CN103343270A - 一种高强度镁-铝-锰-锶合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度镁-铝-锰-锶合金，所述合金按质量百分比计由以下组分组成：Al：1.0～5.0%；Mn：0.1-1.5%；Sr:0.1～5%；不可避免杂质≤0.15%；其余为镁；本发明还公开了一种制备所述高强度镁-铝-锰-锶合金的方法，包括以下步骤：1)按照上述配方选择原材料并在真空感应炉中熔炼合金；2)去除步骤1）所得合金表面的氧化层；3)退火处理步骤2）所得合金；4)挤压加工步骤3）所得合金。本发明镁合金中锶元素增加了合金过冷度，使晶粒细化，锶凝固时在生长界面富集，降低晶粒的生长速度；另外，锶与铝形成Al₄Sr相，能抑制晶粒再结晶长大。本发明镁合金价格低廉，制备方法简单。

Description

一种高强度镁-铝-锰-锶合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金及其制备方法，特别涉及一种高强度镁-铝-锰-锶系镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的商用金属结构材料，常用镁合金的密度约为铝合金的2/3，钢铁的1/4。与其他金属结构材料相比，镁合金具有比强度、比刚度高了，减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等优点，在汽车、电子、电器、交通、航空航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，并被称为21世纪的绿色工程材料。

由于受到力学性能、制备条件、价格等因素的制约，现阶段镁合金的应用量远远赶不上钢铁和铝合金。目前商用高强度镁合金主要为Mg-Zn-Zr、Mg-Al–Zn和Mg-Mn系列。Mg-Zn-Zr系合金强度可以达到较高的数值，如ZK60合金的抗拉强度可以达到340MPa，但是Zr元素价格昂贵，限制了该系合金的广泛使用。不含Zr的Mg-Al-Zn和Mg-Mn系合金，典型的如AZ31和MB8合金，虽然价格低廉，但是强度不高，并不能满足工业应用的要求。因此，开发一种新型低成本、高强度镁合金具有非常深远的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种强度高、制备方法简单且成本低廉的镁合金。

本发明公开了一种高强度镁-铝-锰-锶合金，所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Al：1.0～5.0%；

Mn：0.1-1.5%；

Sr:0.1～5%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

进一步；所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Al：2.94-3.13%；

Mn：0.69-0.72%；

Sr：0.53-1.98%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

进一步；所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Al：2.97%；

Mn：0.69%；

Sr:1.62%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

一种制备上述镁-铝-锰-锶合金的方法，包括以下步骤：

1)熔炼：首先按照上述配方选取原材料，然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼并搅拌均匀，最后用水冷方式冷却所得熔液；

2)机加工：去除步骤1）所得合金表面的氧化层并加工至适合挤压机挤压加工尺寸；

3)均匀化处理：加热步骤2）所得合金至380～420℃，并在此温度保温10～24小时进行均匀化退火。

4)挤压加工：加热步骤3）所得合金至330～420℃，然后挤压加工所述合金并空冷冷却。

本发明的有益效果在于：本发明的镁合金通过添加锶元素，显著增强了合金的强度。首先，加入锶元素增大了合金液的过冷度从而使晶粒细化；其次，锶在镁中的固溶度低，凝固时在生长界面前沿富集，影响了晶粒的生长速度，进一步细化晶粒；最后，本发明镁合金中锶与铝形成Al₄Sr第二相，在变形过程中能抑制再结晶晶粒长大。本发明镁合金各组分价格低廉，制备工艺简单，成本低。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是对比例1及实施例1-4的X-射线衍射图谱；

图2是对比例1镁合金铸态组织金相照片；

图3是实施例1镁合金铸态组织金相照片；

图4是实施例2镁合金铸态组织金相照片；

图5是实施例3镁合金铸态组织金相照片；

图6是实施例4镁合金铸态组织金相照片；

图7是实施例3镁合金铸态微观组织扫描电子显微镜照片；

图8是实施例4镁合金铸态微观组织扫描电子显微镜照片；

图9是实施例4镁合金挤压态微观组织扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面用具体实施方式对本发明做进一步说明，以下实施例中的百分比均为质量百分比。

