CN104313426B

CN104313426B - 碱土元素变质的耐热镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN104313426B
Application number: CN201410547950.6A
Authority: CN
Inventors: 王旭; 王宝刚; 张国福; 刘峰
Original assignee: Liaoning Shihua University
Current assignee: Liaoning Shihua University
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN104313426A

Abstract

本发明涉及一种碱土元素变质的耐热镁合金，其成分按重量百分比包括Al 2.5~3.4，Si 0.5~1.4，Mn 0.05~0.14，Sr 0.05~1.54，其余为Mg。本发明是通过熔炼的方法向镁合金中添加Mg‑Si与Al‑Sr中间合金，对镁合金进行改性，并将得到的铸造态耐热镁合金进行T6热处理。同现有技术相比，本发明所制备的耐热镁合金，具有较高的室温抗拉强度和较高的高温抗拉强度，并且拥有较好的塑性。

Description

碱土元素变质的耐热镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金，具体涉及一种碱土元素变质的耐热镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有较高的比强度和比刚度、良好的铸造性能和机械加工性能及阻尼特性，具有广泛的应用前景，其中新型轻质高强耐热镁合金是第三代活塞材料的最佳选择。

Mg-Al-Si系耐热镁合金由于具有较好的高温性能和明显的成本优势等方面的特点，因此其研究开发同其它的Mg-Al系耐热镁合金一样，正受到国内外的广泛关注和高度重视。尽管国内外对于AS系耐热镁合金的研究开发已开展了大量卓有成效的研究工作，并取得了众多积极的研究成果。但总的来讲，由于生产工艺和性能等方面的原因，现有Mg-Al-Si系耐热镁合金还难以适应工业化应用的要求。因此需要对现有AS系镁合金进行改性，以提高其综合性能。

发明内容

为解决上述技术瓶颈问题，本发明提供一种碱土元素变质的耐热镁合金，具有比强度高、比模量高、耐热性能好的特点，解决了现有技术中AS系耐热镁合金难以适应工业化应用要求的问题。

本发明的另一目的在于提供一种碱土元素变质的耐热镁合金的其制备方法。

本发明的技术方案如下：

碱土元素变质的耐热镁合金，其成分质量百分比为：Al 2.5~3.4，Si 0.5~1.4，Mn0.05~0.14，Sr 0.05~1.54，杂质元素总量小于0.04，其余为Mg。

本发明的制备方法包括以下步骤：

a) 将纯镁锭（99.97wt.%）、纯铝锭（99.95wt.%）、镁硅中间合金（Mg-30Si）及铝锶中间合金（Al-10Sr）按上述质量百分比配料，并在130-170℃进行预热处理；同时把熔铸用石墨坩埚与浇注用金属钢模均进行低温预热处理；

b) 将上述预热过的合金在具有气体保护装置的坩埚电阻炉中进行熔炼，熔炼与浇注过程中，一直采用SF₆+CO₂混合气体保护；

c) 将上述纯镁锭放入事先预热过的石墨坩埚中，快速加热至650^oC±5℃，待纯镁锭完全熔化后，均匀缓慢加热到温度680℃时，去除表面氧化杂质后，加入上述纯铝锭，并继续加热至720℃熔化，此时再加入镁硅中间合金及铝锶中间合金，采用机械搅拌5-10min，使其充分熔合；

d) 上述合金熔体在750℃保温30min，然后将合金熔体倒入已预热的金属钢模中，在空气中自然冷却或者包套形式的外加水冷装置中，得到铸造态碱土镁合金；

e) 将铸造态碱土镁合金进行T6热处理，得到综合性能较高的ASJ碱土耐热镁合金。

所述的ASJ碱土耐热镁合金型号为AS31J耐热镁合金，碱土锶在耐热镁合金Mg-Al-Si中起到变质细化作用。

所述的T6热处理工艺条件为：420^oC-450℃/6-12h固溶处理+水淬，160-190℃/16-72h人工时效处理。

同现有的技术相比，本发明具有以下特点：

1) 铸态AS31J合金显微组织：主要由灰白色基体α -Mg、白色相β -Mg₁₇Al₁₂相以及黑色汉字状和块状相Mg₂Si所组成。Mg₂Si相为合金的主要强化相，Mg₂Si析出相具有与镁相近的低密度（1.9g/cm³），高熔点（1085℃）、硬度（460HV_0.3）和弹性模量以及低热膨胀系数（7.5×10^-6K^-1）。

