CN105200292A

CN105200292A - 一种高强度的Mg-Al-Zn合金及其制备方法

Info

Publication number: CN105200292A
Application number: CN201510601668.6A
Authority: CN
Inventors: 李明洋; 耿浩然; 刘晓英
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2035-09-21
Also published as: CN105200292B

Abstract

本发明涉及一种高强度的Mg-Al-Zn合金及其制备方法。本发明高强度的Mg-Al-Zn合金是由以下配比的组分组成(wt%)：8.3%~9.7%Al、0.35%~1.0%Zn、0.1%~0.8%Mn，0.1%~1.0%Cu，其余为镁和不可避免杂质。其中，Mn是以Al-Mn中间合金形式加入，其各组元重量配比为：10%Mn，其余为铝；Cu是以Al-Cu中间合金加入，各组元重量配比为：20%Cu，其余为铝。在Mg-Al-Zn系的AZ91镁合金的基础上，通过调整工艺参数，加入一定量的Cu、Mn元素，既保留了该AZ91镁合金塑性较高的优点，又改善了合金的强度，提高了硬度；采用T6热处理后，AZ91镁合金的强度和硬度进一步提高，使得该发明镁合金的综合力学性能得到明显的提高。

Description

一种高强度的Mg-Al-Zn合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度的Mg-Al-Zn合金材料及其制备方法，属于金属材料类领域。

背景技术

镁合金具有高的比强度和刚度、磁屏蔽性能、切削性能、减震性能、及可回收性，使得镁合金近年来在工业上得到了越来越广泛的应用。其中，又以镁合金在汽车零部件中的应用为重点，以满足汽车工业轻量化的要求。轻量化材料对汽车工业的可持续性发展具有重要意义，它不仅关系到车辆的节能、减排、安全、成本等诸多方面，而且汽车轻量化材料的应用对世界能源、自然资源和环境保护具有深刻的影响，它已成为汽车材料技术发展的主导方向。由于汽车轮毅、发动机和传动机的壳体零部件需要具有较高强度和较高塑性的材料，并且要求耐磨，耐腐蚀，表面光洁度好，能在较恶劣的环境条件下使用，所以镁合金在汽车上的应用是研究应用的热点。Mg-Al-Zn镁合金不仅成本低，而且具有良好的力学性能、铸造性能以及耐腐蚀性能，因此成为镁铝锌系中应用最为广泛的的合金之一，用于制造形状复杂的薄壁铸件，但是制作发动机和传动机的壳体、手动工具等，强度则偏低，综合性能达不到发动机和传动机的壳体零件的使用要求，尤其是强度方面。目前，提高其强度的有效的途径主要有合金化、强化相增强、变质和晶粒细化处理等。研究表明，添加适量的元素能细化镁合金的铸态组织，并具有合金化效果，可以使镁合金的力学性能、延展性和耐腐蚀性等都有所提高，因而引起了人们的积极关注。对Mg-Al-Zn镁合金进行适当的T6热处理，还可产生固溶时效强化作用，提高合金的屈服强度和硬度。

发明内容

本发明针对目前Mg-Al-Zn镁合金强度低的状况，提供了一种Cu、Mn组元复合增强Mg-Al-Zn镁合金材料的制备技术。在Mg-Al-Zn系的AZ91镁合金为基础，以适当工艺加入一定量的Cu和Mn，这样既保留了该系合金较高塑性的优点，又改善了合金的强度和硬度。与传统AZ91铸造镁合金相比，本发明制得的镁合金在综合力学性能方面得到明显提高，合金的抗拉强度、屈服强度、硬度分别达到：165~190MPa、105~121MPa、72~84HB。采用所发明的制备工艺，合金液温度较低，Cu损耗少，Mn容易加入，成分易于控制，从而提升了合金品质。

本发明的特点在于：

通过将Cu、Mn元素添加到Mg-Al-Zn镁合金中，通过弥散强化、细晶强化作用，在不明显降低该系镁合金优良塑性的前提下有效提高了镁合金的强度、硬度等性能。金相组织显示，加入Cu、Mn元素后，连续的网状组织不再粗大，网状组织变得稀疏、细小、分散。合金组织发生明显变化，β相完全呈断续状弥散分布，均匀的分布在基体合金内。网状组织明显减少，有大部分连续状物沿着晶界析出，且基体内断续分布的第二相数量增多，产生弥散强化和细晶强化作用；合金中析出的第二相是其强度的主要贡献部分，但晶界处析出相如果呈连续的网状组织，就会对基体会产生割裂，弥散分布的第二相则对基体的割裂相对要弱，同时断续状分布的的第二相可以产生钉扎位错的作用，即为弥散强化，因此合金的强度硬度得到了提高。Mn元素的添加可以提高合金的耐腐蚀性，细化晶粒。所以Cu、Mn元素产生的复合弥散强化、细晶强化作用是使合金力学性能得到明显提高的主要原因。

本发明是通过以下步骤来实现的：

本发明镁合金是由以下重量配比的组分组成(wt%)：8.3%~9.7%Al、0.35%~1.0%Zn、0.1%~0.8%Mn，0.1%~1.0%Cu，其余为镁和不可避免杂质。其中，Mn是以Al-Mn中间合金的形式加入的，其组元重量配比为：10%Mn，其余为铝；Cu是以Al-Cu中间合金的形式加入，其组元重量配比为：20%Cu，其余为铝。

