CN101857934B - 一种耐热镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐热镁合金及其制备方法，属于耐热镁合金材料领域。本发明所提供的合金中各组分及其重量百分数为：Zn为4.7～5.1％，Nd为1.4～1.5％，Er为2.1～2.2％，Ca为1.2～2.5％，杂质元素为Si、Fe、Cu、Co，总含量小于0.02％，其余为Mg。本发明通过将镁锭、锌锭在石墨坩埚中采用覆盖剂保护下经780℃加热至熔化后，再加入钙锭、镁钕及镁铒中间合金，待钙锭和中间合金全部熔化后，经搅拌、保温后撇去合金液表面浮渣及覆盖剂，浇注入钢制模具中，在空气中自然冷却，将得到的铸造态镁合金进行T1热处理，得到高强耐热的Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金。本发明的合金具有较高的室温强度和高温强度。
Description
技术领域
本发明属于耐热镁合金材料及其制备方法，具体涉及一种含Ca耐热镁合金的成分设计及其制备方法。
背景技术
镁合金作为最轻的金属结构材料，具有较高的比强度和比刚度、优良的阻尼性能和良好的铸造性能和机械加工性能，被誉为“21世纪的绿色结构材料”，具有广泛的应用前景。在常用的铸造镁合金牌号中，ZK60合金以其优良的室温力学性能和较好的高温力学性能，得到了广泛的工业应用。但由于该合金在铸造时易产生晶内偏析和疏松缩孔，同时该合金的熔炼和铸造工艺也比较复杂，在生产中存在严重的夹杂问题，热裂倾向严重，从而导致其高温强度还是无法满足一些特殊环境下的使用要求。
发明内容
本发明所要解决的第1个技术问题是提供一种耐热性能好的镁合金。
本发明所要解决的第2个技术问题是提供上述镁合金的制备方法。
本发明是通过以下的技术方案实现的，一种耐热镁合金，其成分及重量百分数为：Zn为4.7～5.1％，Nd为1.4～1.5％，Er为2.1～2.2％，Ca为1.2～2.5％，杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni，总含量小于0.02％，其余为Mg。
上述耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
a)将镁锭、锌锭、钙锭、镁钕及镁铒中间合金按给定的重量百分数进行配料，并置于烘箱中预热至150-155℃；
b)将配好并已混合均匀的镁合金熔炼覆盖剂置于烘箱中预热至150-155℃；
c)设定坩埚电阻炉的温度为780-785℃，待石墨坩埚被加热至300-310℃时，在石墨坩埚中加入步骤a)中经预热的镁锭和锌锭，并撒入二分之一的步骤b)中经预热的镁合金熔炼覆盖剂；
d)待石墨坩埚中的镁锭和锌锭全部熔化后，在坩埚中加入步骤a)中经预热的钙锭、镁钕及镁铒中间合金，并将其压入熔体内部；
e)待镁钕、镁铒中间合金全部熔化后，得到Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金液；撇去合金液表面浮渣，搅拌2-2.5分钟，撒入剩余的镁合金熔炼覆盖剂，在780-785℃下保温30-35分钟；
f)待坩埚电阻炉的温度降到720～724℃时撇去合金液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将合金液浇注入经预热至200-250℃的钢制模具中，并在空气中自然冷却，得到Mg-Zn-Nd-Er-Ca铸造态合金；
g)将Mg-Zn-Nd-Er-Ca铸造态合金进行T1热处理，得到高强耐热的Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金。
所述的镁合金熔炼覆盖剂的成分及重量百分数为：LiCl为35％，BaCl2为35％，CaF2为20％，KCl为10％，其用量为目标合金总量的2.0～3.0％。
所述的T1热处理的条件为温度：220℃、时间8小时。
本发明具有以下特点：
1)通过在Mg-Zn系镁合金中添加稀土元素Nd和Er，在合金中形成具有较高熔点和热稳定性的Mg-Zn-Er和Mg-Zn-Nd三元化合物相(即第二相)。由于这些第二相在热变形过程中对镁基体晶界滑移产生有效的钉扎作用，提高镁合金的耐热性能和降低合金形成显微缩松的倾向。同时这些稀土元素的加入，能够有效的抑制动态再结晶时晶粒的长大，进一步使合金组织细化，提高合金的综合性能。
2)通过加入Ca代替Zr作为晶粒细化剂，在起到细化晶粒作用的同时，Ca在合金快速凝固过程中由于产生过饱和固溶，在人工时效时易与Mg形成弥散析出相Mg2Ca，又起到了弥散强化的效果。另外Ca在合金液中能降低合金液的起燃点，起到了阻燃的作用，从而降低了合金熔炼工艺的复杂性。
