CN101984113A

CN101984113A - 一种耐热铸造镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN101984113A
Application number: CN201010578188XA
Authority: CN
Inventors: 邱克强; 任英磊; 尤俊华
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2011-03-09

Abstract

一种耐热铸造镁合金及其制备方法，合金组分及质量百分比：Al5%~9％，Snl％~4％，Ca1％~5％，余量Mg。按上述百分比配料；用铁坩埚在电阻炉中熔炼Mg，再加入Al、Sn和Ca，温度720℃~770℃，N₂和SF₆混合作保护气体；所得金属液在710℃~750℃浇注，产物在380℃~420℃固溶4~8h；然后在220℃~250℃时效6~24h，得到耐热铸造镁合金。本发明方法制备的耐热铸造镁合金，室温抗拉强度≥200MPa、延伸率≥4.5%；175°C，75MPa时，100h总蠕变延伸率低于1.8%，有良好的综合力学性能，可广泛应用于商业部件，包括汽车零部件、电子产品部件及航天航空用部件。

Description

一种耐热铸造镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于镁合金材料技术领域，具体涉及一种耐热铸造镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有比重小（1.75～1.85×10³kg/m³，约为铝的64％,钢的23％)、比强度和比刚度高、阻尼性和切削加工性好、冲击功吸收大，以及易回收利用等优点，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，耐热性能差，限制了其应用范围。由于强度低，用于汽车等领域的镁合金零部件不得不增大壁厚，因此提高镁合金的强度和耐热性，使其具有良好的综合性能，是新型镁合金开发的热点。

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σ_b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σ_b为275MPa，σ_0.2为200MPa，δ为4％。在锻造高强度镁合金Zn6A13中添加Si、Mn、Ca经双次时效处理，力学性能可以达到σ_b为300～400MPa，σ_0.2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，通过降低团簇在温度降低时的活动能力，抑制合金元素的扩散，提高在金属镁中的固态溶解能力，或提高形核率，细化晶粒尺寸，可实现镁合金的强化与韧化效果。

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。

高强耐热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

本发明提供一种耐热铸造镁合金的制备方法，其目的是制备出室温抗拉强度≥200MPa、延伸率≥4.5%的耐热铸造镁合金，该合金在175°C，75MPa条件下，100h总蠕变延伸率低于1.8%。

本发明是通过以下技术方案实施的：

一种耐热铸造镁合金，其特征在于：所述合金的组分及质量百分比为，Al：5~9％，Sn：l％～4％，Ca：1％～5％，余量为Mg。

在175°C，75MPa条件下，100h总蠕变延伸率低于1.8%。

镁合金的室温抗拉强度≥200Mpa，延伸率≥4.5%。

耐热铸造镁合金的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）配料：原料及各种物质的质量百分比为，金属Al：5~9％，金属Sn：l～4％，金属Ca：1～5％，余量为Mg；

（2）熔炼：采用铁坩埚，在普通电阻炉中进行熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Al、金属Sn和金属Ca，控制熔炼温度720℃～770℃，采用N₂和SF₆混合气体作为保护气体，得到液态金属；

（3）浇铸：将熔化的金属液在710℃～750℃浇注；

（4）热处理：将步骤（3）所得产物在380℃～420℃下，固溶4～8小时；然后在220℃～250℃下，时效6～24小时，得到耐热铸造镁合金。

金属Ca采用多孔钟罩压入。

步骤（3）中的浇铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型或砂型。

本发明方法制备的耐热铸造镁合金，室温抗拉强度≥200MPa、延伸率≥4.5%，合金在175°C，75MPa条件下，100h总蠕变延伸率低于1.8%。具有良好的综合力学性能，可广泛应用于商业部件，包括汽车零部件、电子产品部件及航天航空用部件。

附图说明：

图1为线切割的拉伸样品尺寸；

图2为实施例1制备的镁合金Mg-5Al-3Sn-2Ca应力-应变曲线。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1：

耐热铸造镁合金，各组分及质量百分比为，Al：5%、Sn：3%、Ca：2%、其余为Mg。

制备方法如下：

（1）配料：原料采用金属Mg、金属Al、金属Sn、金属Ca，按照质量百分比Al为5%、Sn为3%、Ca为2%、其余为Mg的比例配料。

（2）熔炼：采用铁坩埚，在普通电阻炉中熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Al、Sn、Ca，其中Ca采用多孔钟罩压入。控制熔炼温度730℃，采用N₂和SF₆混合气体作为保护气体，按体积百分比计，N₂95%，SF₆5%，得到液态金属。

