CN103045922B

CN103045922B - 一种耐热铸造镁合金

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Publication number: CN103045922B
Application number: CN201310015394.3A
Authority: CN
Inventors: 李坊平; 张付伟; 周坤; 曾芹; 郭顺
Original assignee: Anhui Jianghuai Automobile Group Corp
Current assignee: Anhui Jianghuai Automobile Group Corp
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: CN103045922A

Abstract

本发明公开了一种耐热铸造镁合金，其包括以下重量百分比的成分：2.5%~5.5%的Al；0.5%~2.0%的Si；0.1%~0.6%的Mn；0.5%~2.0%的Ca；0.5%~4.0%的Yb；限制杂质元素不大于0.03%；余量为Mg。Ca也是本发明中用于提高β-Mg₁₇Al₁₂相热稳定性并细化α-Mg晶粒的重要元素。本发明的镁合金，在室温下抗拉强度大于250MPa，伸长率大于4%。在200℃高温下，抗拉强度达175MPa，伸长率达12%。本发明的镁合金力学性能明显好于AS41合金，更适合用于汽车变速箱和进气歧管等镁合金零部件生产。

Description

一种耐热铸造镁合金

技术领域

本发明属于轻合金制备技术领域，涉及一种镁合金材料。

背景技术

镁合金具有高比强度、比刚度，良好的阻尼减震性、易切屑加工性和可回收性等特点，在汽车工业、电子工业及航空航天等领域具有广阔的应用前景，被誉为21世纪最轻的绿色结构材料。然而镁合金的高温性能差、蠕变强度低等限制了镁合金的应用，例如要求工作在较高温度，防止油的渗漏并具有优良的抗高温蠕变性能的发动机引擎盖和汽车变速箱等零部件都要求镁合金的耐热性能好。目前，常用的压铸镁合金主要为Mg-Al-Zn系（如AZ91）和Mg-Al-Mn系（如AM60）镁合金。上述两类合金在室温下具有优良的综合力学性能，然而在120℃~150℃时，合金中的主要强化相β-Mg₁₇Al₁₂开始软化，不能有效钉扎晶界，阻碍位错滑移，导致合金高温强度低，抗蠕变性能差，其零件不适合在120℃以上工作。为此，德国大众汽车公司开发了一种用于汽车工业的Mg-Al-Si（AS）系铸造镁合金，由于Al的质量百分比含量较少和Si的加入，减少了β-Mg₁₇Al₁₂相的体积分数，并形成了熔点和硬度都很高的Mg₂Si相，提高了合金的高温强度。175℃时，AS41合金的抗拉强度达115MPa，伸长率为21%，要明显高于AZ91和AM60合金。但是，AS41合金熔体在较缓慢的冷却过程中，极易形成粗大的汉字状Mg₂Si相，从而降低了合金的力学性能。因此，细化合金中的强化相，提高其热稳定性是改善镁合金耐热性能的重要手段。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是针对上述AS41铸造镁合金现有技术存在的不足，提供一种复合添加Ca和稀土Yb的新型耐热铸造镁合金。通过在AS41镁合金基础上，复合添加合金元素Ca和稀土Yb，提高β-Mg₁₇Al₁₂强化相的热稳定性，细化粗大的汉字状Mg₂Si相，从而显著提高合金的高温力学性能，以进一步拓宽镁合金的应用领域。

