CN102994835A

CN102994835A - 一种耐热镁合金

Info

Publication number: CN102994835A
Application number: CN2011102670432A
Authority: CN
Inventors: 冯俊
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Bian Dongxue; Dong Na; Gu Chunxiang; Liu Gang; Su Baosong; Su Xiaodie; Sun Junya; Wang Liyuan; Zhao Lina
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: CN102994835B

Abstract

本发明公开了一种耐热镁合金，属于镁合金领域。所述镁合金由Mg、Zn、Zr、稀土、Nb、Al及M元素组成，其重量百分组成为Zn 0.2％-9％、Zr 0.1％-2％、稀土0.0002％-16％、Nb 0.0002％-4％、Al 0.001％-1.49％、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。本发明通过在镁合金中添加稀土及Nb元素，改变了β相的结构；另外Zr与M元素共同作用能够强烈细化晶粒，还能与合金液中的某些杂质元素(如：Si)反应并沉淀，净化了合金液。上述元素的联合作用，提高了镁合金的耐高温性能，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。

Description

一种耐热镁合金

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的高性能耐热镁合金。

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，国产铸造镁合金牌号有ZM2、ZM3、ZM4、ZM6等。这些牌号的合金具有：力学性能、铸造性能都良好的特点，同时，由于ZM系镁合金β相中含有一定量的较高熔点的MgZr化合物或MgZr化合物与MgRE化合物的兼有，使这种镁合金具有一定的耐高温性能。如常温下，ZM3在铸态或热处理状态下，其抗拉强度R_m为120MPa，伸长率A为1.5％，200℃下，其抗拉强度R_m为110MPa，伸长率A为2％；又如ZM4，在常温下，其抗拉强度R_m为140MPa，伸长率A为2％，200℃下，其抗拉强度R_m为110MPa，伸长率A为2.5％。

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：随着科技发展，镁合金的应用领域越来越广泛，现有镁合金已无法满足在200℃以上高温环境下作业的要求，因而，急需一种耐高温性更加优良的镁合金。

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具有着良好压铸性的耐热镁合金。所述技术方案如下：

一种耐热镁合金，所述镁合金由Mg、Zn、Zr、稀土、Nb、Al及M元素组成，其重量百分组成为Zn 0.2％-9％、Zr 0.1％-2％、稀土0.0002％-16％、Nb 0.0002％-4％、Al 0.001％-1.49％、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、Pr、Yb、Nd、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、Pr、Yb、Nd、La、Ce、Tb、Dy、Ho及Er中的至少一种。

优选，其重量百分组成为Zn 0.2％-0.7％、Zr 0.4％-1％、Gd 0.1％-4％、Nb 0.05％-1％、Al0.03％-0.6％、M元素0.001-2％，其余为Mg。

优选，其重量百分组成为Zn 3.5％-5.5％、Zr 0.4％-1％、Gd 0.1％-4％、Nb 0.05％-1％、Al0.03％-0.6％、M元素0.05-0.9％，其余为Mg。

优选，其重量百分组成为Zn 7.5％-9％、Zr 0.5％-1％、Gd 0.1％-2.5％、Nb 0.05％-1％、Al0.04％-0.6％、M元素0.05-0.9％，其余为Mg。

最优选，其重量百分组成为Zn 0.6％、Zr 0.8％、Gd 2.2％、Nb 0.2％、Al 0.1％、M元素0.1％，其余为Mg。

其中，所述Nb和Al通过NbAl中间合金或AlNb中间合金的形式加入所述镁合金中。

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，改变了β相的结构；另外Zr与M元素共同作用能够强烈细化晶粒，延缓晶粒的长大，还能与合金液中的某些杂质元素(如：Si)反应并沉淀，净化了合金液。上述元素的联合作用，提高了镁合金的耐高温性能，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计算并准备好所需量的原材料，在电阻炉中加入镁锭、锌锭、MgZr中间合金、NbAl中间合金或AlNb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。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)，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。

本工艺中电阻炉也可以用其他熔炉代替；保护气体为氩气；镁合金覆盖剂和中间合金产品为市场销售产品，配制低铝含量合金时，NbAl中间合金可选取Al含量比Nb含量低的产品，如：NbAl 80和NbAl 75，它们的Al含量分别为15％-20％、20％-25％；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计算并准备好所需量的原材料，在真空炉中加入镁锭、锌锭、MgZr中间合金、NbAl中间合金或AlNb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。

本工艺中真空炉可用工频炉等其他熔炉替代；保护气体为氩气；镁合金覆盖剂、稀土及中间合金为市场上销售产品，配制低铝含量合金时，NbAl中间合金可选取Al含量比Nb含量低的产品，如：NbAl 80和NbAl 75，它们的Al含量分别为15％-20％、20％-25％；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计算并准备好所需量的原材料，在熔炉中加入标准牌号的铸造镁合金(如ZM2、ZM3、ZM4、ZM6中的至少一种)、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)，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。

本工艺中保护气体为氩气；镁合金覆盖剂、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不进行热处理，其它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430℃，保温12小时，铸造件出炉后水淬，水温60℃。

