以上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用Si、Ca和Sr等廉价金属元素，大大降低了汽车零部件用耐热镁合金的成本。通过同时加入Ca和Sr来变质Mg₂Si相。Ca和Sr的复合合金化提高合金的耐热和综合机械性能，克服单一元素过量加入带来的对合金其他性能的损害。Si、Ca和Sr分别以工业速熔硅、镁钙中间合金、镁锶中间合金的形式加入，熔化快，吸收率高，因此制备工艺简单，实施方便。

Claims

1.一种镁合金，其特征是由以下组分和重量百分比组成：Al 1.5～6.0％，Zn 0.15～0.25％，Si 0.5～3.0％，Ca 0.1～0.8％和Sr 0.1～0.5％，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征是由以下组分和重量百分比组成：Al 2.0％，Zn 0.2％，Si1.0％，Ca 0.25％和Sr 0.2％，余量为Mg。