CN102071345A

CN102071345A - 一种Mg-Zn-Cu-Zr合金

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Publication number: CN102071345A
Application number: CN2011100261845A
Authority: CN
Inventors: 朱红梅; 刘江文; 伍翠兰; 罗承萍; 焦东玲
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-05-25

Abstract

本发明公开了一种Mg-Zn-Cu-Zr合金，其组分的重量百分比为：Zn 5～7％，Cu 0.5～2％，Zr 0.3～0.8％，余量为Mg。本发明合金采用成本相对低廉的合金元素，通过普通的铸造方法及后续热处理制备而成，操作工艺简单、生产效率高。本发明合金具有良好的铸造性能及优异的综合力学性能。

Description

一种Mg-Zn-Cu-Zr合金

技术领域

本发明涉及一种镁合金材料技术领域，具体是一种Mg-Zn-Cu-Zr合金。

背景技术

镁合金是当今世界发展最快的一种轻合金，被誉为“21世纪最具开发和应用潜力的绿色工程材料”。镁合金的一系列特殊性能如密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振降噪能力强、电磁屏蔽性能优异、切削加工性和热成形性好和易于回收利用等，使其在汽车、电器电子、航空航天、国防军工、交通等领域都具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

在当前现有的商业化镁合金中，Mg-Zn系合金因可产生明显的固溶强化和时效强化效应而备受国内外研究者们的青睐。相对目前商用广泛应用的Mg-Al-Zn合金来说，由于其形成的Mg-Zn相较Mg-Al相(常为Mg₁₇Al₁₂)高温稳定性能要好，故在较高温工作应用领域(如汽车活塞等)具有更诱人的前景。然而，简单的Mg-Zn二元合金由于存在较大的热冷缩敏感性、铸造缺陷较大、不易焊接、时效析出组织粗大且不均匀分布等缺点，大大限制了在实际工业上的生产和应用。

在Mg-Zn二元合金基础上添加微合金元素Cu形成的Mg-Zn-Cu(ZC系)合金是上世纪八十年代由英国的Magnesium Elektron Limited公司研发出来的，是迄今商业化应用比较成功的一种新型耐热镁合金。Cu的加入能明显克服上述Mg-Zn二元合金的一些缺点，其高温性能比传统的Mg-Al-Zn合金更优良，可广泛用于汽车发动机部件和推进器等，这类合金的典型牌号有ZC63、ZC62、ZC71等。

经对现有技术的文献检索发现，国内外对Mg-Zn-Cu(ZC系)合金的研究尚少，主要集中在Mg-Zn-Cu-Mn四元合金上。微量元素Mn的加入是为了改善ZC系镁合金的铸造性能及耐腐蚀性能。但Magnesium Elektron Limited公司的W.Unsworth等人报道(W.Unsworth，Light Metal Age 45(1987)10-13)指出加入的Mn虽然可提高合金的屈服强度，但同时却使合金的抗拉强度和延伸率有所降低。在充分时效的Mg-6Zn-xCu-0.5Mn合金中，获得最佳力学性能时典型的Cu含量范围为1.5％～3％，相应的最大抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为230-240MPa、160-170MPa和3％-6％。此类合金虽然强度值能满足一般的工业要求，但其韧性水平较低，尤其对镁合金耐腐蚀性能不利的合金元素Cu含量偏高(1.5％～3％)。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种新型低成本、高性能的Mg-Zn-Cu-Zr合金。本发明所涉及的合金可通过普通铸造的方法及后续的热处理制备，具有良好的铸造性能及优异的综合力学性能，可以应用于汽车、交通、航空航天等重要工业领域。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种Mg-Zn-Cu-Zr合金，合金组分的重量百分比为：Zn 5～7％，Cu 0.5～2％，Zr 0.3～0.8％，余量为Mg。

