CN101921940B - 镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种镁合金，按质量计，其含有10.8%～11.8%的铝；1.54%～1.93%的锌；0.19%～0.24%的锰；0.9%～0.94%的稀土金属，其余为镁及不可避免的杂质。该镁合金具有较高强度和韧性。本发明还提供该镁合金的制备方法。

Description

镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种镁合金，尤其涉及一种高强度铸造用镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金是工业应用中最轻的结构金属，纯镁的密度为1.738g/cm3，为铝密度的2/3，钢的1/4。且镁在地壳中的储量较大，占2.7%，仅次于铝和铁。与其他金属材料相比，镁合金具有高比强度、比刚度，较强电磁屏蔽和抗辐射能力，易切削加工、易回收等一系列优点，在汽车、电子、航天及国防工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。
由于镁是密排六方晶体结构，其在室温下只有单一的滑移系，使得镁合金在常温下塑性较差，变形加工困难，因而镁合金大多以铸造方式生产。工业常用AZ91D、AM60B等压铸镁合金具有优良的室温强度和良好的铸造性能，且成本低廉。但这些镁合金的强度和韧性难以进一步提高，大大限制了这类镁合金的应用范围。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种具有较高强度和韧性的镁合金及制备该镁合金的方法。
一种镁合金，按质量计，其含有10.8%～11.8%的铝；1.54%～1.93%的锌；0.19%～0.24%的锰；0.9%～0.94%的稀土金属，其余为镁及不可避免的杂质。
该镁合金的制备方法，包含以下步骤：熔融镁合金原材料，以获得上述镁合金；将该镁合金铸造成型；将该镁合金加热至330度至420度，升温时间为30分钟至180分钟；保温0至60分钟；将该镁合金冷却至室温。
本发明的镁合金中较高含量的铝和锌是主要的强化元素，锰可以提高镁合金的耐蚀性能，而稀土金属的引入，一方面有利于提高镁合金的铸造性能，另一方面可提高镁合金晶粒界面热稳定性，阻碍晶粒在热处理过程中尺寸增大。力学性能检测结果显示，该镁合金的抗拉强度及延伸率较现有镁合金有较大提高，具有较高的强度及韧性。
附图说明
图1是牌号为AZ91D的镁合金的金相图。
图2是按照本发明实施方式制备的镁合金的金相图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的镁合金及其制备方法作进一步的详细说明。
本发明提供一种镁合金，按质量计，其含有8.7%～11.8%的铝(Al)；0.63%～1.93%的锌(Zn)；0.1%～0.5%的锰(Mn)；0.51%～1.5%的稀土金属(RE)，其余为镁(Mg)及不可避免的杂质。其中RE优选为Ce、La、Pr、Nd、Y中的一种或其组合物。
Al是镁合金主要强化元素之一。合金液缓慢冷却至室温时，Al和Mg发生共晶反应，生成α-Mg固溶强化相和β-Mg17Al12沉淀强化相，提高了镁合金的室温强度和硬度。此外，Al的加入还可提高镁合金的铸造性能。实验证明：如果Al的含量低于8.7%，则镁合金无法显示出良好的流动性及铸造性；而当Al的含量高于11.8%时，则会使镁合金脆性提高。Al更为优选的范围是在8.8%和10.8%之间。
Zn也是镁合金中的强化元素。Zn在Mg-Al系合金中主要以固溶状态存在于α-Mg相和β-Mg17Al12相中，其可提高镁合金的室温强度及改善镁合金的塑性。Zn的另一个作用是可使镁合金的腐蚀电位正移，从而降低镁合金的腐蚀速度。实验证明：Zn的含量一般控制在1.93%以下，当其含量超过1.93%时，镁合金在淬火过程中容易发生裂纹。
Mn虽然对镁合金的强度影响较小，但可提高镁合金的延伸率。在熔炼过程中添加Mn的一个重要作用是其可将部分有害的金属分离出来。例如，熔炼时，Fe与Mn结合可生成沉淀进入渣中。另外Mn还可与合金中的Fe反应析出对耐蚀性影响较小的化合物相((Fe，Mn)A13)，有效地提高了镁合金的耐蚀性。此外，Mn还能起到提高镁合金可焊接性的作用。由于随着Mn含量的增加，组织中将出现脆性的d-Mn相，降低镁合金的延展性，因此Mn的含量一般控制在0.5%以下。
