CN103215482B - 一种中强韧高成形性耐热镁合金 - Google Patents

一种中强韧高成形性耐热镁合金 Download PDF

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Abstract

一种中强韧高成形性耐热镁合金。其特征是由以下组分和重量百分比组成：Al3.0~7.0%，Sm0.5~3.0%和Bi0.3~0.75%，余量为Mg。本发明的镁合金铸态室温抗拉强度和延伸率分别为220MPa和12.5%，150℃时的抗拉强度和延伸率分别为162MPa和14.5%，相同条件下对比AZ61合金，室温抗拉强度和延伸率分别提高7.3%和127%，150℃时的抗拉强度和延伸率分别提高15.7%和123%；铸态流动性较AZ91D合金提高36.6%。压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为285MPa和16.5%，压铸态流动性略低于AZ91D合金。它是一种具有中等强韧性和优良成形性能，尤其是高温性能较优异的耐热镁合金，适用于轨道交通、汽车、运动器械、3C等行业。

Description

一种中强韧高成形性耐热镁合金
技术领域
本发明涉及一种镁合金，特别涉及一种中强韧高成形性耐热镁合金。
背景技术
镁合金具有密度轻、比强度和比刚度高、易回收等优点，在汽车、通讯电子、航空航天等领域具有广泛的应用前景。但镁合金的高温力学性能较差。当温度升高时，其强度和抗蠕变性能往往大幅下降，因此难以作为高温长时间使用的零部件。
目前，国内外有关耐热和高成形性镁合金的研究主要集中在Mg-Al系合金，占压铸镁合金总量的90%以上。但该系合金组织中的主要强化相b-Mg17Al12熔点仅为437℃，热稳定性较差，在高于120℃时开始发生软化和粗化，不能有效钉扎晶界及抑制高温晶界区滑动，导致合金高温强度低和抗蠕变性能差，其零件不适合在高于120℃的环境中工作。研究表明，在Mg-Al系合金中添加稀土RE，添加的RE元素优先与Al相结合生成高热稳定性的Al-RE相，有效抑制低熔点b-Mg17Al12相的析出，同时能细化组织，因此RE的添加能有效改善Mg-Al合金组织、成形性和提高高温性能及抗蠕变性能，从而开发出新型Mg-Al-RE系高成形性耐热镁合金，扩大镁合金的应用范围。
CN200810057360.X名称为“一种含Nd耐热镁合金及其制备方法”的发明专利公开了通过在Mg-Al合金中添加高稀土Nd含量（5.5~6.5%），析出高热稳定性的Al2Nd强化相（熔点为1500℃），完全消耗过饱和的固溶Al，减少蠕变过程中析出的b-Mg17Al12相，从而提高其高温力学性能和抗蠕变性能。该发明的Mg-(5.5~6.5)Al-(3.5~6.5)Nd合金在175℃时的抗拉强
度和延伸率分别为149~157MPa和24~28%，在150℃、70MPa和100h条件下的总蠕变量为1.9~2.4%。
CN200810042784.9名称为“含Ca和重稀土Gd的压铸耐热镁合金及其制备方法”的发明专利公开了通过在Mg-Al合金中复合添加稀土Gd和碱土金属Ca，同时析出高热稳定性的Al2Gd和Al2Ca强化相（熔点分别为1523℃和1079℃），有效抑制b-Mg17Al12相的析出，从而提高其高温力学性能。该发明的Mg-(3~8)Al-(0.1~3.0)Gd-(0.1~3.0)Ca-(0~0.5)Mn合金的压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为225~247MPa和5.1~6.3%，在200℃时的抗拉强度和延伸率分别为183~205MPa和9.5~11.6%，在150℃、70MPa和100h条件下的总蠕变量为0.02~0.04%，在200℃、70MPa和100h条件下的总蠕变量为0.09~0.20%。
上述两专利分别通过单独添加Nd或复合添加Gd和Ca来提高Mg-Al系合金的高温力学性能，但添加的Nd价格较贵，Ca的添加将导致热裂倾向变严重，同时合金的成形性仍有待提高。具有中等强韧性和优良成形性能的耐热镁合金将有助于拓宽镁合金的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于克服Mg-Al合金的耐热性能和成形性能不足，提供一种中强韧高成形性耐热镁合金。
本发明所述耐热镁合金的组分及其重量百分比为：Al3.0~7.0%，Sm0.5~3.0%和Bi0.3~0.75%，余量为Mg。
本发明所述最佳的耐热镁合金的组分及其重量百分比为：Al6.0%，Sm1.0%和Bi0.3%，余量为Mg。
Al是耐热镁合金中最主要的合金元素，在Mg中的最大固溶度达12.7%。当Al含量＜10%时，随着Al含量的增加，合金的抗拉强度逐渐提高，而延伸率先提高后下降。研究表明，含有5~6%Al的Mg-Al系合金具有最佳的强度和塑性组合。b-Mg17Al12相在高温下易发生软化和粗化，不能有效钉扎晶界，高温力学性能和抗蠕变性能较差，而b-Mg17Al12相随着
Al含量的增加而增多，所以Al含量选择为3.0~7.0%。
Sm属于轻稀土元素，价格较Nd便宜，是耐热镁合金中常用的合金元素之一，在Mg中的最大固溶度达5.88%。加入Mg-Al合金中生成高热稳定性的Al2Sm相（熔点为1500℃），有效抑制低熔点b-Mg17Al12相的析出，从而提高其高温力学性能和抗蠕变性能。研究表明，Mg-Al系合金加入1.5%Sm后的组织与力学性能达到最好。所以Sm含量选择为0.5~3.0%。
