CN101985713A - 加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法 - Google Patents

Abstract

一种加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，通过在Mg-Sn-Ca系镁合金中加入Mg-Sr中间合金来实现，具体是在熔剂或气体保护下，将Mg-Sn-Ca镁合金按相应的成分配比熔化后升温到720-740℃，加入Mg-10wt.%Sr中间合金；Sr加入量占炉料总重量的0.05-0.15wt.%。本方法能用较低的成本细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相，改善Mg-Sn-Ca系镁合金的性能。

Description

加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法

技术领域

本发明涉及的是一种加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，属于金属材料类及冶金领域。

背景技术

镁合金作为最轻质的商用金属工程结构材料，因其具有比重轻、比强度比刚度高、阻尼减振降燥能力强、液态成型性能优越和易于回收利用等优点，被誉为21世纪“绿色结构材料”。但目前由于现有镁合金的高温抗蠕变性能差，长期工作温度不能超过120℃，使其无法用于制造对高温蠕变性能要求高的汽车传动部件，因此极大地阻碍了镁合金的进一步应用。也正是由于这样，国内外对于具有高温抗蠕变性能的汽车用耐热镁合金的研究开发给予了高度重视，并先后试制研究了Mg-A1-Si、Mg-A1-RE、Mg-A1-Ca、Mg-A1-Ca-RE、Mg-A1-Sr、Mg-A1-Sn、Mg-Zn-A1、Mg-Zn-RE、Mg-Zn-Si、Mg-Zn-Sn和Mg-Sn-Ca等系列的耐热镁合金。在这些已得到试制研究的耐热镁合金中，Mg-Sn-Ca系镁合金由于具有高温性能较好、成本较低和抗腐蚀性能好等方面的优势，被认为是一种很有发展前途的新一代高温抗蠕变镁合金。与其他耐热镁合金相比，Mg-Sn-Ca系镁合金的耐热强化机理主要在于通过引入低成本合金元素Sn和Ca在晶界和晶内形成CaMgSn相来实现。由于CaMgSn相在300℃以下相当稳定，从而使得Mg-Sn-Ca系镁合金具有较高的高温抗蠕变性能。也正是看到Mg-Sn-Ca系镁合金所具有的优点，所以在最近几年人们对Mg-Sn-Ca系耐热镁合金的研究和开发给予了广泛的关注和高度的重视，并对此开展了积极的研究。如Huang等通过调查发现Mg-5Sn-2Ca和Mg-3Sn-2Ca三元镁合金在135℃和85MPa条件下的蠕变寿命可分别达到82.5h和358.4h，其相应的二次蠕变速率分别为3.5×10^-8s^-1 和 4.5×10^-9s^-1，显示出了很高的高温抗蠕变性能[Yuanding Huang，Norbert Hort，Tarek Abu Leil1，Karl Ulrich Kainer 和 Yilin Liu，Key Engineering Materials，2007，345-346：561-564]。尽管目前国内外对于Mg-Sn-Ca系镁合金已开展了一定的研究，但其推广应用仍因合金的综合力学性能较差等原因而受到一定程度的限制。正如上面所述，Mg-Sn-Ca系镁合金的耐热强化机理主要在于通过引入低成本合金元素Sn和Ca在晶界和晶内形成CaMgSn相来实现，但由于形成的CaMgSn相比较粗大，而粗大的CaMgSn相会成为裂纹源而导致合金的抗蠕变性能下降。因此，细化CaMgSn相被认为是改善Mg-Sn-Ca系镁合金抗蠕变性能的关键因素之一。众所周知，合金化和/或微合金化是细化和/或变质工程合金中第二相的有效方法之一。目前，已有专利和文献报道，添加Ce或Y可以细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相从而使合金的性能得到改善[1-杨明波，潘复生，汤爱涛. 加Ce细化细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法.专利号：ZL200810237214.5; 2-杨明波，汤爱涛,潘复生. 加Y细化细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法. 专利号：ZL200810237216.4; 3-Mingbo Yang, Fusheng Pan, Liang Cheng, Jia Shen. Effects of cerium on as-cast microstructure and mechanical properties of Mg-3Sn-2Ca magnesium alloy. Materials Science and Engineering A, 2009, 512: 132–138; 4- Mingbo Yang, Fusheng Pan. Effects of Y addition on as-cast microstructure and mechanical properties of Mg-3Sn-2Ca (wt.%) magnesium alloy. Materials Science and Engineering A, 2009, 525: 112–120]。然而，由于Ce和Y属于稀土元素，价格较贵，并且其加入量较高（0.5-1.5wt%），从而使得添加Ce或Y细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相的成本较高。因此，有必要研究开发其它用于细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相的低成本合金元素。

发明内容

本发明的目的在于针对现有Mg-Sn-Ca系镁合金因存在粗大CaMgSn相而影响合金性能以及已有Ce和Y合金化细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相成本较高等不足，提出采用低成本的合金化和/或微合金化的方法，包括其细化工艺，以达到细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相这一目的，从而改善Mg-Sn-Ca系镁合金的性能，加快该系镁合金的工业化应用进程。

为了实现上述目的，本发明提出一种加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相的方法，在Mg-Sn-Ca系镁合金中通过添加Mg-10%Sr中间合金的方法，来细化Mg-Sn-Ca系镁合金中的粗大CaMgSn相。