所述合金组分的重量百分比的优选范围为：Zn 6％，Cu 0.5～1.0％，Zr 0.3～0.8％，余量为Mg。

本发明合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金为原料，按照合金的各组分配比计算出原料所需的重量百分比；

(2)将上述纯镁锭在熔剂或保护气氛作用下加热到完全熔化，再在680～700℃时加入纯锌锭，在720～740℃时加入Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金，保温5～10分钟后搅拌，而后升温至760～780℃静置20～30分钟，然后降温至700～720℃并在保护气氛下铸造成合金铸锭；

(3)将上述合金铸锭在430～450℃下进行固溶处理8～24小时后，在160～200℃下进行时效处理15～25小时，即可得到所述合金。

所述步骤(1)的熔剂为RJ-1或RJ-2。

所述步骤(1)的保护气氛为SF₆/CO₂的混合气体或氩气。

所述步骤(2)的铸造方式为金属模铸造、砂型铸造或压铸铸造。

本发明合金的成分设计依据为：

(1)由Mg-Zn二元相图可知，在共晶温度340℃下，Zn在Mg中的最大固溶度约为6.2％，而Cu元素的加入能提高合金的共晶温度，使合金可以在更高的温度下(优选430～450℃)进行固溶处理，从而提高溶质元素Zn的固溶度。故本发明加入5～7％Zn以获得理想的固溶强化和析出强化效果从而提高合金的强度，优选添加量为6％；

(2)本发明合金加入0.5～2％Cu是为了改善合金的铸造性能、耐热性能、综合力学性能。通过微合金化Cu可促进合金的时效硬化效应而提高合金的强度，同时降低镁基的c/a比而显著提高合金的塑性。但因Cu元素本身对镁合金的耐腐蚀性能不利(虽然W.Unsworth的研究指出Cu对Mg-Zn系合金的耐腐蚀性能影响不如Cu对Mg-Al系合金的耐腐蚀性能影响明显)，此外考虑到Cu在Mg中的固溶度较低(在440℃时约为0.5％)，故Cu的添加量上限为2％，优选添加范围为0.5～1.0％；

(3)本发明合金加入0.3～0.8％Zr，一方面是为了细化合金的晶粒而进一步改善合金的塑性，另一方面是通过先形成的高熔点Zn-Zr相为后续时效过程中析出的主要强化相Mg-Zn相提供异质形核中心，从而有效促进合金的时效析出效率，此外Zr的加入还可改善合金的耐腐蚀性能。

与现有技术相比，本发明合金采用成本相对低廉的合金元素，可通过普通的铸造方法及后续热处理制备，操作工艺简单、生产效率高。本发明合金具有良好的铸造性能及优异的综合力学性能，经充分热处理后最大抗拉强度、屈服强度、延伸率可分别达到240～270MPa、160～190MPa和11～17％。本发明合金优异的塑性无论是对实际工业生产上的应用，还是发展性能将为更加优异的变形镁合金都具有极其重要的价值和意义。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的作进一步说明，但本发明的内容不限于下述的实施例。

实施例1

步骤一，按照重量百分比Zn为6％，Cu为0.5％，Zr为0.6％，余量为Mg的合金组分配比进行配料，原料为工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金；

步骤二，将纯镁锭在SF₆/CO₂的混合气体保护下加热，待纯镁锭完全熔化后，在680℃时加入纯锌锭，在720℃时加入Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金，保温5分钟后搅拌，而后升温至760℃静置20分钟，然后降温至700℃时在保护气氛下进行金属模铸造成合金铸锭；

步骤三，将上述合金铸锭在430℃下进行固溶处理8小时，随后对固溶处理后的合金在180℃下进行时效处理15小时，从而得到本发明高性能的Mg-6Zn-0.5Cu-0.6Zr合金。

实施例2

步骤一，按照重量百分比Zn为6％，Cu为1.0％，Zr为0.6％，余量为Mg的合金组分配比进行配料，原料为工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金；