3)通过对铸造态镁合金进行T1热处理，并优化时效温度和时间，充分发挥合金的时效强化效果，进一步提高铸造镁合金的抗拉强度和硬度。
为了进行性能对比，本发明同时采取上述制备方法，制备了ZK60合金，其成分及其重量百分数为：Zn为5.8％，Zr为0.53％，杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni，总含量小于0.02％，其余为Mg，并分别测试了其在室温条件和175℃条件下的抗拉强度。
与现有技术的ZK60合金相比，本发明具有以下的有益效果：
本发明与现有技术相比，所制备的Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金，具有较高的室温强度和更高的高温强度，塑性也有较大的提高，可以作为汽车发动机、自动变速箱等零部件的结构材料，也可以作为在较高环境温度下使用的其它结构材料。
附图说明：
图1是本发明方法实施例1所制备的镁合金T1热处理态光学显微组织照片。
图2是本发明方法实施例1所制备的镁合金T1热处理态SEM显微组织照片
图3是本发明方法实施例1所制备的镁合金T1热处理态的EDS谱图。
图4是本发明方法实施例1所制备的镁合金T1热处理态试样室温和175℃条件下的强度试验曲线，拉伸试棒的标距和直径分别为25mm、Φ5mm。
图5是现有技术的ZK60镁合金T1热处理态光学显微组织照片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详述。
实施例1
a)合金成分及重量百分数为：Zn为4.9％，Nd为1.4％，Er为2.2％，Ca为1.9％，杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni，总含量小于0.02％，其余为Mg；按以上合金成分准备工业纯镁、工业纯锌、工业纯钙、含26.35％Nd的镁钕中间合金及含30.6％Er的镁铒中间合金，并进行配料，将配制好的镁合金原料置于烘箱中预热至150℃。
b)覆盖剂的成分及重量百分数为：LiCl(分析纯)为35％，BaCl2(分析纯)为35％，CaF2(分析纯)为20％，KCl(分析纯)为10％，其用量为目标合金总重量的2.5％。按以上覆盖剂的成分进行覆盖剂的配料。将配制好覆盖剂置于烘箱中预热至150℃。
c)设定坩埚电阻炉的温度为780℃，待石墨坩埚被加热至300℃时，在石墨坩埚中加入镁锭和锌锭，撒入二分之一的配制好的覆盖剂；
d)待石墨坩埚中的镁锭和锌锭全部熔化后，在石墨坩埚中加入钙锭、镁钕及镁铒中间合金，并将其压入熔体内部；
e)待钙锭、镁钕及镁铒中间合金全部熔化后，撇去合金液表面浮渣，搅拌2分钟，撒入剩余的覆盖剂，在780℃下保温30分钟；
f)待坩埚电阻炉的温度降到724℃时(室温为15℃)撇去合金液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将合金液浇注入经预热至200℃的钢制模具中，并在空气中自然冷却，得到Mg-Zn-Nd-Er-Ca铸造态合金；
g)将Mg-Zn-Nd-Er-Ca铸造态合金进行T1热处理(220℃/8h的时效处理)，得到高强耐热的Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金。
本实施例的镁合金，在室温条件下的抗拉强度为252MPa，屈服强度为214MPa，伸长率为10.7％；在175℃条件下的抗拉强度为158MPa，屈服强度为123MPa，伸长率为16.0％。
本实施例的合金的显微组织见图1、图2，合金中析出相的成分见图3，强度试验曲线见图4，现有技术的ZK60合金的显微组织见图5。
从图1可以看出，由于Ca和稀土元素Er和Nd的加入，合金组织中出现沿晶界分布的网状共晶组织，晶粒得到明显的细化，其平均粒径为25μm.，同时晶内弥散析出大量细小的质点。
从图2、3可以看出，沿晶界分布的网状共晶组织和晶内弥散析出的细小质点都是耐热性较高的Mg-Zn-Er和Mg-Zn-Nd化合物相，同时还有少量的Mg-Ca化合物相(Mg2Ca相)析出，对合金起到了第二相增强和弥散强化的效果。
从图4可以看出，经过T1热处理后的合金，其室温和高温(175℃)抗拉强度及屈服强度都较高，塑性也较好。
从图5可以看出，现有技术ZK60合金组织中，晶内有部分年轮状或花纹状的偏析，弥散析出少量的γ’(MgZn)化合物相，同时沿晶界也分布有少量的γ’(MgZn)化合物相，
实施例2