本发明提出的方法如下：在熔剂或气体保护下，将Mg-Sn-Ca镁合金按相应的成分配比熔化后升温到720-740℃，加入Mg-10wt.%Sr中间合金；Sr加入量占炉料总重量的百分比为0.05-0.15wt.%，加入方法：在100-150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤15-30分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约2-6分钟，搅拌后升温到720-760℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5-10分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10-15分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后进行铸造。

采用本方法细化CaMgSn相的机理在于Sr元素具有较Sn元素更大的原子半径(Sr: 0.215nm; Sn: 0.141nm)。当添加Sr到Mg-Sn-Ca镁合金中后，其在凝固过程中会在固-液界面富集，从而阻碍Sn原子扩散，并最终导致CaMgSn相细化。同时，Sr元素在镁中的固溶度较小（~0.11%），其在凝固过程中会在固-液界面前沿的液相中富集会增加凝固时的过冷度，也会使CaMgSn相细化。此外，添加Sr还会使合金的晶粒得到细化，从而进一步使合金性能得到改善。

附图说明

图1A和图1B分别是Mg-3Sn-2Ca和Mg-3Sn-2Ca -0.05Sr的显微组织图片；

图2A和图2B分别是Mg-4Sn-1.5Ca和Mg-4Sn-1.5Ca -0.10Sr的显微组织图片；

图3A和图3B分别是Mg-5Sn-2.5Ca和Mg-5Sn-2.5Ca -0.15Sr的显微金相组织图片；

图4A和图4B分别是Mg-3Sn-1Ca和Mg-3Sn-1Ca -0.08Sr的显微金相组织图片；

图5A和图5B分别是Mg-5Sn-1.5Ca和Mg-5Sn-1.5Ca -0.12Sr的显微金相组织图片。

具体实施方式

以下通过具体五个实施例对本发明的技术方案和效果作进一步的阐述。

实施例1：在熔剂保护下，将Mg-3Sn-2Ca镁合金按94.95wt.%Mg, 3wt.%Sn和2wt.%Ca的成分配比熔化后升温到740℃，加入Mg-10wt.%Sr中间合金，Sr的加入量为炉料总重量的为0.05wt.%。加入方法：在150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后将其浇铸入已预热到100-150℃的金属型中。

实施例2：在熔剂保护下，将Mg-4Sn-1.5Ca-0.25Mn镁合金按94.15wt.%Mg, 4wt.%Sn, 1.5wt.%Ca和0.25wt.%Mn的的成分配比熔化后升温到720℃，加入Mg-10wt.%Sr中间合金。Sr的加入量为炉料总重量的0.10wt.%。加入方法：在150℃将Mg-10%Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后将其浇铸入已预热到100-150℃的金属型中。

实施例3：在CO₂保护下，将Mg-5Sn-2.5Ca镁合金按92.35wt.%Mg, 5wt.%Sn和2.5wt.%Ca的成分配比熔化后升温到740℃，加入Mg-10%Sr中间合金。Sr的加入量为炉料总重量的0.15wt.%。加入方法：在150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后将其浇铸入已预热到100-150℃的金属型中。

实施例4：在CO₂保护下，将Mg-3Sn-1Ca镁合金按95.92wt.%Mg, 3wt.%Sn和1wt.%Ca的成分配比熔化后升温到740℃，加入Mg-10%Sr中间合金。Sr的加入量为炉料总重量的0.08wt.%。加入方法：在150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后将其浇铸入已预热到100-150℃的金属型中。

实施例5：在熔剂保护下，将Mg-5Sn-1.5Ca镁合金按93.38wt.%Mg, 5wt.%Sn和1.5wt.%Ca的成分配比熔化后升温到740℃，加入Mg-10%Sr中间合金。Sr的加入量为炉料总重量的0.12wt.%。加入方法：在150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后将其浇铸入已预热到100-150℃的金属型中。

将以上五个实施例和未加Sr的Mg-Sn-Ca镁合金的成分和组织分析及性能测试结果如表1所示。 从表1中的对比分析结果可以看到，Mg-Sn-Ca系镁合金中加入一定量的Sr后，合金组织中CaMgSn相的平均尺寸明显减小。同时，合金的抗拉性能和蠕变性能得到提高，尤其是合金的室温和高温抗拉性能。此外，与已有专利和文献报道的最少量的Ce和Y添加相比，成本可以大大降低。

以上实施例中使用的溶剂可以采用镁合金制备通用的各种溶剂，如采用的较为普遍的2# 熔剂 (45 wt.% MgCl2 + 37 wt.% KCl +8 wt.% NaCl + 4 wt.% CaF2 + 6 wt.% BaCl)。

    保护气体也可以采用镁合金制备通用的各种保护气体，如CO₂。

Claims (3)

1.一种加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，所述方法是通过在Mg-Sn-Ca系镁合金中加入Mg-Sr中间合金来实现，Sr的加入量占炉料总重量的百分比为0.05-0.15wt.%。

2.根据权利要求1所述的加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，所述方法是在熔剂或气体保护下，将Mg-Sn-Ca镁合金按相应的成分配比熔化后升温到720-740℃，加入Mg-10wt.%Sr中间合金；Sr加入量占炉料总重量的百分比为0.05-0.15wt.%，加入方法：在100-150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤15-30分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约2-6分钟，搅拌后升温到720-760℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5-10分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10-15分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后进行铸造。

3.根据权利要求1所述的加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，其特征在于：所述方法是在熔剂或气体保护下，将Mg-Sn-Ca镁合金按相应的成分配比熔化后升温到740℃，加入Mg-10wt.%Sr中间合金，Sr加入量占炉料总重量的百分比为0.05-0.15wt.%，加入方法：在150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5-10分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后进行铸造。

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