CN103334037B

CN103334037B - Si、Sn复合强化耐热镁合金及板材轧制方法

Info

Publication number: CN103334037B
Application number: CN201310279312.6A
Authority: CN
Inventors: 李新林; 于成功; 马金龙; 康明; 曹杰; 王香; 李莉
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: CN103334037A

Abstract

本发明提供的是一种Si、Sn复合强化耐热镁合金及板材轧制方法。重量百分比组成为Si0.5-1.3%、Sn2-4%、Al2.5-5%、Mn0.2-0.5%和余量的Mg的铸锭先进行两段均匀化处理，第一段均匀化处理温度为400～420℃、处理时间为12～18小时，第二段均匀化处理温度为440～460℃、处理时间为6～12小时，再进行轧制，轧制温度为250℃～400℃、道次压下量为10～30%。轧制后板材进行退火，退火工艺为200～300℃、保温时间为0.5～2小时。本发明的镁合金的耐热性好，且价格低廉。本发明的轧制工艺技术成本较低，适用性强。

Description

Si、Sn复合强化耐热镁合金及板材轧制方法

技术领域

本发明涉及一种Si、Sn复合强化耐热镁合金，本发明还涉及一种Si、Sn复合强化耐热镁合金板材的轧制方法。

背景技术

以AZ91、AZ31等为代表的AZ(Mg-Al-Zn-Mn)系镁合金具有较高的室温强度，优良的铸造工艺性能以及低成本等优点，是目前应用最广泛的商用镁合金。然而，由于该类镁合金中分布在晶界处的粗大Mg₁₇Al₁₂相熔点（437℃）较低，温度超过120℃时开始软化，不能有效钉扎晶界，因而高温力学性能差，长期使用温度不能超过120℃。

合金化是提高镁合金耐热性最常用和最有效的方法之一。众所周知，稀土是改善镁合金耐热性最有效的元素。如Mg-RE（镁-稀土）系耐热镁合金中的WE54，具有显著的时效硬化效果，室温、高温拉伸性能和抗蠕变性能都非常优异，是商业化合金中耐热性最好的，长期使用温度为300℃。此外，AE（Mg-Al-RE）系镁合金如AE42在200℃时仍具有良好的蠕变强度。但是，由于这些镁合金中含有价格昂贵的稀土元素，导致铸造性能较差和成本高，商业化应用难以推广。因此，当前耐热镁合金的开发应兼顾提高性能和降低成本两个方面。

最近，Si、Sn等被广泛认为是提高镁合金强度和耐热性的有益元素，且价格低廉。这是由于Si和Sn都是典型的具有沉淀强化作用的元素，二者与镁所形成的金属间化合物Mg₂Si和Mg₂Sn均是非常有效的强化相：Mg₂Si具有高熔点（1085℃）、低密度（1.99×10³Kg m^-3）、高硬度（460HV）、低热膨胀系数（7.5×10^-6K^-1）和高弹性模量（120Gpa）；Mg₂Sn熔点（770℃）和硬度（119HV）也较高。此外，Sn在Mg中扩散速率较低，400℃时扩散系数仅为1.0×10^-14m²/s。因此，采用Si、Sn复合强化以改善镁合金的耐热性为开发新型廉价耐热镁合金提供了一条新途径，可参阅文献Dae H.Kang等人的Development of creep resistant die castMg–Sn–Al–Si alloy（抗蠕变压铸镁-锡-铝-硅合金的开发）。虽然压铸可使合金中汉字状共晶Mg₂Si相粒化和/或球化，但不能使其在镁合金基体中均匀分布，致使该合金室温特别是高温（150℃）综合力学性能不高。

遗憾的是，含Si镁合金在较慢的冷却条件下，会形成粗大树枝状初生Mg₂Si和/或汉字状共晶Mg₂Si，这样在Mg₂Si周围会存在很大的应力集中，割裂了基体，从而显著地恶化了合金的力学性能，特别是延伸率，并且冷却速度越慢越容易形成粗大树枝状和汉字状或纤维状Mg₂Si，使得含Si镁合金（如AS21、AS41等）仅适用于冷却速率较快的压铸件，而无法用于传统的重力铸造和砂型铸造等工艺。因此，探索含Si镁合金中Mg₂Si相的变质机理及工艺优化，使Mg₂Si相以细小、弥散形式分布于镁合金基体和晶界中，对于提高和改善含Si镁合金的综合力学性能并进而实现工业化应用显得尤为重要。

