CN102618760B - 一种含铌的MgAlZn系耐热镁合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含铌的MgAlZn系耐热镁合金，属于镁合金领域。所述镁合金由Mg、Al、Zn、Mn、稀土、Nb、Zr及M元素组成，其重量百分组成为Al 1.5-25％、Zn 0.1-3.5％、Mn 0.1-2.2％、稀土0.0002-16％、Nb 0.0002-4％、Zr 0.001-2％、M元素0.0002-2％，其余为Mg；其中，M元素为Ti、Sr、Ca、C、B中的至少一种。本发明通过在镁合金中添加稀土元素、Nb元素，改变β相的结构，提高了镁合金的耐高温性能；通过加入Zr和M元素来细化晶粒，从而得到了一种具有优良力学性能，机械加工性、流动性及压铸性良好，适合铸造尤其是压铸的耐热镁合金。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金，特别涉及一种适合铸造成形，尤其适合高压压铸的高性能镁合金。
背景技术
随着科技的发展，以汽车为代表的交通工具需要通过减轻车身的重量，来进一步研发燃料利用率更高的新产品。在汽车制造业中，镁合金作为一种新型的轻质金属材料，被汽车制造厂家用来替代传统的铸铁，以实现减轻车身重量的目的。
目前，国产MgAlZn系压铸镁合金牌号有YM302、YM303、YM304、YM305；美国标准ASTM B的MgAlZn系压铸镁合金牌号有AZ91A、AZ91B、AZ91D；日本标准JIS H的MgAlZn系压铸镁合金牌号有MDC1B、MDC1D；欧洲标准EN的MgAlZn系压铸镁合金牌号有EN-MC21110、EN-MC21120、EN-MC21121。这些牌号的合金具有流动性、机械加工性、压铸性能都十分优良的特点，被广泛用于金属型铸造、精密铸造、低压铸造、压铸、半固态铸造、砂型铸造等铸造形式，并且由于含有合金元素Zn，抗拉强度也十分优良。另外，MgAlZn系镁合金也有用于变形镁合金方向的。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
汽车上的某些部件，如：变速箱箱体、发动机箱盖等，工作温度较高，并且也存在着轻量化的需求。但上述MgAlZn系镁合金由于合金组织中β相以Mg17Al12为主，Mg17Al12熔点较低，不耐高温，上述MgAlZn系镁合金在在200℃高温下的抗拉强度均小于90MPa，因此其生产的部件不适于在高温环境下工作，因而无法满足汽车上述部件的耐高温需求。
因而，本领域急需一种力学性能优良、耐高温、能适用于铸造或轧制变形的镁合金。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种含铌的MgAlZn系耐热镁合金。所述技术方案如下：
一种含铌的MgAlZn系耐热镁合金，所述镁合金由Mg、Al、Zn、Mn、稀土、Nb、Zr及M元素组成，其重量百分组成为Al 1.5-25％、Zn 0.1-3.5％、Mn 0.1-2.2％、稀土0.0002-16％、 Nb 0.0002-4％、Zr 0.001-2％、M元素0.001-2％，其余为Mg；其中，M元素为Ti、Sr、Ca、C、B中的至少一种。
其中，所述稀土为Gd、Y、Sc、Sm、Nd、Yb、Pr、La、Ce、Tb、Dy、Ho及Er中的至少一种。
优选，所述稀土为Gd或Gd与Y、Sc、Sm、Nd、Yb、Pr、La、Ce、Tb、Dy、Ho及Er中的至少一种。
优选，其重量百分组成为Al 1.5-2.5％、Zn 0.3-1％、Mn 0.1-0.6％、Gd 0.1-4％、Nb 0.05-1％、Zr 0.2-0.9％、M元素0.05-0.8％，其余为Mg。
优选，其重量百分组成为Al 4.5-10％、Zn 0.3-1％、Mn 0.1-0.6％、Gd 0.1-2％、Nb 0.05-1％、Zr 0.2-0.9％、M元素0.05-0.3％，其余为Mg。
更优选，其重量百分组成为Al 7-9.7％、Zn 0.35-1％、Mn 0.12-0.6％、Gd 0.1-0.8％、Nb0.05-0.6％、Zr 0.2-0.9％、M元素0.1-0.2％，其余为Mg。
最优选，其重量百分组成为Al 8.5％、Zn 0.5％、Mn 0.3％、稀土0.6％、Nb 0.2％、Zr 2％、M元素0.1％，其余为Mg。
其中，所述Nb通过AlNb中间合金或NbAl中间合金的形式加入所述镁合金。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的镁合金中，由于RE能与Mg形成MgRE化合物，Nb能和其他元素(如Al)形成一些耐高温的金属化合物，这些金属化合物分布在晶界上，替代了部分Mg17Al12β相，改变了β相的结构，从而提高了镁合金的耐高温性能，Zr和M元素共同作用，能强烈细化晶粒和净化合金液，延缓晶粒的长大，在上述元素的联合作用下，得到了一种具有优良力学性能，机械加工性、流动性及压铸性良好，适合铸造尤其适合压铸的耐热镁合金。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供的镁合金的制作工艺、热处理方法说明如下：
