CN104694805B - 一种低成本多元耐热镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种低成本多元耐热镁合金及其制备方法 Download PDF

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    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

Abstract

本发明提供一种低成本多元耐热镁合金及其制备方法，各组分及其重量百分数为：Al为4.2～6.7%，Zn为0.5～1.2%，Sr为0.7～0.9%，Ca为0.2～0.8%，Sn为1.1～1.5%，Sb为0.8～1.3%，Mn为0.05～0.4%，Bi为0.2～0.6%，Si为0.4～0.9%，余量为Mg；本发明通过引入适量Sr、Ca、Sn、Sb、Mn、Bi和Si等廉价合金元素，能够显著改善镁合金的高温性能，扩展镁合金的应用范围；本发明提供的镁合金成本较低，熔炼及热处理工艺简单，显微组织均匀，合金力学性能和耐热性能得到显著提高；本发明的合金在固溶+时效处理后，室温抗拉强度最高达到278MPa，150℃时的抗拉强度最高达到236MPa，200℃时的抗拉强度最高达到207MPa。

Description

一种低成本多元耐热镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体的说是一种低成本多元耐热镁合金及其制备方法。
背景技术
镁及镁合金作为现阶段工程应用中最轻的金属结构材料，具有低的密度、高的比强度和比刚度、优异的阻尼减震性能以及良好的散热性，在许多领域都具有非常优异的应用潜力，特别是在航空航天、汽车摩托车和高速轻轨列车以及3C产品方面具有难以替代的应用优势。
目前商用镁合金主要分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。在铸造镁合金中AZ系由于具有室温力学性能优异、流动性好、热烈倾向小、低廉的价格和铸造工艺简单而应用最为广泛，主要有AZ91系列和AM60/50等系列，但是该系列合金存在塑性较差以及高温力学性能较差的缺陷。
为了适应市场的需要，扩大镁合金的应用范围和领域，科研工作对现有的镁合金进行了大量研究，主要利用合金化提高镁合金的室温和高温力学性能，所用的合金化元素主要有稀土元素和碱土元素以及铝、锌、锡等其他元素。先后开发了Mg-Al-Si、Mg-Al-RE、Mg-Al-Ca、Mg-Al-Sn、Mg-Al-Ca-RE、Mg-Al-Th等系列耐热镁合金，然而在上述所研制的各种牌号耐热镁合金中真正得到应用的还非常少，如Mg-Al-RE系列中的AE42合金和Mg-Y-Nd系列中的WE43和WE54，由于该系列合金添加较多的稀土元素，大大提高了合金的价格，合金成本较高限制了其广泛应用，Mg-Al-Ca系列中的AX51受制于合金的铸造性能以及易于形成热裂纹等。而对于含Si的AS41和AS21合金，其组织中存在粗大汉字状的Mg2Si相，损害了其力学性能。因此，有必要研发经济性高、室温和高温力学性能较好的新型耐热镁合金，能够很大程度上扩大镁合金的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本多元耐热镁合金及其制备方法，通过合理优化合金元素，在严格控制合金成本的基础上，旨在提高合金的耐热性能，利用廉价添加物代替稀土等贵重元素，该合金具有良好的力学性能和耐热性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种低成本多元耐热镁合金，各组分及其重量百分数为：Al为4.2～6.7%，Zn为0.5～1.2%，Sr为0.7～0.9%，Ca为0.2～0.8%，Sn为1.1～1.5%，Sb为0.8～1.3%，Mn为0.05～0.4%，Bi为0.2～0.6%，Si为0.4～0.9%，余量为Mg。
一种低成本多元耐热镁合金，各组分及其重量百分数为：Al为4.85%，Zn为0.82%，Sr为0.74%，Ca为0.46%，Sn为1.23%，Sb为1.27%，Mn为0.26%， Bi为0.38%，Si为0.84%，余量为Mg。
一种低成本多元耐热镁合金，各组分及其重量百分数为：Al为5.26%，Zn为1.12%，Sr为0.78%，Ca为0.61%，Sn为1.43%，Sb为0.87%，Mn为0.17%， Bi为0.29%，Si为0.57%，余量为Mg。
一种低成本多元耐热镁合金，各组分及其重量百分数为：Al为6.39%，Zn为0.64%，Sr为0.85%，Ca为0.68%，Sn为1.39%，Sb为1.06%，Mn为0.34%， Bi为0.56%，Si为0.76%，余量为Mg。
一种如上所述的耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述重量百分数称取纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金，备用；
2）将步骤1）称取的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金分别于150~200℃条件下干燥预热2~4h，备用；
3）将步骤2）预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、纯锡粒、纯锑和纯铋在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至720℃时添加Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、Al-Mn中间合金和Al-Si中间合金，保温8~12分钟，待到合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至695~705℃，静置3~5min后将合金液浇注至预热温度为250~300℃的金属型模具中，自然冷却，即得到铸态合金；
4）将步骤3）所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理温度为430~440℃，处理时间为15~20小时，然后用80~100℃的水淬火至室温；时效处理温度为220~260℃，处理时间为16~24小时，然后在空气中冷却至室温，其中固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行。
本发明的有益效果：
本发明提供的镁合金中Al的含量为 4.2～6.7%，Al在Mg中有非常大的固溶度，具有明显的强化作用，其强化作用表现在两方面，一是通过形成Mg17Al12金属间化合物的第二相强化，二是通过Al原子在Mg基体中形成固溶体的固溶强化；本发明提供的镁合金中Zn的量为0.5～1.2%，Zn在镁合金中具有较强的固溶强化和时效强化作用，同时Zn的添加能够提高合金的塑性；本发明通过引入适量Sr、Ca、Sn、Sb、Mn、Bi和Si等廉价合金元素，能够显著改善镁合金的高温性能，扩展镁合金的应用范围；本发明提供的镁合金成本较低，熔炼及热处理工艺简单，显微组织均匀，合金力学性能和耐热性能得到显著提高；本发明的合金在固溶+时效处理后，室温抗拉强度最高达到278MPa，150℃时的抗拉强度最高达到236MPa，200℃时的抗拉强度最高达到207MPa。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。
实施例1
一种低成本多元耐热镁合金，各组分及其重量百分数为：Al为4.85%，Zn为0.82%，Sr为0.74%，Ca为0.46%，Sn为1.23%，Sb为1.27%，Mn为0.26%， Bi为0.38%，Si为0.84%，余量为Mg；
一种如上所述耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述重量百分数称取纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金，备用；
2）将步骤1）称取的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金分别于180℃条件下干燥预热2.5h，备用；