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镁合金铸件会含有不可避免的杂质，如Zn、Si、Cu、Be等，只要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％，就不会对镁合金的性能造成明显影响。

实施例1

按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用金属模铸造，所述镁合金的重量百分组成为Zn 0.2％、Zr 0.1％、Y 0.0002％、Nb 0.0002％、Al 0.001％、Sr 0.001％，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，铸件采用半固态铸造，所述镁合金的重量百分组成为Zn 1％、Zr 1.5％、Sc 10％、Nb 2％、Al 1.2％、Ti 0.15％，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Zn 9％、Zr 2％、Sm 16％、Nb 4％、Al 1.49％、Ca 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4

按上述工艺一所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用低压铸造，所述镁合金的重量百分组成为Zn 0.2％、Zr 0.4％、Nd 0.1％、Nb 0.05％、Al 0.03％、C 0.05％，其余为Mg。

实施例5

按上述工艺二所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用精密铸造，所述镁合金的重量百分组成为Zn 0.7％、Zr 1％、La 4％、Nb 1％、Al 0.6％、B 0.09％，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6

按上述工艺一所述步骤制备耐热镁合金，铸件采用砂型铸造，所述镁合金的重量百分组成为Zn 0.6％、Zr 0.9％、Gd 1.5％、Nb 0.4％、Al 0.3％、Ca 0.5％，其余为Mg。

实施例7

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Zn 0.6％、Zr 0.9％、Gd 1％、Ce 0.5％、Nb 0.4％、Al 0.3％、Ca 0.5％，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Zn 0.6％、Zr 0.9％、Ce 1.5％、Nb 0.4％、Al 0.3％、Ca 0.5％，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

按上述工艺三所述步骤制备耐热镁合金，制备过程中所用的所述标准牌号压铸镁合金为ZM2，铸件采用高压压铸，所述镁合金的重量百分组成为Zn 3.5％、Zr 0.6％、(Ce+La)0.8％0.1％、Nb 0.05％、Al 0.03％、Ti 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Zn 5.5％、Zr 1％、Dy 4％、Nb 1％、Al 0.6％、Ti 0.9％，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Zn 4％、Zr 0.7％、Ho 3％、Nb 0.6％、Al 0.2％、Sr 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Zn 4％、Zr 0.7％、Gd 3％、Nb 0.6％、Al 0.2％、Sr 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Zn 7.5％、Zr 0.5％、Er 0.1％、Nb 0.05％、Al 0.04％、Ca 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Zn 9％、Zr 1％、Gd 2.5％、Nb 1％、Al 0.6％、C 0.9％，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Zn 8.5％、Zr 0.7％、Gd 2％、Nb 0.4％、Al 0.5％、B 0.4％，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16

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Zn 0.6％、Zr 0.8％、Gd 2.2％、Nb 0.2％、Al 0.1％、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。

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Zn 0.6％、Zr 0.8％、Gd 2.2％、Al 0.1％、Ti 0.1％，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均含有不可避免的杂质，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(如Fe、Ni、Cu等)在所述镁合金成品中的重量百分比≤0.1％。

本发明提供的镁合金适用于金属模铸造、高压压铸、半固态铸造、低压铸造、精密铸造、砂型铸造等铸造方式。

铸件的力学性能测试在电子万能试验机上进行。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230MPa，同时参见实施例16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；通过实施例6-8及实施例11、12之间的对比，可知含有的RE中有Gd的效果更佳；实施例16提供的镁合金铸件在200℃高温下抗拉强度最高，实施例16提供的镁合金铸件耐热性最强。

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

1.一种耐热镁合金，其特征在于，所述镁合金由Mg、Zn、Zr、稀土、Nb、Al及M元素组成，其重量百分组成为Zn 0.2％-9％、Zr 0.1％-2％、稀土0.0002％-16％、Nb 0.0002％-4％、Al0.001％-1.49％、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。

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、Pr、Yb、Nd、La、Ce、Tb、Dy、Ho及Er中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的镁合金，其特征在于，所述稀土为Gd或Gd与Y、Sc、Sm、Pr、Yb、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Zn 0.2％-0.7％、Zr 0.4％-1％、Gd 0.1％-4％、Nb 0.05％-1％、Al 0.03％-0.6％、M元素0.001-2％，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Zn 3.5％-5.5％、Zr 0.4％-1％、Gd 0.1％-4％、Nb 0.05％-1％、Al 0.03％-0.6％、M元素0.05-0.9％，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Zn 7.5％-9％、Zr 0.5％-1％、Gd 0.1％-2.5％、Nb 0.05％-1％、Al 0.04％-0.6％、M元素0.05-0.9％，其余为Mg。

7.根据权利要求4所述的镁合金，其特征在于，其重量百分组成为Zn 0.6％、Zr 0.8％、Gd 2.2％、Nb 0.2％、Al 0.1％、M元素0.1％，其余为Mg。

8.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，所述Nb和Al通过NbAl中间合金或AlNb中间合金的形式加入所述镁合金中。