1、本发明实施例提供的镁合金可通过以下三种熔炼工艺制作：
工艺一：按照本发明实施例提供的镁合金组成和含量配制合金，在电阻炉中加入镁锭、铝锭、锌锭、MgMn中间合金、AlNb中间合金或NbAl中间合金、AlZr中间合金或MgZr中间合金，另外，AlTi中间合金、MgSr中间合金或AlSr中间合金、MgCa中间合金、石墨粉、AlB 中间合金中的至少一种。给所用电阻炉升温，当加入的上述金属快熔化时采用气体保护或者镁合金覆盖剂保护。升温到720℃-780℃时加入MgRE中间合金(如MgGd、MgY、MgNd等)或AlRE中间合金，并搅拌，在720℃-780℃静置保温30分钟，得合金液。用所得合金液浇一小块样品，检测其熔炼质量，如：按照气体含量检查方法进行气体含量检查，如果质量较差，需进行精炼处理；如果质量合格，将所述合金液调温到700℃-740℃扒渣，然后进行浇注，即得到本发明合金的铸件或准备用于轧制的铸块。
本工艺中电阻炉也可以用其他熔炉代替；保护气体可以是氩气，也可以是SF6，还可以是CO2，或者是它们的混合气体；镁合金覆盖剂和中间合金产品为市场销售产品；精炼处理方法采用本行业的常规方法。
工艺二：按照本发明实施例提供的镁合金组成和含量配制合金，在真空炉中加入铝锭、锌锭、AlMn中间合金、AlNb中间合金或NbAl中间合金、MgZr中间合金，另外，还加入AlTi中间合金、MgSr中间合金或AlSr中间合金、MgCa中间合金、石墨粉、AlB中间合金中的至少一种。升温至820℃，保温2-8小时，然后降温到720℃-780℃，加入镁锭和RE。待所加入的金属熔化后在720℃-780℃保温30分钟，得合金液，采用气体保护或者镁合金覆盖剂保护防止合金液氧化。用所得合金液浇一小块样品，检测其熔炼质量，如：气体含量的检查，如果质量较差，需进行精炼处理；如果质量合格，将所述合金液调温到700℃-740℃扒渣，然后进行浇注，即得到本发明合金的铸件或准备用于轧制的铸块。
本工艺中真空炉可用工频炉等其他熔炉替代；保护气体可以是氩气，也可以是SF6，还可以是CO2，或者是它们的混合气体；镁合金覆盖剂、RE和中间合金为市场上销售产品；精炼处理方法采用本行业的常规方法。
工艺三：照本发明实施例提供的镁合金组成和含量配制合金，在熔炉中加入标准牌号MgAlZn系压铸镁合金、AlNb中间合金或NbAl中间合金，另外，还加入AlTi中间合金、MgSr中间合金或AlSr中间合金、MgCa中间合金、石墨粉、AlB中间合金中的至少一种。上述金属快熔化时采用气体保护或者镁合金覆盖剂保护。升温到720℃-780℃时加入MgRE中间合金(如MgGd、MgY、MgNd等)或AlRE中间合金，并搅拌，在720℃-780℃静置保温30分钟，得合金液。用所得合金液浇一小块样品，检测其熔炼质量，如：按照气体含量检查方法进行气体含量检查，如果质量较差，需进行精炼处理；如果质量合格，将所述合金液调温到700℃-740℃扒渣，然后进行浇注，即得到本发明合金的铸件或准备用于轧制的铸块。
本工艺中镁合金覆盖剂、RE和中间合金为市场上销售产品；精炼处理方法采用本行业的常规方法。
2、本发明实施例提供的镁合金的热处理及其处理方法：
本发明实施例提供的镁合金中的压铸件可不进行热处理，其它形式的铸造件可进行热处理，一般采用T4固溶处理。T4固溶处理工艺为：将铸造件在箱式电阻炉中升温至420℃，保温12小时，铸造件出炉后水淬，水温50℃。
受熔炼过程选用原料的纯度及熔炼、铸造过程中其他一些不可避免的因素的影响，本发明实施例提供的压铸镁合金可能会含有不可避免的杂质，如Fe、Cu、Si、Be等，只要所述杂质对镁合金的性能不造成明显影响，并且杂质总量控制在所述镁合金成品中的重量百分比＜0.5％，单一杂质在所述镁合金成品中的重量百分比＜0.1％以内，存在微量杂质也是允许的。
实施例1
按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用采用金属模铸造，所述镁合金的重量百分组成为Al 1.5％、Zn 0.1％、Mn 0.1％、Y 0.0002％、Nb 0.0002％、Zr 0.001％、B 0.0002％，其余为Mg。
铸件进行热处理。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例2