近年来，国内外学者从合金化和/或微合金化出发，采用多种变质剂如采用Sb、Na盐、KBF₄、Sr等变质剂抑制初生Mg₂Si相的择优生长，使粗大树枝状初生Mg₂Si转变为细小多边形块状；采用Ca、P、AlP和稀土Nd等变质剂使汉字状或纤维状共晶Mg₂Si相粒化。但变质的同时也伴随着各种各样问题的产生，如P易燃而产生大量烟雾，使得加入量难以控制；Na盐、KBF₄在变质过程中会产生飞溅及夹杂；Ca易引起热裂等。因此，这些问题的存在使得通过合金化和或微合金化手段来变质Mg₂Si相形貌在工业生产应用上受到了很大限制。

等温热处理方法可有效变质汉字状共晶Mg₂Si相，使Mg₂Si相形貌由汉字状变为粒状和/或球状，可参阅申请号分别为200610095200.5、名称为“用于变质Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg₂Si相的等温热处理方法”和申请号为200710144699.9、名称为“Mg-Si-Sn系镁合金中汉字状共晶Mg₂Si相的热处理工艺”的专利文件。虽然等温热处理方法可使汉字状共晶Mg₂Si相粒化和/或球化，但不能改善其在镁合金基体中的分布状态。

近年来等通道角挤压、往复挤压等大塑性变形工艺不仅能有效变质汉字状共晶Mg₂Si相，使其形貌由汉字状变为粒状和/或球状，而且能使变质后的Mg₂Si颗粒在镁合金基体中均匀分布。但大塑性变形工艺过程复杂，成本较高，且大塑性变形往往受限于模具，难以制备出尺寸较大的零件，目前只能制备出一些小体积的具有特殊用途的产品（如医疗器械、航空航天部件等），还难以与现有工业生产相匹配。

综上所述，采用传统轧制技术，在有效变质汉字状共晶Mg₂Si相的同时提高Si、Sn复合强化镁合金的综合力学性能，将为开发新型廉价耐热镁合金提供一条新途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐热性好，成本低廉的Si、Sn复合强化耐热镁合金。本发明的目的还在于提供一种能使镁合金板材中汉字状Mg₂Si得到了粒化，且Mg₂Si和Mg₂Sn颗粒在镁基体中分布均匀的Si、Sn复合强化耐热镁合金板材的轧制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的Si、Sn复合强化耐热镁合金各组分及重量百分比为：Si0.5-1.3%，Sn2-4%，Al2.5-5%，Mn0.2-0.5%，余量为Mg。

本发明的Si、Sn复合强化耐热镁合金板材轧制方法为：重量百分比组成为Si0.5-1.3%、Sn2-4%、Al2.5-5%、Mn0.2-0.5%和余量的Mg的铸锭先进行两段均匀化处理，第一段均匀化处理温度为400～420℃、处理时间为12～18小时，第二段均匀化处理温度为440～460℃、处理时间为6～12小时，再进行轧制，轧制温度为250℃～400℃、道次压下量为10～30%，。轧制后板材进行退火，退火工艺为200～300℃、保温时间为0.5～2小时。

第一段均匀化处理的较佳温度为415～420℃、较佳处理时间为12～16小时。

第二段均匀化处理的较佳温度为440～450℃。

本发明在铸锭轧制前采用分段（两段）均匀化热处理工艺，通过第一段均匀化处理，以使合金中的低熔点Mg₁₇Al₁₂相充分固溶，同时金属间化合物Mg₂Sn发生部分固溶；随后升温进行第二段均匀化处理，以使合金中的Mg₂Sn相充分固溶，最终实现合金成分均匀化。如果仅对Mg-Al-Sn-Si系耐热镁合金进行第一段均匀化处理，虽然可以使合金中的Mg₁₇Al₁₂相充分固溶，但却不能将Mg₂Sn相完全消除；或者，如果仅在440～460℃温度（第二段均匀化处理温度）下进行均匀化处理，则会因低熔点Mg₁₇Al₁₂相的存在而导致合金过烧。因此，Si、Sn复合强化Mg-Al-Sn-Si系耐热镁合金铸锭轧制前需采用上述分段（两段）均匀化热处理工艺。随后便可以对Mg-Al-Sn-Si系耐热镁合金进行轧制。轧制后Si、Sn复合强化耐热镁合金板材中汉字状Mg₂Si得到了粒化，且Mg₂Si和Mg₂Sn颗粒在镁基体中分布均匀。轧制后退火态Mg-3Al-3Sn-1Si合金室温拉伸强度为318MPa、延伸率为13%；高温（150℃）拉伸强度为212MPa、延伸率为23%。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.Si和Sn二者与镁所形成的金属间化合物Mg₂Si和Mg₂Sn熔点较高，有利于提高镁合金的耐热性，且价格低廉。