2) 当加入Sr时，合金组织中的汉字相Mg₂Si尺寸逐渐减小，块状相也趋于弥散析出的颗粒状相。离异共晶相β -Mg₁₇Al₁₂相，在随着Sr元素的添加，β -Mg₁₇Al₁₂相的尺寸逐渐减少。当Sr的添加量达到0.5wt.%时，合金中几乎不存在原铸态的粗大汉字相，取而代之的是弥散析出的颗粒状相和不规则多边形相，原有的大块状相被分解为数块，部分枝晶臂则演变为细小的针状相，基体组织得到显著的细化。当Sr添加量超过1.5wt.%时，变质作用无明显改善。

3) 在固溶处理使得铸态AS31J合金的部分析出相，发生球化作用，继续进行时效处理后，合金显微组织得到进一步细化，随着保温时间逐渐增加，合金的综合性能得到大幅度提升。此时合金的具有较高的室温抗拉强度和较高的高温拉伸强度，同时兼顾有较好的塑性。

4) 本发明中硅元素与碱土锶元素均为价格相对低廉且易于获得的合金组成物，因此本发明不仅提供了一种新型合金的设计方法，同时也为市场化的投放与使用提供了低成本制备与应用的使用空间。

本发明所制备的碱土耐热镁合金，由于具有较高的室温抗拉强度和较高的高温抗拉强度，塑性也有较大的提高，可以作为机用活塞、汽车发动力机等零部件的结构材料，也可以作为在较高环境温度下使用的轻质高强度的结构材料。

附图说明

图1是本发明实施例1所制备的碱土耐热镁合金的光学显微组织照片；

图2是本发明实施例1所制备的碱土耐热镁合金的SEM显微组织照片；

图3a、图3b是本发明实施例1所制备的碱土耐热镁合金的EDS能谱图；

图4是现有技术的AS31镁合金的光学显微组织照片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详述。

实施例1

一种碱土耐热镁合金，其成分质量百分比为：Al 2.9%，Si 1.1%，Mn 0.09%，Sr0.2%，杂质元素总量小于0.04%，其余为Mg。

一种碱土耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

a) 将工业纯镁锭（99.97wt.%）、纯铝锭（99.95wt.%）、镁硅中间合金（Mg-30Si）及镁锶中间合金（Al-10Sr）按上述质量百分比配料，并预热至130-170℃；

b) 上述合金在坩埚电阻炉中熔炼，为防止镁合金的氧化和燃烧，熔炼与浇注过程采用SF₆+CO₂混合气体保护；

c) 将上述纯镁放入事先预热至200℃的低碳钢坩埚中，当温度达到680℃时，待纯镁完全熔化后加入纯铝，并继续加热至720℃熔化，此时加入镁硅中间合金及铝锶中间合金，采用机械搅拌5-10min，使其充分熔合；

d) 合金熔体在750℃保温30min，然后将合金熔体倒入已预热至200℃的金属钢模铸型中，并在空气中自然冷却，得到铸造态碱土镁合金；

e) 将铸造态碱土镁合金进行T6热处理，即420℃/10h固溶处理+水淬，180℃/100h，得到综合性能较高的AS31J碱土耐热镁合金。

本实施例的碱土耐热镁合金，在室温下的抗拉强度为140MPa，屈服强度为129MPa，延伸率为5.7%；在150℃高温条件下的抗拉强度为123MPa，屈服强度为103MPa，延伸率为6.6%。