实施例1

本实施例中制备高强度镁-铝-锰-锶合金的方法，包括以下步骤：

1)熔炼：首先按照表1实施例1的配方选取原材料，其中原材料为工业纯镁锭、工业纯铝、Mg-5%Mn中间合金和Mg-5%Sr中间合金；然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼，当全部溶化后搅拌2-5分钟，使成分均匀；最后关闭感应炉，取出坩埚并用水冷方式冷却。

2)机加工：车削加工去除步骤1）所得合金表面的氧化层，并且使加工后的镁合金的尺寸适合于挤压机加工；

3)均匀化处理：随炉加热步骤2）所得合金至420℃，并在此温度保温10小时进行均匀化化退火；

4)挤压加工：在挤压机将步骤3）所得合金挤压成棒材并空冷至室温，其中挤压加工时主要工艺参数见表2。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例按照表1实施例2的配方选取原材料。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例按照表1实施例3的配方选取原材料。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例按照表1实施例4的配方选取原材料。

对比例1

本实施例中制备镁合金的方法，包括以下步骤：

1)熔炼：首先按照表1对比例1的配方选取原材料，其中原材料为工业纯镁锭、工业纯铝和Mg-5%Mn中间合金；然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼，当全部溶化后搅拌2-5分钟，使成分均匀；最后关闭感应炉，取出坩埚并用水冷方式冷却。

2)机加工：车削加工去除步骤1）所得合金表面的氧化层，并且使加工后的镁合金的尺寸适合于挤压机加工；

3)均匀化处理：随炉加热步骤2）所得合金至420℃，并在此温度保温10小时进行均匀化化退火；

4)挤压加工：在挤压机将步骤3）所得合金挤压成棒材并空冷至室温，其中挤压加工时主要工艺参数见表2。

表1本发明实施例镁合金化学组成

实施例	Mg（%）	Al（%）	Mn（%）	Sr（%）	杂质总量（%）
						实施例1	95.50	3.11	0.71	0.53	0.15
实施例2	94.89	3.13	0.72	1.11	0.15
						实施例3	94.57	2.97	0.69	1.62	0.15
实施例4	94.22	2.94	0.71	1.98	0.15
						对比例1	95.89	3.27	0.69	0	0.15

表2本发明镁合金挤压加工主要参数

下面结合实验数据对对比例1及实施例1-4的制备方法相同、配比不同的高强度镁-铝-锰-锶合金的性能进行分析。

1、微观组织表征

组织观察的样品其制备过程如下：采用400-1000号碳化硅水磨砂纸磨平表面。

（1）取实施例1-4及对比例1的铸态镁-铝-锰-锶合金样品用X-射线衍射进行物相分析；

图1为实施例1-4及对比例1铸态镁-铝-锰-锶合金的X-射线衍射图谱，从图中可以看到，合金中相组成主要为α-Mg、Al₄Sr、Mg₁₇Sr₂、Al₁₁Mn₁₄、Mn；其中Al₄Sr相所对应的强度值随着锶含量的增加而增大，表明该相含量随着锶含量的增加而增加，而对比例1中Al₄Sr相对应的强度值为零，表明不含该相。

（2）取对比例1及实施例1-4的铸态镁-铝-锰-锶合金样品，用金相显微镜进行金相分析。

图2～6分别是对比例1及实施例1-4的铸态镁-铝-锰-锶合金的金相照片，从中可以看出合金中枝晶形貌随着锶的添加量的变化而变化。这是因为锶与基体在枝晶间形成Al₄Sr和Mg₁₇Sr₂等化合物，使二次枝晶平均间距明显降低。随着锶含量的增加，枝晶间化合物数量增加并变得粗化连续，在高锶含量的合金中，枝晶间化合物呈连续网状分布，可以显著抑制枝晶的生长，改变枝晶的形貌。

（3）、取实施例3的挤压态镁-铝-锰-锶合金样品，用扫描电子显微镜（型号为TESCANVEGAⅡ）进行微观组织形貌分析。

图7是实施例3镁合金铸态微观组织扫描电子显微镜照片，其中右图是左图黑框区域的放大图。采用扫描显微镜及X-射线衍射仪测试分析可知，其中a是Al-Sr化合物Al₄Sr，该相大量分布于晶界处，b是Al-Mn化合物Al₁₁Mn₁₄。由于Al₄Sr相热稳定性高，并且分布在晶界上，在热加工过程中能够抑制晶粒再结晶长大，显著强化本发明镁-铝-锰-锶合金。

