CN103194653B - 含钙、锑的镁-铝-锌铸造镁合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含钙和锑的铸造镁合金，该铸造镁合金的各组分的元素的质量百分含量为：Al含量为7.5～8.2%；Ca含量为1.96～2.03%；Zn含量为0.91～0.95%；Mn含量为0.29%；Sb含量为0.12～0.99%；不可避免的杂质含量≤0.15%；剩余为Mg。采用本发明方法在提高合金抗拉强度的同时，还提高了其延伸率。本发明所述的制备方法简单，设备成本较低且容易实施。

Description

含钙、锑的镁-铝-锌铸造镁合金及制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种含钙和锑的镁-铝-锌铸造镁合金及制备方法。

背景技术

镁合金是目前实际应用的最轻质金属工程结构材料，纯镁的密度约为1.74g/cm³，其密约为钢铁的1/4，Zn合金的1/3，铝合金的2/3；镁合金具有较高的比强度和比刚度，优良的机械切削性能，减震和阻尼性能好，易回收等特点满足了现代汽车工业对减重和环保的迫切要求，因而镁合金汽车零部件的研究也得到了各国重视。

在镁合金中，Mg-Al-Zn系合金（如AZ91）是目前工业中应用非常广泛的合金系列。由于AZ系镁合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀性等综合性能，成本低，也是最常用的合金系。但是AZ系列铸造镁合金存在着组织分布不致密、成分偏析严重，最小厚度偏大、力学性能偏低等缺陷，尤其是其的强化相Mg₁₇Al₁₂，在凝固过程中，Mg₁₇Al₁₂相以离异共晶的形式呈网状沿晶界析出且组织比较粗大，使得铸态AZ系镁合金的塑性和强度下降；在使用温度超过120℃时，沿晶界呈网状分布的Mg₁₇Al₁₂相很容易软化和粗大化，相关研究表明，当使用温度达到200℃时，Mg₁₇Al₁₂相的硬度减少到50%～60%，因此Mg-Al-Zn系合金的高温综合性能比较差。

合金化是提高合金性能的有效手段，提高AZ系镁合金高温性能添加的主要合金元素可分为：①Ca、Sr等碱土金属；②稀土元素RE；③第Ⅳ、Ⅴ族元素，如Si、Sn、Sb、Bi等。Ca由于其资源丰富价格低廉及低密度等优点广泛添加到镁合金何总提高合金的抗氧化性能及机械性能等，Ca在AZ系镁合金中有着姣好的细化晶粒的作用，且与合金中Al形成的Al-Ca相能够抑制Mg₁₇Al₁₂相的形成儿提高合金的机械性能，但Ca的大量添加使得镁合金的力学性能下降并且抗热裂性能显著下降。Ca元素在AZ系镁合金中具有细化晶粒的作用，但添加量超过1%是就会形成粗大的Al-Ca相而割裂基体，影响合金的力学性能且是的合金的热裂趋势加大。

Sb元素虽然可以改善合金的铸造性能以及提高合金的抗热裂性能，提高镁合金的常温力学性能，然而随着Sb含量的增加，合金会出现长针状的Mg₃Sb₂相，割裂基体而降低力学性能，同时在镁合金中出现的Mg₃Sb₂，高温并不能有效的抑制Mg₁₇Al₁₂相的析出，因此不能有效的提高镁合金的性能，通常本领域不采用在合金中添加Sb元素的方法提高镁合金的常温力学性能，因此，目前没有关于Ca、Sb复合添加到AZ91镁合金中以提高合金性能的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种添加钙和锑的镁-铝-锌镁合金及改善其性能的制备方法，采用本发明方法在提高合金抗拉强度的同时，还提高了其延伸率。本发明所述的制备方法简单，设备成本较低且容易实施。

本发明的技术方案是：含钙、锑的镁-铝-锌系镁合金，该合金各组份的质量百分含量为

Al含量为7.5～8.2%；

Ca含量为1.96～2.03%；

Zn含量为0.91～0.95%；

Mn含量为0.29%；

Sb含量为0.12～0.99%；

不可避免的杂质含量≤0.15%；

剩余未Mg。

所述镁合金较好的技术方案是，各组份的质量百分比为：

Al含量为9%；

Zn含量为1%；

Mn含量为0.3%；

Ca含量为2%；

Sb含量为0.1～1.0%；

不可避免的杂质≤0.15%；

余量为Mg。

不可避免的杂质为Fe，Si，其各组分的质量百分比为：Fe＜0.019%，Si＜0.1%。

上述镁合金的制备方法有一下步骤：

1).按上述取各组份原料，放入电磁感应炉中熔炼，在没有任何保护的情况下进行；

2).合金全部熔化后，保温3min；

3).取出盛有合金溶液的钢坩埚，放入盐水中快速冷却约1分钟，得到含钙、锑的镁-铝-锌铸造镁合金锭子；

Sb能够在熔炼时提高合金溶液的流动性以提高镁合金的铸造性能，固溶到Mg₁₇Al₁₂相中，改善Mg₁₇Al₁₂相在基体合金中的分布并且细化第二相，生成Mg₃Sb₂相，能够做为异质形核剂，细化晶粒并提高合金的室温及高温机械性能。本发明中Sb元素主要有两种形式存在，一种是以Sb单质形式固溶于Mg₁₇Al₁₂相中，以及同Ca形成Ca-Sb金属间化合物并且附着在Al-Ca相表面以及在Al-Ca相周围富集，Sb的添加使得合金中的Mg₁₇Al₁₂和Al-Ca相都变得细小弥散，且比较均匀的分布于合金的晶界处。添加的元素对合金性能改善的机制：一、细晶强化，二、第二相强化。当晶粒越小时，已滑移小晶粒晶界附近的位错塞积造成的应力集中较小，则需要在较大的外加应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形；Ca-Sb相的出现显著的细化了处于晶界上的Al-Ca相，并使之分布更加的弥散且分布不再连续，降低Al-Ca相对基体的割裂作用，弥散分布的第二相例子与位错的交互作用，阻碍了位错的运动，能够提高合金的塑性变形抗力。因此通过复合添加Sb、Ca元素有效的改善了合金的塑性并提高了合金的强度。