3）将步骤2）预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、纯锡粒、纯锑和纯铋在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至720℃时添加Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、Al-Mn中间合金和Al-Si中间合金，保温10分钟，待到合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至700℃，静置3min，然后将合金液浇注至预热温度为280℃的金属型模具中，即得到铸态合金；
4）将步骤3）所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理温度为430℃，处理时间为13小时，然后用85℃热水淬火至室温；时效处理温度为220℃，处理时间为16小时，然后在空气中冷却至室温，其中固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧，得到低成本多元耐热镁合金，该合金具体力学数据见表1。
实施例2
一种低成本多元耐热镁合金，各组分及其重量百分数为：Al为5.26%，Zn为1.12%，Sr为0.78%，Ca为0.61%，Sn为1.43%，Sb为0.87%，Mn为0.17%， Bi为0.29%，Si为0.57%，余量为Mg；
一种如上所述耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述重量百分数称取纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金，备用；
2）将步骤1）称取的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金分别于185℃条件下干燥预热3h，备用；
3）将步骤2）预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、纯锡粒、纯锑和纯铋在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至720℃时添加Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、Al-Mn中间合金和Al-Si中间合金，保温9分钟，待到合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至695℃，静置5min，然后将合金液浇注至预热温度为270℃的金属型模具中，即得到铸态合金；
4）将步骤3）所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理温度为440℃，处理时间为15小时，然后用90℃热水淬火至室温；时效处理温度为230℃，处理时间为15小时，然后在空气中冷却至室温，其中固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧，得到低成本多元耐热镁合金，该合金具体力学数据见表2。
实施例3
一种低成本多元耐热镁合金，各组分及其重量百分数为：Al为6.39%，Zn为0.64%，Sr为0.85%，Ca为0.68%，Sn为1.39%，Sb为1.06%，Mn为0.34%， Bi为0.56%，Si为0.76%，余量为Mg；
一种如上所述耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述重量百分数称取纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金，备用；
2）将步骤1）称取的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金分别于195℃条件下干燥预热4h，备用；
3）将步骤2）预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、纯锡粒、纯锑和纯铋在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至720℃时添加Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、Al-Mn中间合金和Al-Si中间合金，保温12分钟，待到合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至705℃，静置4min，然后将合金液浇注至预热温度为300℃的金属型模具中，即得到铸态合金；
4）将步骤3）所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理温度为420℃，处理时间为15小时，然后用95℃的热水淬火至室温；时效处理温度为240℃，处理时间为14小时，然后在空气中冷却至室温，其中固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧，得到低成本多元耐热镁合金，该合金具体力学数据见表3。
比较例1
本比较例镁合金是由以下质量百分比的组分组成：5.52%Al，余量为Mg。按所述镁合金的组分含量准备好原料，放置于200℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为3.5小时。将预热后的纯镁锭和纯铝锭在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至710℃保温8分钟，待到合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降至700℃，静置3分钟，然后将合金液浇注至预热的金属型模具中，金属型模具的预热温度为280℃，得到铸态镁合金。将铸态合金进行固溶时效热处理，固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行防止氧化燃烧，固溶处理温度为420℃，处理时间为14小时，热水淬火至室温，热水温度为90℃；时效处理温度为220℃，处理时间为14小时，空冷至室温，得到该比较例镁合金，该合金具体力学数据见表4。
比较例2
本比较例镁合金是由以下质量百分比的组分组成：6.48%Al，余量为Mg，按所述镁合金的组分含量准备好原料，放置于190℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为4小时，将预热后的纯镁锭和纯铝锭在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至710℃保温9分钟，待到合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降至700℃，静置4分钟，然后将合金液浇注至预热的金属型模具中，金属型模具的预热温度为290℃，得到铸态镁合金。将铸态合金进行固溶时效热处理，固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行防止氧化燃烧，固溶处理温度为430℃，处理时间为13小时，热水淬火至室温，热水温度为95℃；时效处理温度为210℃，处理时间为15小时，空冷至室温，得到该比较例镁合金，该合金具体力学数据见表5。
表1 实施例1耐热镁合金的力学性能
表2 实施例2耐热镁合金的力学性能
表3 实施例3耐热镁合金的力学性能
表4 比较例1镁合金的力学性能
表5 比较例2镁合金的力学性能
从表中可以看出，比较例1和2中镁合金未添加Zn、Sr、Ca、Sn、Sb、Mn、Bi和Si时，其室温的拉伸力学性能明显低于实施例1~3，合金元素对镁合金高温（150℃和200℃）力学性能的提高尤为显著。
镁铝系镁合金是目前工业上应用最为广泛的镁合金之一，该系列合金具有优异的室温强度和塑性，优异的铸造和机加工性能，较低的成本，Al元素为该系列合金的第一组分，Al是镁合金最重要的合金元素，在镁中有非常大的固溶度，具有明显的强化作用，其强化作用表面在两方面，一是通过形成Mg17Al12金属间化合物的第二相强化，二是通过Al原子在镁基体中形成固溶体的固溶强化。镁铝系镁合金中含有热稳定性较差的Mg17Al12相，该相易于软化，使得该系列合金的高温性能较差。本发明的镁合金中的Al含量为 4.2～6.7%Al，Zn的量为0.5～1.2%%，Zn在镁合金中具有较强的固溶强化和时效强化作用，同时Zn的添加能够提高合金的塑性；本发明通过引入适量Sr、、Ca、Sn、Sb、Mn、Bi和Si等廉价合金元素，能够显著改善镁合金的高温性能，扩展镁合金的应用范围。