（4）、取实施例4的铸态和挤压态镁-铝-锰-锶合金样品，用扫描电子显微镜（型号为TESCANVEGAⅡ）进行微观组织形貌分析。

图8和图9分别为实施例4的铸态和挤压态镁-铝-锰-锶合金样品的微观组织形貌，可以看出挤压前后化合物的分布变化明显。挤压前枝晶间相呈连续网状分布，挤压后第二相成弥散状均匀分布，挤压加工进一步提高了合金的强度。

2、力学性能测试

根据国标GB228-2002的标准，将实施例1-4及对比例1的挤压态合金样品加工成标准拉伸试样进行拉伸试样，拉伸样品为圆棒状，试样圆棒的轴线方向与材料的挤压流线方向相同，得出本发明所制备的镁合金的力学性能数据（见表3）。

表3本发明镁合金挤压棒材力学性能

实施例	屈服强度（MPa）	抗拉强度（Mpa）	延伸率（%）
				实施例1	229	349	13.2
实施例2	264	355	7.1
				实施例3	285	379	3.5
实施例4	264	379	2.9
				对比例1	224	323	22.5

从表3可以看出本发明实施例1-4的镁-铝-锰-锶合金屈服强度和抗拉强度明显高于对比例1没有加锶的镁合金，并且其强度值随着锶元素加入量的增加而增加。

取AZ31、ZM61、ZK60和AM30型镁合金作为本发明对比组，AZ31、ZM61、ZK60和AM30型镁合金力学性能数据（见表4）。

表4对比组镁合金挤压棒材的室温力学性能

合金	屈服强度（MPa）	抗拉强度（Mpa）	延伸率（%）
				AZ31	200	270	12

ZM61	207	303	11
				ZK60	230	320	11
AM30	210	274	9.4
				实施例3	285	379	3.5

从表4可以看出本发明的镁合金材料与传统的变形镁合金AZ31相比，抗拉强度和屈服强度分别提高40%和42.5%；与ZM61、AM30合金相比，抗拉强度分别提高25%和38%，屈服强度也提高38%和36%；与目前高强度的商用镁合金ZK60相比，抗拉强度和屈服强度分别提高了18%和24%。

本发明镁合金通过添加锶元素，显著增强了合金的强度。首先，加入锶元素增大了合金液的过冷度从而使晶粒细化；其次，锶在镁中的固溶度低，凝固时在生长界面前沿富集，影响了晶粒的生长速度，进一步细化晶粒；最后，本发明镁合金中锶与铝形成Al4Sr第二相，在变形过程中能抑制再结晶晶粒长大。本发明镁合金各组分价格低廉，制备工艺简单，成本低。

最后，需要指出的是，本实施例只是用于说明本发明而非限制，事实上，当高强度镁-铝-锰-锶合金各组分质量百分含量分别为：Al：1.0～5.0%；Mn：0.1-1.5%；Sr:0.1～5%；不可避免杂质≤0.15%；其余为镁时，合金都具有较好的综合力学性能，仍属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高强度镁-铝-锰-锶合金，其特征在于：所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Al：1.0～5.0%；

Mn：0.1-1.5%；

Sr:0.1～5%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

2.一种如权利要求1所述高强度镁-铝-锰-锶合金，其特征在于：所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Al：2.0～4.0%；

Mn：0.5-1.0%；

Sr:0.1～3%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

3.一种如权利要求1所述高强度镁-铝-锰-锶合金，其特征在于：所述合金按质量百分比计由以下组分组成：

Al：2.97%；

Mn：0.69%；

Sr:1.62%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

4.一种制备如权利要求1所述高强度镁-铝-锰-锶合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)熔炼：首先按照上述配方选取原材料，然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼并搅拌均匀，最后用水冷方式冷却所得熔液；

2)机加工：去除步骤1）所得合金表面的氧化层并加工至适合挤压机挤压加工尺寸；

3)均匀化处理：加热步骤2）所得合金至380～420℃，并在此温度保温10～24小时进行均匀化退火。

4)挤压加工：加热步骤3）所得合金至330～420℃，然后挤压加工所述合金并空冷冷却。

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