2.轧制后Si、Sn复合强化Mg-Al-Sn-Si系耐热镁合金板材中汉字状Mg₂Si得到了粒化，且Mg₂Si和Mg₂Sn颗粒在镁基体中分布均匀。

3.本发明的轧制工艺技术成本较低，适用性强。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的铸态Mg-2.5Al-4Sn-0.5Si合金金相组织图。

图2为本发明实施例1所述的轧制后退火态Mg-2.5Al-4Sn-0.5Si合金金相组织图。

图3为本发明实施例2所述的轧制后退火态Mg-3Al-3Sn-1Si合金金相组织图。

图4为本发明实施例3所述的轧制后退火态Mg-4Al-3Sn-0.8Si合金金相组织图。

图5为本发明实施例4所述的轧制后退火态Mg-5Al-2Sn-1.3Si合金金相组织图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述：

实施例1：

采用工业纯镁锭（纯度99.5%）、工业结晶硅粉（纯度99.4%，粒径0.5～2mm）纯铝锭（纯度99.9%）、纯锡锭（纯度99.9%）和Mg-5.2%Mn中间合金，按Mg-2.5Al-4Sn-0.5Si合金成分（名义成分：Al2.5%，Sn4%，Si0.5%，Mn0.2%，余量为Mg）配制合金，在RJ-2熔剂保护下，先将纯镁锭在电阻炉中熔化，当温度升到780℃时用钟罩压入真空预热（温度400℃，时间1小时）的硅粉（用铝箔包裹），随后加入镁-锰中间合金，保温1小时后加入纯铝锭和纯锡锭，待其熔化后进行机械搅拌，搅拌10～15分钟，以使硅、铝、锡等合金化元素均匀化，静置，待温度降至730℃时，捞去合金液表面浮渣，在SF₆/CO₂混合气体保护下浇注到预热（250℃）金属型中进行重力铸造。采用本发明得到的铸态Mg-2.5Al-4Sn-0.5Si合金金相组织如图1所示。该合金铸态组织主要由α-Mg等轴晶、汉字状共晶Mg₂Si、α-Mg枝晶间分布的近球形Mg₂Sn和晶界处呈断续网状分布的Mg₁₇Al₁₂相组成。

铸锭轧制前进行两段均匀化热处理：首先，在420℃，保温12小时；随后升温至440℃，保温12小时。将均匀化热处理后的Mg-2.5Al-4Sn-0.5Si合金在两辊轧机上进行轧制：轧制温度为250℃、道次压下量为10%，总变形量为60%。合金轧制后在200℃下保温2小时进行退火。轧制后退火态Mg-2.5Al-4Sn-0.5Si合金金相组织如图2所示。该合金室温拉伸强度为235MPa、延伸率为13%；高温（150℃）拉伸强度为200MPa、延伸率为55%。

实施例2：

采用工业纯镁锭（纯度99.5%）、工业结晶硅粉（纯度99.4%，粒径0.5～2mm）纯铝锭（纯度99.9%）、纯锡锭（纯度99.9%）和Mg-5.2%Mn中间合金，按Mg-3Al-3Sn-1Si合金成分（名义成分：Al3%，Sn3%，Si1%，Mn0.3%，余量为Mg）配制合金，在RJ-2熔剂保护下，先将纯镁锭在电阻炉中熔化，当温度升到780℃时用钟罩压入真空预热（温度400℃，时间1小时）的硅粉（用铝箔包裹），随后加入镁-锰中间合金，保温1小时后加入纯铝锭和纯锡锭，待其熔化后进行机械搅拌，搅拌10～15分钟，以使硅、铝、锡等合金化元素均匀化，静置，待温度降至730℃时，捞去合金液表面浮渣，在SF₆/CO₂混合气体保护下浇注到预热（250℃）金属型中进行重力铸造。

铸锭轧制前进行两段均匀化热处理：首先，在420℃，保温16小时；随后升温至450℃，保温8小时。将均匀化热处理后的Mg-3Al-3Sn-1Si合金在两辊轧机上进行轧制：轧制温度为300℃、道次压下量为10%，总变形量为85%。合金轧制后在250℃下保温1小时进行退火。轧制后退火态Mg-3Al-3Sn-1Si合金金相组织如图3所示。该合金室温拉伸强度为318MPa、延伸率为13%；高温（150℃）拉伸强度为212MPa、延伸率为25%。