本发明的制备方法具有以下优点：

①操作极其简单方便且耗时很短；

②本发明的盐浴冷却相比传统的重力铸造方法得到的合金的组织更加的细密；

③电磁搅拌以及冷却凝固时间很短，能够非常有效的解决成分偏析；

④该方法不需另外的铸模，降低了制造成本，且熔炼时间很短，有效的降低了合金元素的烧损。

本发明所述的镁合金材料制备时使用的原材料为：

高纯镁锭，其纯度＞99.9％（质量分数，下同）；

纯铝锭，其纯度＞99.9％；

纯锌，其纯度为＞99.9％；

纯锑锭，其纯度＞99.9％；

Mg-30Ca中间合金，其中钙含量为30%；

Mg-5Mn中间合金，其中锰含量为5%。

附图说明

图1为铸态AZ91镁合金的XRD图谱；

图2为铸态A00镁合金（AZ91-2Ca合金）的XRD图谱；

图3为铸态A04镁合金（AZ91-2Ca-0.4Sb合金）的XRD图谱；

图4为铸态AZ91及AZ91-2Ca-XSb合金的金相图，图a-f分别对应AZ91、A00（AZ91-2Ca）、A01（AZ91-2Ca-0.1Sb）、A04（AZ91-2Ca-0.4Sb）、A07（AZ91-2Ca-0.7Sb）、A10（AZ91-2Ca-1Sb）镁合金；

图5为铸态AZ91及A0X镁合金常温力学性能图。

具体实施方式

实施例1-6

	Al	Ca	Zn	Mn	Sb	Mg
							实施例1	9	0	1	0.3	0	89.7
实施例2	9	2	1	0.3	0	87.7
							实施例3	9	2	1	0.3	0.1	87.6

实施例4	9	2	1	0.3	0.4	87.3
							实施例5	9	2	1	0.3	0.7	87
实施例6	9	2	1	0.3	1	86.7

按照实例1-6中的成分，选择本发明所需要的原材料，制备合金前的准备工作包括：打磨原材料的表面之至去除表明的氧化物及其它杂质，然后将原材料按实例的比例配料并将之分别装入钢坩埚中。原材料准备好后，将钢坩埚放入电磁搅拌炉中，在待坩埚中的材料完全熔化后再保温3min，然后将钢坩埚放入盐水中快冷成型得到合金锭子。

本发明中以这种工艺制备了6种成分不同的合金，即AZ91、AZ91-2Ca-XSb（X=0,0.1,0.4,0.7,1）镁合金。

采用蔡司Axiovert40MAT金相显微镜对制得的合金材料进行显微组织观察及采用新三思CMT-5105微机控制电子万能试验机进行拉伸试验测试合金的力学性能。

图1-3所示的是AZ91、A00（AZ91-2Ca）及A04（AZ91-2Ca-0.4Sb）镁合金，对比图1和图2可以发现，在AZ91镁合金中添加量2%的Ca元素后，在A00合金中出现了Al₄Ca新相并产生了新的衍射峰，同时也有效的抑制了Mg₁₇Al₁₂相的析出；对比图2和图3发现，两个图中的衍射峰整体上并没有太大的改变，只是出现了一些较小的新的衍射峰，新的衍射峰对应的是产生的新相Sb，同时也生成了另一个新相Ca₂Sb相，并且Sb、Ca元素的复合添加相对于单独添加Ca元素，进一步的抑制了Mg₁₇Al₁₂相的析出。

图4所示的是铸造合金的金相图，图a-f分别对应AZ91、A00（AZ91-2Ca）、A01（AZ91-2Ca-0.1Sb）、A04（AZ91-2Ca-0.4Sb）、A07（AZ91-2Ca-0.7Sb）、A10（AZ91-2Ca-1Sb）镁合金。从金相图上可以看出，AZ91镁合金的铸态组织是由集体组织、粗大的半连续的Mg₁₇Al₁₂相及离异共晶组织，添加Ca元素后，发现晶粒有明显的细化但出现枝晶，添加Sb元素后，组织再次明显的细化，且在Sb含量为0.4%的时候，可以发现枝晶非常的细密，当Sb继续含量增加后，枝晶再次粗化。

图5为铸态AZ91及A0X镁合金的常温力学性能图，表1为其常温力学性能数据。从图5及表1可知，随着Sb含量的增加，常温的抗拉强度呈现出了先增加，到Sb含量为0.4%是达到峰值，之后随着Sb含量的增加而降低；合金的延伸率也呈现出与抗拉强度一样的规律，在Sb含量为0.4%是达到峰值，然后再随着Sb含量的增加而降低。

表1

Claims (2)

1.一种含钙和锑的铸造镁合金，其特征在于，该铸造镁合金的各组分的元素的质量百分含量为：

Al含量为9%；

Zn含量为1%；

Mn含量为0.3%；

Ca含量为2%；

Sb含量为0.4%；

不可避免的杂质≤0.15%；

余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的含钙和锑的镁-铝-锌铸造镁合金，其特征在于：不可避免的杂质为Fe，Si，其各组分的质量百分比为：Fe＜0.019%，Si＜0.1%。