（3）浇铸：将金属液在740℃浇注，在正常铸造工艺下，模型采用砂型。

（4）热处理：将步骤（3）所得产物在400℃条件下固溶7小时后，再在240℃温度条件下时效18小时。

得到的镁合金（Mg-9Al-3Sn-2Ca）抗拉强度为250MPa，延伸率为5.5%；在175°C，75MPa条件下，100h总蠕变延伸率低于1.8%。

该实施例制得的镁合金Mg-5Al-3Sn-2Ca应力-应变曲线如图2所示。

拉伸样品采用线切割取样，样品尺寸如图1所示，L1=40，L2=20，L3=12，L4=3，R1=4.5，φ1=φ2=3。

实施例2：

耐热铸造镁合金，各组分及质量百分比为：Al 5%、Sn 2%、Ca 2%、其余为Mg。

制备方法如下：

（1）配料：原料采用金属Mg、金属Al、金属Sn、金属Ca，按照质量百分比：Al 5%、Sn 2%、Ca 2%、其余为Mg的比例配料。

（2）熔炼：采用铁坩埚，在普通电阻炉中熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Al、Sn、Ca，其中Ca采用多孔钟罩压入。控制熔炼温度750℃，采用N₂和SF₆混合气体作为保护气体，按体积百分比计，N₂95%，SF₆5%，得到液态金属。

（3）浇铸：将金属液在720℃浇注，在正常铸造工艺下，模型采用砂型。

（4）热处理：将步骤（3）所得产物在380℃条件下固溶6小时后，在230℃温度条件下时效12小时。

得到的镁合金（Mg-5Al-2Sn-2Ca）抗拉强度为220MPa，延伸率为4.7%；在175°C，75MPa条件下，100h总蠕变延伸率低于1.8%。

实施例3：

耐热铸造镁合金，各组分及质量百分比为：Al 5%、Sn 1%、Ca 1%，其余为Mg。

制备方法如下。

（1）配料：原料采用金属Mg、金属Al、金属Sn、金属Ca，按质量百分比Al 5%、Sn 1%、Ca 1%、其余为Mg的比例配料。

（2）熔炼：采用铁坩埚，在普通电阻炉中进行熔炼。首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Al、金属Sn、金属Ca。其中，金属Ca采用多孔钟罩压入。控制熔炼温度720℃，采用N₂和SF₆混合气体作为保护气体，按体积百分比计，N₂95%，SF₆5%，得到液态金属。

（3）浇铸：将金属液在710℃浇注，在正常铸造工艺下，模型采用金属型。

（4）热处理：将步骤（3）所得产物在380℃条件下固溶4小时后，在220℃温度条件下时效6小时。

得到的镁合金（Mg-5Al-1Sn-1Ca）抗拉强度为200MPa，延伸率为4.5%；在175°C，75MPa条件下，100h总蠕变延伸率低于1.8%。

实施例4：

耐热铸造镁合金，各组分及质量百分比为：Al 5%、Sn 4%、Ca 5%、其余为Mg。

制备方法如下：

（1）配料：原料采用金属Mg、金属Al、金属Sn、金属Ca，按照质量百分比Al 5%、Sn 4%、Ca 5%、其余为Mg的比例配料。

（2）熔炼：采用铁坩埚，在普通电阻炉中熔炼，首先熔炼金属Mg，待金属Mg全部熔化后加入金属Al、Sn、Ca，其中Ca采用多孔钟罩压入。控制熔炼温度770℃，采用N₂和SF₆混合气体作为保护气体，按体积百分比计，N₂95%，SF₆5%，得到液态金属。

（3）浇铸：将金属液在750℃浇注，在正常铸造工艺下，模型采用砂型。

（4）热处理：将步骤（3）所得产物在420℃条件下固溶8小时后，在250℃温度条件下时效24小时。

得到的镁合金（Mg-5Al-4Sn-5Ca）抗拉强度为240MPa，延伸率为6.0%；在175°C，75MPa条件下，100h总蠕变延伸率低于1.8%。

Claims

1.一种耐热铸造镁合金，其特征在于：所述合金的组分及质量百分比为，Al：5~9％，Sn：l％～4％，Ca：1％～5％，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述一种耐热铸造镁合金，其特征在于：在175°C，75MPa条件下，100h总蠕变延伸率低于1.8%。

3.根据权利要求1所述一种耐热铸造镁合金，其特征在于：镁合金的室温抗拉强度≥200Mpa，延伸率≥4.5%。

4.如权利要求1所述耐热铸造镁合金的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（3）浇铸：将熔化的金属液在710℃～750℃浇注；

5.根据权利要求4所述耐热铸造镁合金的制备方法，其特征在于：金属Ca采用多孔钟罩压入。

6.根据权利要求4所述耐热铸造镁合金的制备方法，其特征在于：步骤（3）中的浇铸，在正常铸造工艺下，模型采用金属型或砂型。