按上述工艺一所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用采用低压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 25％、Zn 3.5％、Mn 2.2％、Sc 16％、Nb 4％、Zr 2％、Ca 2％，其余为Mg。
铸件进行热处理。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例3
按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，耐热镁合金的重量百分组成为Al 1.5％、Zn 0.3％、Mn 0.1％、Sm 0.1％、Nb 0.05％、Zr 0.2％、Sr 0.05％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例4
按上述工艺一所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 2.5％、Zn 1％、Mn 0.6％、Nd 4％、Nb 1％、Zr 0.9％、Ca 0.8％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例5
按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 4.5％、Zn 0.3％、Mn 0.1％、La 0.1％、Nb 0.05％、Zr 0.2％、C 0.05％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例6
按上述工艺一所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 10％、Zn 1％、Mn 0.6％、Ce 2％、Nb 1％、Zr 0.9％、B 0.3％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例7
按上述工艺三所述步骤制备耐热镁合金，制备过程中使用的所述标准牌号压铸镁合金为YM302，铸件采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 7％、Zn 0.65％、Mn 0.2％、Tb 0.1％、Nb 0.05％、Zr 0.2％、Ti 0.1％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例8
按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 9.7％、Zn 1％、Mn 0.6％、Dy 0.8％、Nb 0.6％、Zr 0.9％、Ti 0.2％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例9
按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 7.5％、Zn 0.4％、Mn 0.2％、Gd 0.3％、Nb 0.2％、Zr 0.4％、Ti 0.15％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例10
按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 7.5％、Zn 0.4％、Mn 0.2％、Gd 0.2％、Ho 0.1％、Nb 0.2％、Zr 0.4％、Ti 0.15％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例11
按上述工艺一所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 7.5％、Zn 0.4％、Mn 0.2％、Ho 0.3％、Nb 0.2％、Zr 0.4％、Ti 0.15％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例12
按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 3％、Zn 0.2％、Mn 1％、Er 0.05％、Nb 0.03％、Zr 0.1％、C 0.03％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例13
按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 15％、Zn 1.5％、Mn 1％、Gd 6％、Nb 2％、Zr 1％、Sr 1.2％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例14