Bi是耐热镁合金中常用的合金元素之一，在Mg中的最大固溶度为8.85%。Mg-Al合金中添加Bi后生成高热稳定性的Mg3Bi2相（熔点为823℃），在高温蠕变过程中可有效抑制晶界滑移和位错运动，使合金的高温性能得到改善；Bi还可阻止时效过程中b-Mg17Al12相的非连续沉淀，使合金呈现更低的蠕变速率。同时适量的Bi亦可提高Mg-Al合金的成形性。所以Bi含量选择为0.3~0.75%。
本发明以3.0~7.0%Al作为基本成分，加入0.5~3.0%Sm形成小块状高热稳定性Al2Sm相，有效抑制低熔点b-Mg17Al12相的析出，且成弥散分布，提高其高温力学性能；加入0.3~0.75%Bi形成杆状高热稳定性Mg3Bi2相，提高其高温力学性能和成形性能（见图1和2）。合理的熔铸方法可有效地保证稀土元素的溶解和减少其烧损。通过合理的压铸方法（模具温度、压射时间等），在较快的冷却速度条件下，晶粒明显细化，第二相颗粒被有效地破碎、细化（见图3和4），起到弥散强化合金基体和钉扎晶界的作用，有效阻碍高温晶界滑移。因此本发明的Mg-Al-Sm-Bi合金呈现中等强韧性和优良成形性能，可拓宽Mg-Al系耐热镁合金在轨道交通、汽车、运动器械、3C等领域的应用。
附图说明
图1是实施例2的铸态光学显微组织照片。
图2是实施例2的铸态扫描显微组织照片。
图3是实施例2的压铸态光学显微组织照片。
图4是实施例2的压铸态扫描显微组织照片。
图5是实施例2的铸态XRD谱。
具体实施方式
本发明所述耐热镁合金的熔铸方法：在CO2和0.2vol%SF6混合气体保护下，待工业纯Mg熔化后升温至730℃，每隔5min依次将工业纯Al、Mg-30%Sm中间合金和工业纯Bi加入熔体中；在1h内搅拌熔体两次；然后加入JDMJ型精炼剂搅拌后升温至750℃，静置30min；最后待熔体温度冷却至715℃，除渣后浇入预热温度为250℃的Y型金属型模具中，凝固成铸态试样。熔体浇入预热温度为350℃的螺旋型金属型模具（型腔截面10′8mm2）中，凝固成铸态流动性试样。熔体分别快速压入预热温度为250℃的压铸力学性能模具和压铸流动性模具（型腔截面R5mm的半圆）中，凝固成压铸态力学性能试样和流动性试样。
结合本发明技术方案的内容提供以下三个实施例和两个对比例，但本发明的保护范围不限于下述三个实施例。
实施例1
合金成分的重量百分比为：Al3.0%，Sm0.5%和Bi0.3%，余量为Mg。
实施例1的铸态室温抗拉强度和延伸率分别为198MPa和7.0%，150℃的抗拉强度和延伸率分别为169MPa和26.5%，铸态流动长度为410mm。
实施例2
合金成分的重量百分比为：Al6.0%，Sm1.0%和Bi0.3%，余量为Mg。
实施例2的铸态室温抗拉强度和延伸率分别为220MPa和12.5%，150℃的抗拉强度和延伸率分别为162MPa和14.5%，铸态流动长度为460mm；压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为285MPa和16.5%，压铸态流动长度为1870mm。
实施例3
合金成分的重量百分比为：Al7.0%，Sm3.0%和Bi0.75%，余量为Mg。
实施例3的铸态室温抗拉强度和延伸率分别为210MPa和12.0%，150℃的抗拉强度和延伸率分别为151MPa和13.5%，铸态流动长度为430mm。
对比例1
AZ61合金，合金成分的重量百分比为：Al6.0%和Zn1.0%，余量为Mg。
对比例1的铸态室温抗拉强度和延伸率分别为205MPa和5.5%，150℃的抗拉强度和延伸率分别为140MPa和6.5%，铸态流动长度为165mm。
对比例2
AZ91D合金，合金成分的重量百分比为：Al9.0%和Zn1.0%，余量为Mg。
对比例2的铸态流动长度为330mm；压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为210MPa和2.5%，压铸态流动长度为2450mm。
本发明的实施例和对比例的流动性能和拉伸力学性能列于表1中。
表1实施例和对比例的流动性能和拉伸力学性能
表1表明：相同条件下，实施例2的Mg-6.0Al-1.0Sm-0.3Bi合金铸态室温抗拉强度和延伸率比对比例1的AZ61合金分别提高7.3%和127%；150℃时抗拉强度和延伸率分别提高15.7%和123%。铸态流动性较对比例2的AZ91D合金提高36.6%。压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为285MPa和16.5%，压铸态流动性略低于AZ91D合金。

Claims (2)

1.一种中强韧高成形性耐热镁合金，其特征是由以下组分和重量百分比组成：Al3.0~7.0%，Sm0.5~3.0%和Bi0.3~0.75%，余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的耐热镁合金，其特征是由以下组分和重量百分比组成：Al6.0%，Sm1.0%和Bi0.3%，余量为Mg。
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