本实施例的合金显微组织见图1、图2，主要合金强化相成分见图3a、图3b，现有技术的AS31合金的显微组织见图4。

比较图1和图4，可以看出，由于碱土元素Sr的加入，粗大的汉字相与初生相Mg₂Si得到了明显的细化，基体呈现弥散分布的颗粒状或针状相，通知经过时效处理的合金组织也变得较为均匀。

从图2、图3a、图3b可以看出，经过碱土Sr变质后的Mg₂Si相周围富集了大量的Sr原子，形成碱土Sr富集的GP区，这对合金基体的细化起到了决定性的作用。

实施例2

一种碱土耐热镁合金，其成分质量百分比为：Al 3.3%，Si 1.0%，Mn 0.08%，Sr0.5%，杂质元素总量小于0.04%，其余为Mg。

本实施例的步骤a）~e）与实施例1 a）~e）相同。

本实施例的碱土耐热镁合金，在室温下的抗拉强度为138MPa，屈服强度为112MPa，延伸率为6.1%；在150℃高温条件下的抗拉强度为118MPa，屈服强度为93MPa，延伸率为6.8%。

实施例3

一种碱土耐热镁合金，其成分质量百分比为：Al 3.1%，Si 1.3%，Mn 0.11%，Sr1.2%，杂质元素总量小于0.04%，其余为Mg。

本实施例的步骤a）~e）与实施例1 a）~e）相同。

本实施例的碱土耐热镁合金，在室温下的抗拉强度为148MPa，屈服强度为130MPa，延伸率为5.5%；在150℃高温条件下的抗拉强度为126MPa，屈服强度为109MPa，延伸率为6.4%。

对实施例1-3制备的AS31J碱土镁合金与未经变质处理现有技术AS31镁合金进行T6热处理，在室温条件和150℃高温条件下分别测试其拉伸性能，结果如下表1。

实施例4

一种碱土耐热镁合金，其成分质量百分比为：Al 2.5%，Si 0.5%，Mn 0.05%，Sr0.05%，杂质元素总量小于0.04%，其余为Mg。

本实施例的步骤a）~e）与实施例1 a）~e）相同。

实施例5

一种碱土耐热镁合金，其成分质量百分比为：Al 3.4%，Si 1.4%，Mn 0.14%，Sr1.54%，杂质元素总量小于0.04%，其余为Mg。

本实施例的步骤a）~e）与实施例1 a）~e）相同。

表1

Claims

1.一种碱土元素变质的耐热镁合金，其特征在于其成分质量百分比为：Al 2.9%，Si1.1%，Mn 0.09%，Sr 0.2%，杂质元素总量小于0.04%，其余为Mg。

2.制备权利要求1所述的碱土元素变质的耐热镁合金的方法，其特征在于包括以下步骤：

a) 将99.97wt%的纯镁锭、99.95wt%的纯铝锭、镁硅中间合金Mg-30Si及镁锶中间合金Al-10Sr按上述质量百分比配料，并在130-170℃进行预热处理；同时把熔铸用石墨坩埚与浇注用金属钢模均进行低温预热处理；

b) 将上述预热过的合金在具有气体保护装置的坩埚电阻炉中进行熔炼，熔炼与浇注过程中，一直采用SF6+CO2混合气体保护；

c) 将上述纯镁锭放入事先预热过的石墨坩埚中，快速加热至650℃±5℃，待纯镁锭完全熔化后，均匀缓慢加热到温度680℃时，去除表面氧化杂质后，加入上述纯铝锭，并继续加热至720℃熔化，此时再加入Mg-Si和Al-Sr中间合金，采用机械搅拌5min，使其充分熔合；

e) 将铸造态碱土镁合金进行T6热处理，得到综合性能较高的ASJ碱土耐热镁合金；

所述的ASJ碱土耐热镁合金型号为AS31J耐热镁合金，碱土锶在耐热镁合金Mg-Al-Si中起到变质细化作用；

所述的T6热处理工艺条件为：420℃-450℃ /4-10h固溶处理+水淬，160-190℃/16-72h人工时效处理。