添加在镁合金中的RE主要具有细化晶粒的作用，使原来沿晶界网状分布的β-Mg17Al12相转变为断续、弥散分布的短杆状或粒状，从而提高镁合金的强度及延伸率。实验证明：当RE含量小于0.51%时，晶粒细化效果不明显；但当RE含量超过1.5%时，晶粒的进一步细化不明显，反而会出现过多的Al4RE相，使镁合金铸造性下降，成型铸件缺陷增加。RE更为优选的范围是在0.51%和1.23%之间。
添加在镁合金中的RE还具有净化合金的作用。在熔炼过程中，镁合金中经常会生成主要为MgO的杂质。由于RE与氧的结合力大于Mg与氧的结合力，因此，RE加入镁合金液后将生成稀土氧化物，从而起到去除杂质的作用。另外，在熔炼过程中，由于Mg与水气的反应使镁合金具有较强的吸氢倾向，而溶解于镁合金熔融液中的氢，是铸件产生气孔、针孔及缩松等铸造缺陷的原因。当RE加入镁合金熔融液后，RE可与水气和镁液中的氢反应，生成稀土氢化物，从而达到除氢的目的。
本发明还提供一种镁合金的制备方法，其包括如下步骤：
步骤1，熔融镁合金原材料，以获得具有以下特征的镁合金：按质量计，其含有8.7%～11.8%的Al；0.63%～1.93%的Zn；0.1%～0.5%的Mn；0.51%～1.5%的RE，其余为Mg及不可避免的杂质。
步骤2，将该镁合金铸造成型。铸造的方法可为压铸、浇铸及触变成型(Thixmolding)等，优选的铸造方法为触变成型。
步骤3，将该镁合金加热至330度至420度，升温时间为30分钟至180分钟。当加热温度低于330度时，固溶强化效果不太明显，而当加热温度高于420度时，由于该温度已经接近第二相的熔点，因此固溶强化效果开始减弱。更为优选的加热温度在350至400度之间。升温时间的延长有利于释放铸造成型的镁合金的残余应力，但升温时间过长会导致生产效率降低。更为优选的升温时间在60分钟至120分钟。
步骤4，保温0至60分钟。保温时间的延长有利于提高固溶效果，但过长时间会促使晶粒长大而导致镁合金强度下降。更为优选的保温时间在0至30分钟。
步骤5，将该镁合金冷却至室温。冷却方式可为水冷或空冷。
请同时参阅图1和图2，所示为牌号为AZ91D的镁合金的金相图和本发明实施方式制备的镁合金的金相图。由图可知，经过热处理后，原来存在于晶界上因非平衡凝固而形成的β-Mg17Al12相由于分解并溶入α-Mg基体中而导致数量逐渐减少，且使原来呈网状分布的β-Mg17Al12相转变为断续、弥散分布的短杆状或粒状。而具有表面活性的RE在合金凝固的过程将优先析出高熔点、高热稳定的Al4RE相。这些优先析出的Al4RE相富集在晶界周围，阻碍了二次相的生成，使晶粒得到细化。由于热稳定相的存在及其钉扎作用，即使镁合金在固溶温度下保温，晶粒尺寸仍不会有大幅增长。另外，α-Mg基体能与RE中的Ce、Nd和La等元素形成固溶体，其富镁区为低熔点简单共晶，并在晶界处形成网络，抑制缩孔的形成。
以下通过具体实施例来对本发明作进一步说明。
本发明的镁合金是在100kg的不锈钢制作的坩埚电阻炉内熔炼制得的。使用N2+0.3%SF6的混合气体作为保护气氛。使用原料如下：
Mg：一级纯镁，镁含量≥99.8%
Mn：在熔化温度为710℃～730℃时，将Al-15%Mn中间合金加入溶液中，强烈搅拌20～30分钟直至完全熔解。
Al：纯铝，铝含量≥99.7%，在熔化温度为650℃～680℃时添加，搅拌3～5分钟。
Zn：纯锌，锌含量≥99.995%，在熔化温度为650℃～680℃时添加，搅拌3～5分钟。
RE：富铈稀土，在熔化温度为690℃～710℃时添加，搅拌10～15分钟。
按照表1所列的配方配制13个本发明的实施例和1个对比例。配制完成后，保持熔汤温度在660℃～670℃时浇铸成7kg长方形铸锭，在浇铸过程中有吹保护气体保护。在所有试验中所得铸锭表面没有灼烧和氧化。不同成分铸锭经采样后利用ICP-AES进行成分分析。
所得铸锭采用切粒机器，将各种材料所得镁锭切成触变成型所使用的镁粒。使用JLM280MGIIe型触变成型设备将各铸锭加工成标准拉伸测试试棒。
将实施例2、实施例6、实施例8及实施例10按照本发明的制备方法进行热处理，其余实施例及对比例不作任何处理。
为进一步验证本发明的镁合金具有较高的强度及韧性，特按照ASTM-B557-02标准对上述13个实施例及对比例进行拉伸性能测试。所得测试数据见表2。