Claims (4)

1.一种低成本多元耐热镁合金的制备方法，该合金各组分及其重量百分数为：Al为4.2～6.7%，Zn为0.5～1.2%，Sr为0.7～0.9%，Ca为0.2～0.8%，Sn为1.1～1.5%，Sb为0.8～1.3%，Mn为0.05～0.4%，Bi为0.2～0.6%，Si为0.4～0.9%，余量为Mg，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
1）按照上述重量百分数称取纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金，备用；
2）将步骤1）称取的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、纯锡粒、纯锑、Al-Mn中间合金、纯铋和Al-Si中间合金分别于150~200℃条件下干燥预热2~4h，备用；
3）将步骤2）预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锌粒、纯锡粒、纯锑和纯铋在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至720℃时添加Mg-Sr中间合金、Mg-Ca中间合金、Al-Mn中间合金和Al-Si中间合金，保温8~12分钟，待到合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至695~705℃，静置3~5min后将合金液浇注至预热温度为250~300℃的金属型模具中，自然冷却，即得到铸态合金；
4）将步骤3）所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理温度为430~440℃，处理时间为15~20小时，然后用80~100℃的水淬火至室温；时效处理温度为220~260℃，处理时间为16~24小时，然后在空气中冷却至室温，其中固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行。
2. 如权利要求1所述的低成本多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，各组分及其重量百分数为：Al为4.85%，Zn为0.82%，Sr为0.74%，Ca为0.46%，Sn为1.23%，Sb为1.27%，Mn为0.26%， Bi为0.38%，Si为0.84%，余量为Mg。
3. 如权利要求1所述的低成本多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，各组分及其重量百分数为：Al为5.26%，Zn为1.12%，Sr为0.78%，Ca为0.61%，Sn为1.43%，Sb为0.87%，Mn为0.17%， Bi为0.29%，Si为0.57%，余量为Mg。
4. 如权利要求1所述的低成本多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，各组分及其重量百分数为：Al为6.39%，Zn为0.64%，Sr为0.85%，Ca为0.68%，Sn为1.39%，Sb为1.06%，Mn为0.34%， Bi为0.56%，Si为0.76%，余量为Mg。
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