步骤二，将纯镁锭在氩气的保护下加热，待纯镁锭完全熔化后，在685℃时加入纯锌锭，在725℃时加入Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金，保温6分钟后搅拌，而后升温至770℃静置25分钟，然后降温至700℃时在保护气氛下进行金属模铸造成合金铸锭；

步骤三，将上述合金铸锭在435℃下进行固溶处理10小时，随后对固溶处理后的合金在180℃下进行时效处理18小时，从而得到本发明高性能的Mg-6Zn-1.0Cu-0.6Zr合金。

实施例3

步骤一，按照重量百分比Zn为5％，Cu为1.5％，Zr为0.6％，余量为Mg的合金组分配比进行配料，原料为工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金；

步骤二，将纯镁锭在SF₆/CO₂的混合气体保护下加热，待纯镁锭完全熔化后，在690℃时加入纯锌锭，在730℃时加入Mg-Cu中间合金，和Mg-Zr中间合金，保温8分钟后搅拌，而后升温至770℃静置25分钟，然后降温至710℃时在保护气氛下进行金属模铸造成合金铸锭；

步骤三，将上述合金铸锭在440℃下进行固溶处理20小时，随后对固溶处理后的合金在180℃下进行时效处理20小时，从而得到本发明高性能的Mg-5Zn-1.5Cu-0.6Zr合金。

实施例4

步骤一，按照重量百分比Zn为6％，Cu为2.0％，Zr为0.6％，余量为Mg的合金组分配比进行配料，原料为工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金；

步骤二，将纯镁锭在SF₆/CO₂的混合气体保护下加热，待纯镁锭完全熔化后，在700℃时加入纯锌锭，在740℃时加入Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金，保温10分钟后搅拌，而后升温至780℃静置30分钟，然后降温至720℃时在保护气氛下进行金属模铸造成合金铸锭；

步骤三，将上述合金铸锭在445℃下进行固溶处理24小时，随后对固溶处理后的合金在200℃下进行时效处理25小时，从而得到本发明高性能的Mg-6Zn-2Cu-0.6Zr合金。

性能对比：

下表为经铸造及后续热处理得到的不同成分的镁合金室温拉伸性能，其中对比合金1为英国的Magnesium Elektron Limited公司W.Unsworth等人研发的Mg-6Zn-(1.5～3)Cu-0.5Mn合金(W.Unsworth，Light Metal Age 45(1987)10-13)，对比合金2为日本国立材料研究所的J.Buha研发的Mg-6Zn-2Cu-0.1Mn合金(J.Buha，Materials Science and Engineering A 489(2008)127-137)，本案1～4为采用本发明技术得到的Mg-Zn-Cu-Zr合金。

由上表可见，本发明的Mg-Zn-Cu-Zr合金相比目前已商业化的Mg-Zn-Cu-Mn合金，具有相当甚至更高的强度，尤其合金的塑性大大提高，在获得相同或更优的综合力学性能水平的前提下，所需要添加的对镁合金耐腐性能不利的合金元素Cu含量明显降低。

上述实施例仅为本发明较佳的实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种Mg-Zn-Cu-Zr合金，其特征在于，所述合金组分的重量百分比为：Zn 5～7％，Cu 0.5～2％，Zr 0.3～0.8％，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金组分的重量百分比为：Zn 6％，Cu 0.5～1.0％，Zr 0.3～0.8％，余量为Mg。

3.根据权利要求1或2所述合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)将上述纯镁锭在熔剂或保护气氛的保护下加热至完全熔化，再在680～700℃时加入纯锌锭，在720～740℃时加入Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金，保温5～10分钟后搅拌，而后升温至760～780℃静置20～30分钟，然后降温至700～720℃并在保护气氛下铸造成合金铸锭；

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的熔剂为RJ-1或RJ-2。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的保护气氛为SF₆/CO₂的混合气体或氩气。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的铸造方式为金属模铸造、砂型铸造或压铸铸造。