按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Al 9.5％、Zn 0.4％、Mn 0.3％、Gd 0.2％、Nb 0.1％、Zr 0.3％、Ca 0.15％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
实施例15
按上述工艺一所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，所述镁合金重量百分组成为Al 8.5％、Zn 0.5％、Mn 0.4％、Gd 0.6％、Nb 0.2％、Zr 2％、C 0.1％，其余为Mg。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
对比实施例
按上述工艺一所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用高压压铸，所述镁合金重量百分组成为Al 8.5％、Zn 0.5％、Mn 0.3％、Gd 0.6％，其余为Mg和不可避免的杂质。
本实施例提供的镁合金铸件的性能参见表1。
以上各实施例提供的镁合金铸件可以含有微量的杂质，所述不可避免的杂质总量在所述镁合金成品中的重量百分比＜0.5％，单一杂质在所述镁合金成品中的重量百分比＜0.1％。
与AZ91系压铸镁合金一样，本发明提供的镁合金还适用于金属模铸造、半固态铸造、低压铸造、精密铸造、砂型铸造等铸造方式。
本发明各实施例及对比实施例提供的镁合金铸件的力学性能参见表1。
表1各实施例提供的镁合金铸件的力学性能参数表
由表1所示，本发明实施例提供的镁合金铸件在200℃高温下抗拉强度均大于180MPa，远远高于现有MgAlZn系压铸镁合金，具有良好的耐热性能，同时参见实施例15及对比实施例，本发明实施例提供的镁合金铸件与不添加Nb的镁合金铸件相比，具有更好的耐热性能；实施例9、10、14、15在200℃高温下的抗拉强度比其他实施例更佳，实施例9、10、14、15各组分的范围在Al 7-9.7％、Zn 0.35-1％、Mn 0.12-0.6％、Gd 0.1-0.8％、Nb 0.05-0.6％、Zr0.2-0.9％、M元素0.1-0.2％内；通过实施例9-11之间的对比，可知含有的RE有Gd的效果更佳；实施例15提供的镁合金铸件在200℃高温下抗拉强度最高，实施例15提供的镁合金铸件耐热性最强。
轧制本发明合金铸块的方法按常规轧制工艺处理即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种含铌的MgAlZn系耐热压铸镁合金，其特征在于，所述压铸镁合金由Mg、Al、Zn、Mn、稀土、Nb、Zr及M元素组成，其重量百分组成为Al1.5-25%、Zn0.1-3.5%、Mn0.1-2.2%、稀土0.0002-16%、Nb0.0002-4%、Zr0.001-2%、M元素0.0002-2%，其余为Mg；其中，M元素为Ti、Sr、Ca、C、B中的至少一种，所述Nb通过AlNb中间合金或NbAl中间合金的形式熔入所述含铌的MgAlZn系耐热压铸镁合金，所述含铌的MgAlZn系耐热压铸镁合金的晶界中含Nb与Al的耐高温金属化合物。
2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，所述稀土为Gd、Y、Sc、Sm、Nd、Yb、Pr、La、Ce、Tb、Dy、Ho及Er中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的镁合金，其特征在于，所述稀土为Gd或Gd与Y、Sc、Sm、Yb、Pr、Nd、La、Ce、Tb、Dy、Ho及Er中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的镁合金，其特征在于，其重量百分组成为Al1.5-2.5%、Zn0.3-1%、Mn0.1-0.6%、Gd0.1-4%、Nb0.05-1%、Zr0.2-0.9%、M元素0.05-0.8%，其余为Mg。
5.根据权利要求1-3任一项所述的镁合金，其特征在于，其重量百分组成为Al4.5-10%、Zn0.3-1%、Mn0.1-0.6%、Gd0.1-2%、Nb0.05-1%、Zr0.2-0.9%、M元素0.05-0.3%，其余为Mg。
6.根据权利要求1-3任一项所述的镁合金，其特征在于，其重量百分组成为Al7-9.7%、Zn0.35-1%、Mn0.12-0.6%、Gd0.1-0.8%、Nb0.05-0.6%、Zr0.2-0.9%、M元素0.1-0.2%，其余为Mg。
7.根据权利要求1-3任一项所述的镁合金，其特征在于，其重量百分组成为Al8.5%、Zn0.5%、Mn0.3%、稀土0.6%、Nb0.2%、Zr2%、M元素0.1%，其余为Mg。
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