实施例3：

采用工业纯镁锭（纯度99.5%）、工业结晶硅粉（纯度99.4%，粒径0.5～2mm）纯铝锭（纯度99.9%）、纯锡锭（纯度99.9%）和Mg-5.2%Mn中间合金，按Mg-4Al-3Sn-0.8Si合金成分（名义成分：Al4%，Sn3%，Si0.8%，Mn0.5%，余量为Mg）配制合金，在RJ-2熔剂保护下，先将纯镁锭在电阻炉中熔化，当温度升到780℃时用钟罩压入真空预热（温度400℃，时间1小时）的硅粉（用铝箔包裹），随后加入镁-锰中间合金，保温1小时后加入纯铝锭和纯锡锭，待其熔化后进行机械搅拌，搅拌10～15分钟，以使硅、铝、锡等合金化元素均匀化，静置，待温度降至730℃时，捞去合金液表面浮渣，在SF₆/CO₂混合气体保护下浇注到预热（250℃）金属型中进行重力铸造。

铸锭轧制前进行两段均匀化热处理：首先，在415℃，保温14小时；随后升温至445℃，保温10小时。将均匀化热处理后的Mg-4Al-3Sn-0.8Si合金在两辊轧机上进行轧制：轧制温度为350℃、道次压下量为15%，总变形量为80%。合金轧制后在300℃下保温1小时进行退火。轧制后退火态Mg-4Al-3Sn-0.8Si合金金相组织如图4所示。该合金室温拉伸强度为277MPa、延伸率为13%；高温（150℃）拉伸强度为206MPa、延伸率为27%。

实施例4：

采用工业纯镁锭（纯度99.5%）、工业结晶硅粉（纯度99.4%，粒径0.5～2mm）纯铝锭（纯度99.9%）、纯锡锭（纯度99.9%）和Mg-5.2%Mn中间合金，按Mg-5Al-2Sn-1.3Si合金成分（名义成分：Al5%，Sn2%，Si1.3%，Mn0.4%，余量为Mg）配制合金，在RJ-2熔剂保护下，先将纯镁锭在电阻炉中熔化，当温度升到780℃时用钟罩压入真空预热（温度400℃，时间1小时）的硅粉（用铝箔包裹），随后加入镁-锰中间合金，保温1小时后加入纯铝锭和纯锡锭，待其熔化后进行机械搅拌，搅拌10～15分钟，以使硅、铝、锡等合金化元素均匀化，静置，待温度降至730℃时，捞去合金液表面浮渣，在SF₆/CO₂混合气体保护下浇注到预热（250℃）金属型中进行重力铸造。

铸锭轧制前进行两段均匀化热处理：首先，在415℃，保温18小时；随后升温至450℃，保温6小时。将均匀化热处理后的Mg-5Al-2Sn-1.3Si合金在两辊轧机上进行轧制：轧制温度为400℃、道次压下量为30%，总变形量为80%。合金轧制后在300℃下保温0.5小时进行退火。轧制后退火态Mg-5Al-2Sn-1.3Si合金金相组织如图5所示。该合金室温拉伸强度为256MPa、延伸率为9%；高温（150℃）拉伸强度为210MPa、延伸率为22%。

Claims

1.一种Si、Sn复合强化耐热镁合金，其特征是：是重量百分比组成为Si 0.5-1.3％、Sn 2-4％、Al 2.5-5％、Mn 0.2-0.5％和余量的Mg的铸锭先进行两段均匀化处理，第一段均匀化处理温度为400～420℃、处理时间为12～18小时，第二段均匀化处理温度为440～460℃、处理时间为6～12小时，再进行轧制，轧制温度为250℃～400℃、道次压下量为10～30％，轧制后板材进行退火，退火工艺为200～300℃、保温时间为0.5～2小时所得到的Si、Sn复合强化耐热镁合金。

2.一种Si、Sn复合强化耐热镁合金板材的轧制方法，其特征是：重量百分比组成为Si0.5-1.3％、Sn 2-4％、Al 2.5-5％、Mn 0.2-0.5％和余量的Mg的铸锭先进行两段均匀化处理，第一段均匀化处理温度为400～420℃、处理时间为12～18小时，第二段均匀化处理温度为440～460℃、处理时间为6～12小时，再进行轧制，轧制温度为250℃～400℃、道次压下量为10～30％，轧制后板材进行退火，退火工艺为200～300℃、保温时间为0.5～2小时。

3.根据权利要求2所述的Si、Sn复合强化耐热镁合金板材的轧制方法，其特征是：第一段均匀化处理的温度为415～420℃、处理时间为12～16小时。

4.根据权利要求2或3所述的Si、Sn复合强化耐热镁合金板材的轧制方法，其特征是：第二段均匀化处理的温度为440～450℃。