a)合金成分及重量百分数为：Zn为5.1％，Nd为1.5％，Er为2.1％，Ca为2.5％，杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni，总含量小于0.02％，其余为Mg；按以上合金成分准备工业纯镁、工业纯锌、工业纯钙、含26.35％Nd的镁钕中间合金及含30.6％Er的镁铒中间合金，并进行配料。将配制好的镁合金原料置于烘箱中预热至150℃。
本实施例的步骤b)～e)与实施例1的步骤b)～e)相同。
f)待坩埚电阻炉的温度降到722℃时(室温为20℃)撇去合金液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将合金液浇注入经预热至200℃的钢制模具中，并在空气中自然冷却，得到Mg-Zn-Nd-Er-Ca铸造态合金；
g)将Mg-Zn-Nd-Er-Ca铸造态合金进行T1热处理(220℃/8h的时效处理)，得到高强耐热的Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金。
本实施例的合金，在室温条件下的抗拉强度为237MPa，屈服强度为173MPa，伸长率为8.9％；在175℃条件下的抗拉强度为155MPa，屈服强度为116MPa，伸长率为13.9％。
实施例3
a)合金成分及重量百分数为：Zn为4.7％，Nd为1.5％，Er为2.2％，Ca为1.2％，杂质元素为Si、Fe、Cu、Co，总含量小于0.02％，其余为Mg；按以上合金成分准备工业纯镁、工业纯锌、工业纯钙、含26.35％Nd的镁钕中间合金及含30.6％Er的镁铒中间合金，并进行配料。将配好的镁合金原料置于烘箱中预热至150℃。
本实施例的步骤b)～e)与实施例1的步骤b)～e)相同。
f)待坩埚电阻炉的温度降到720℃时(室温为25℃)撇去合金液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将合金液浇注入经预热至200℃的钢制模具中，并在空气中自然冷却，得到Mg-Zn-Nd-Er-Ca铸造态合金；
g)将Mg-Zn-Nd-Er-Ca铸造态合金进行T1热处理(220℃/8h的时效处理)，得到高强耐热的Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金。
本实施例的合金，在室温条件下的抗拉强度为233MPa，屈服强度为167MPa，伸长率为9.6％；在175℃条件下的抗拉强度为146MPa，屈服强度为107MPa，伸长率为14.7％。
以上实施例1～例3的性能与现有技术ZK60的比较见下表：
Claims (4)
1.一种耐热镁合金，其特征在于，各组分及其质量百分数为：Zn为4.7～5.1％，Nd为1.4～1.5％，Er为2.1～2.2％，Ca为1.2～2.5％，杂质元素为Si、Fe、Cu、Co，总含量小于0.02％，其余为Mg。
2.权利要求1所述的一种耐热镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将镁锭、锌锭、钙锭、镁钕及镁铒中间合金按给定的重量百分数进行配料，并置于烘箱中预热至150-155℃；
b)将配好并已混合均匀的镁合金熔炼覆盖剂置于烘箱中预热至150-155℃；
c)设定坩埚电阻炉的温度为780-785℃，待石墨坩埚被加热至300-310℃时，在石墨坩埚中加入步骤a)中经预热的镁锭和锌锭，并撒入二分之一的步骤b)中经预热的镁合金熔炼覆盖剂；
d)待石墨坩埚中的镁锭和锌锭全部熔化后，在坩埚中加入步骤a)中经预热的钙锭、镁钕及镁铒中间合金，并将其压入熔体内部；
e)待镁钕、镁铒中间合金全部熔化后，得到Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金液；撇去合金液表面浮渣，搅拌2-2.5分钟，撒入剩余的镁合金熔炼覆盖剂，在780-785℃下保温30-35分钟；
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g)将Mg-Zn-Nd-Er-Ca铸造态合金进行T1热处理，得到高强耐热的Mg-Zn-Nd-Er-Ca合金。
3.根据权利要求2所述的一种耐热镁合金的制备方法，其特征在于：
所述的镁合金熔炼覆盖剂的成分及重量百分数为：LiCl为35％，BaCl2为35％，CaF2为20％，KCl为10％，其用量为目标合金总量的2.0～3.0％。
4.根据权利要求2所述的一种耐热镁合金的制备方法，其特征在于：所述的T1热处理的条件为温度：220℃、时间8小时。
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