本发明的技术方案如下：

一种耐热铸造镁合金，其由以下重量百分比的成分组成：

2.5%~5.5%的Al；

0.5%~2.0%的Si；

0.1%~0.6%的Mn；

0.5%~2.0%的Ca；

0.5%~4.0%的Yb；

限制杂质元素不大于0.03%；

余量为Mg。

其中，杂质元素中，Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%。

优选的，所述耐热铸造镁合金由以下重量百分比的成分组成：5.3%的Al，

1.2%的Si，

0.3%的Mn，

1.0%的Ca，

2.2%的Yb，

限制杂质元素：Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%，

其余为Mg。

进一步地，本发明提供了一种制备耐热铸造镁合金的方法，其包括以下步骤：

（1）按比例准备各合金组分Al、Si、Mn、Ca、稀土Yb和Mg；

（2）将各组分合金在700~740℃熔炼，保温15~30min，得耐热铸造镁合金。

其中，步骤（2）的具体步骤为：将计量好的纯Mg锭、纯Al锭和Al-40Si-10Mn中间合金锭（质量百分数）加热至700~740℃熔化，然后加入Mg-15Ca（质量百分数）和Mg-30Yb（质量百分数）合金材料，全部溶化后搅拌5~8min，静置保温15~30min后出炉并除渣。

优选的，上述方法还包括步骤（3）待温度冷却至680℃时，浇注金属型试样。

优选的，所述整个制备方法中用混合有体积分数为0.2％SF₆的CO₂气体进行保护。

更进一步地，本发明提供了一种生产铸造制品的方法，包括砂型铸造、熔模铸造、永久性铸造或高压膜铸镁合金的步骤，所述镁合金由以下重量百分比的成分组成：2.5%~5.5%的Al；

0.5%~2.0%的Si；

0.1%~0.6%的Mn；

0.5%~2.0%的Ca；

0.5%~4.0%的Yb；

限制杂质元素不大于0.03%；

余量为Mg。

更进一步地，本发明提供了一种挤压或铸造制品，其由上述的镁合金制成。优选的，所述挤压或铸造制品为汽车发动机或汽车动力传动系统的组件，如汽车变速箱或进气歧管等。

本发明制备的含Ca和稀土Yb的耐热铸造镁合金具有如下特点：

（1）选择了重稀土元素Yb作为合金化元素。重稀土元素对镁合金室温和高温力学性能的影响较轻稀土元素更为显著，并可以最大限度的减少由于合金化产生的夹杂，净化镁合金熔体。Yb是重稀土元素，可以提高合金中强化相（β-Mg₁₇Al₁₂）的热稳定性，并使呈粗大的汉字状Mg₂Si相细化和球化，从而显著提高镁合金的室温和高温力学性能。

（2）选用合金元素Ca。加入少量的Ca可以有效防止镁合金熔炼过程中氧化，细化镁合金组织，消除合金的热裂现象。Ca也是本发明中用于提高β-Mg₁₇Al₁₂相热稳定性并细化α-Mg晶粒的重要元素。

（3）添加了少量的Mn。起到“微合金化”的作用，少量的Mn固溶在α-Mg基体中，并细化晶粒，同时降低熔体中杂质元素Fe的含量，改善耐蚀性。

本发明的镁合金，在室温下抗拉强度大于250MPa，伸长率大于4%。在200℃高温下，抗拉强度达175MPa，伸长率达12%。本发明的镁合金力学性能明显好于AS41合金，更适合用于汽车变速箱和进气歧管等镁合金零部件生产。

附图说明

图1是实施例1与AS41合金的抗拉强度值随温度的变化关系图；

图2是实施例1与AS41合金的屈服强度值随温度的变化关系图；

图3是实施例1与AS41合金的伸长率随温度的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图及其具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护方位并不局限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。

实施例1：

本发明的成分（重量百分比）为：5.3%Al，1.2%Si，0.3%Mn，1.0%Ca，2.2%Yb，限制杂质元素：Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%，其余为Mg。