表1各实施例及对比例化学成分(重量%，其余为镁及不可避免的杂质)
  试验编号   Al   Zn   Mn   RE
  对比例   8.7   0.71   0.20   --
  实施例1   8.9   1.02   0.20   0.51
  实施例2   8.9   1.02   0.20   0.51
  实施例3   8.9   0.66   0.19   0.67
  实施例4   9.2   0.63   0.18   0.79
  实施例5   10.8   1.54   0.19   0.94
  实施例6   10.8   1.54   0.19   0.94
  实施例7   11.8   1.93   0.24   0.9
  实施例8   11.8   1.93   0.24   0.9
  实施例9   8.8   0.68   0.18   0.95
  实施例10   8.8   0.68   0.18   0.95
  实施例11   11.1   0.78   0.21   1.12
  实施例12   9.1   0.71   0.24   1.23
  实施例13   9.0   0.73   0.22   1.5
表2各实施例及对比例性能测试结果
  试验编号   热处理  拉伸强度(MPa)   延伸率(%)
  对比例   无  240   5.3
  实施例1   无  251   7.8
  实施例2   有  290   10.9
  实施例3   无  253   8.6
  实施例4   无  250   8.4
  实施例5   无  249   5.4
  实施例6   有  287   7.6
  实施例7   无  258   4.5
  实施例8   有  296   8.9
  实施例9   无  255   8.3
  实施例10   有  295   12
  实施例11   无  245   5.3
  实施例12   无  253   7.6
  实施例13   无  246   5.5
结论：本发明实施例的镁合金与现有镁合金相比，抗拉强度及延伸率都有一定程度的提高，且按照本发明的制备方法制备出的镁合金力学性能提高得更为明显，具有较高的强度及韧性。另外，与传统的T4(固溶处理)，T6(固溶处理+人工时效)等处理方式相比，本发明的制备方法还具有耗时较少，生产效率较高等优点。
本领域技术人员还可以在本发明精神内作其它变化，当然，这些依据本发明精神所作的变化，都包含在本发明要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种镁合金，按质量计，其含有10.8%～11.8%的铝；1.54%～1.93%的锌；0.19%～0.24%的锰；0.9%～0.94%的稀土金属，其余为镁及不可避免的杂质。
2.一种镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)熔融镁合金原材料，以获得具有以下特征的镁合金：按质量计，含有10.8%～11.8%的铝；1.54%～1.93%的锌；0.19%～0.24%的锰；0.9%～0.94%的稀土金属，其余为镁及不可避免的杂质；
(2)将该镁合金铸造成型；
(3)将该镁合金加热至330度至420度，升温时间为30分钟至180分钟；
(4)保温时间为0至60分钟；
(5)将该镁合金冷却至室温。
3.如权利要求2所述的镁合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中该镁合金的加热温度为350度至400度。
4.如权利要求2所述的镁合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中该镁合金的升温时间为60分钟至120分钟。
5.如权利要求2所述的镁合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)中该镁合金的保温时间为0至30分钟。
6.如权利要求2所述的镁合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中该镁合金的铸造成型方法为触变成型。
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