对比例1中：设计AS41合金成分（重量百分比）为5.1%Al，1.3%Si，0.3%Mn，其余为Mg。

具体步骤：

试验材料为工业纯Mg锭(由山西闻喜银光镁业集团公司提供，纯度≥99.8%)、工业纯Al锭（由上海余航铝业公司提供、纯度≥99.7%）、Al-40Si-10Mn中间合金（由唐山科源有色合金铸造公司提供，其中的数值为质量百分数）、Mg-15Ca中间合金（由岳阳宇航新材料公司提供，其中的数值为质量百分数））和Mg-30Yb中间合金（由岳阳昱华冶金新材料公司提供）。其总的质量比按照上述成分配比。首先在井式坩埚电阻炉中进行熔炼，将工业纯Mg锭、纯Al锭和Al-40Si-10Mn中间合金加热至720℃熔化，然后加入Mg-15Ca和Mg-30Yb中间合金，全部溶化后搅拌5~8min，静置保温30min后出炉并除渣。待温度冷却至680℃时，浇注金属型试样。整个熔炼和浇注过程中用CO₂+0.2％SF₆(体积分数)混合气体进行保护（注：AS41合金按计量称取样品后，采用相同的熔炼和浇注工艺）。如图1、2、3所示，本发明的室温抗拉强度大于250MPa，屈服强度达180MPa，伸长率大于4%。在200℃高温下，抗拉强度达175MPa，屈服强度达125MPa，伸长率达12%，说明本发明的室温和高温力学性能均要明显高于对比例1合金。

实施例2：

本发明的成分（重量百分比）为：5.0%Al，1.30%Si，0.35%Mn，0.5%Ca，4.0%Yb，限制杂质元素：Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%，其余为Mg。

对比例2中：设计AS41合金成分（重量百分比）为:4.80%Al，1.20%Si，0.30%Mn，其余为Mg。

具体步骤：同实施例1。

样品拉伸试验结果表明：本发明的室温抗拉强度、屈服强度及伸长率数值分别为220MPa、145MPa和4.0%，其强度指标要明显低于实施例1。由于在本实施例中，稀土Yb的添加量远超过了其在镁基体中的固溶度，部分Yb元素以网状Mg₂Yb化合物相的形式存在于晶界处，割裂了α-Mg基体组织，导致力学性能下降。对比例2的室温抗拉强度、屈服强度及伸长率分别为125MPa、112MPa和3.3%，其力学性能指标与对比例1相当，如图1、2、3所示。在高温下，本发明的力学性能仍显著高于其对比例合金。

实施例3：

本发明的成分（重量百分比）为：4.50%Al，1.20%Si，0.30%Mn，2.0%Ca，1.0%Yb，限制杂质元素：Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%，其余为Mg。

对比例3中：设计AS41合金成分（重量百分比）为:4.50%Al，1.20%Si，0.30%Mn，其余为Mg。

具体步骤：同实施例1。

样品拉伸试验结果表明：本发明的室温抗拉强度、屈服强度及伸长率数值分别为235MPa、162MPa和4.6%。同样，其强度指标也要稍低于实施例1。说明重稀土元素Yb对镁合金的室温和高温力学性能的影响较Ca元素更为显著。对比例2的室温抗拉强度、屈服强度及伸长率分别为127MPa、110MPa和3.6%。此外，两种合金在高温下的力学性能变化趋势与实施例1基本一致，在200℃时，本发明的抗拉强度、屈服强度及伸长率分别可达162MPa、120MPa和15%，而对比例3合金相应的性能指标分别为102MPa、75MPa和9.5%。

由此可见，复合添加Ca和稀土Yb可以显著提高AS41合金的室温和高温力学性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种制备耐热铸造镁合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按重量百分比4.50％Al，1.20％Si，0.30％Mn，2.0％Ca，1.0％Yb，Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，余量为Mg，称取纯Mg锭、纯Al锭、Al-40Si-10Mn、Mg-15Ca和Mg-30Yb；

(2)将计量好的纯Mg锭、纯Al锭和Al-40Si-10Mn中间合金锭加热至720℃熔化，然后加入Mg-15Ca和Mg-30Yb合金材料，全部溶化后搅拌5～8min，静置保温30min后出炉并除渣，得耐热铸造镁合金；

(3)待温度冷却至680℃时进行浇注。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述整个制备方法中用混合有体积分数为0.2％SF₆的CO₂气体进行保护。