本发明的镁合金材料最佳的合金成分重量配比为：9.0%Al、1.0%Zn、0.3%Mn、0.5%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

本发明的镁合金的制备方法为：

（1）按重量配比为10%Mn、90%Al为原料，放入石墨-粘土坩埚中，使用中频炉加热熔化，搅拌均匀后，静置5~10分钟后浇注金属型，制得Al-10%Mn中间合金；

（2）按重量配比为20%Cu、80%Al为原料，放入石墨-粘土坩埚中，使用中频炉加热熔化，搅拌均匀后，静置5~10分钟后浇注金属型，制得Al-20%Cu中间合金；

（3）将一定重量配比的Mg锭和Al锭原料，放入钢坩埚中并在电阻炉中加热熔化，当温度达到500℃左右时通入SF₆:CO₂体积比为1:200的气体保护，待合金完全熔化、熔体温度达到720~760℃时，加入预热到100~150℃的Al-10%Mn中间合金、Al-20%Cu中间合金和纯锌锭，待合金完全熔化并将合金液升温至730℃~760℃后，搅拌均匀，加入精炼剂精炼，静置15~25分钟后浇注钢模中凝固成形，得到一种高强度的Mg-Al-Zn镁合金；

（4）合金的T6热处理参数为：固溶温度是410~420℃，时间为14~18h，时效温度是160~170℃，时间为18~24h。

具体实施方式

实施例1

本发明实施例材料的组成重量配比(wt%)为：8.3%Al、0.35%Zn、0.3%Mn、0.1%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

采取以下工艺步骤制得：

(1)制备Al-10%Mn中间合金：按重量配比为10%Mn、90%Al为原料，放入石墨-粘土坩埚中，使用中频炉加热熔化，搅拌均匀后，静置5分钟后浇注金属型，制得Al-10%Mn中间合金；

(2)制备Al-20%Cu中间合金：按重量配比为20%Cu、80%Al为原料，放入石墨-粘土坩埚中，使用中频炉加热熔化，搅拌均匀后，静置5分钟后浇注金属型，制得Al-20%Cu中间合金；

(3)合金熔炼：将以上重量配比的Mg锭和Al锭原料放入钢坩埚中,并在电阻炉中加热熔化，当温度达到500℃时通入SF₆:CO₂体积比为1:200的气体保护，待合金完全熔化、熔体温度达到720℃时，加入预热到100℃的Al-10%Mn中间合金、Al-20%Cu中间合金和纯锌锭，待合金完全熔化并将合金液升温至740℃后，搅拌均匀，加入精炼剂精炼、静置20分钟后浇注钢模中凝固成形，得到该铸造镁合金，所得合金性能见表1。

实施例2

本发明实施例材料的组成重量配比(wt%)为：9.0%Al、1.0%Zn、0.3%Mn，0.9%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

采取以下工艺步骤制得：

(1)按照实施例1步骤1制备Al-10%Mn中间合金；

(2)按照实施例1步骤2制备Al-20%Cu中间合金；

(3)合金熔炼：将以上重量配比的Mg锭和Al锭原料，放入钢坩埚中并在电阻炉中加热熔化，当温度达到500℃时通入SF₆:CO₂体积比为1:200的气体保护，待合金完全熔化、熔体温度达到760℃时，加入预热到150℃的Al-10%Mn中间合金、Al-20%Cu中间合金和纯锌锭，待合金完全熔化并将合金液在760℃保温，搅拌均匀，加入精炼剂精炼、静置16分钟后浇注钢模中凝固成形，得到该铸造镁合金，所得合金性能见表1。

实施例3

本发明实施例材料的组成重量配比(wt%)为：9.0%Al、1.0%Zn、0.3%Mn、0.5%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

采取以下工艺步骤制得：

(1)按照实施例1步骤1制备Al-10%Mn中间合金；

(2)按照实施例1步骤2制备Al-20%Cu中间合金；

(3)合金熔炼：将以上重量配比的Mg锭和Al锭原料，放入钢坩埚中并在电阻炉中加热熔化，当温度达到500℃时通入SF₆:CO₂体积比为1:200的气体保护，待合金完全熔化、熔体温度达到740℃时，加入预热到100℃的Al-10%Mn中间合金、Al-20%Cu中间合金和纯锌锭，待合金完全熔化并将合金液升温至750℃后，搅拌均匀，加入精炼剂精炼、静置20分钟后浇注钢模中凝固成形，得到该铸造镁合金，所得合金性能见表1。

实施例4

本发明实施例材料的组成重量配比(wt%)为：9.0%Al、1.0%Zn、0.1%Mn、0.5%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

采取以下工艺步骤制得：

(1)按照实施例1步骤1制备Al-10%Mn中间合金；

(2)按照实施例1步骤2制备Al-20%Cu中间合金；

(3)合金熔炼：将以上重量配比的Mg锭和Al锭原料，放入钢坩埚中并在电阻炉中加热熔化，当温度达到500℃时通入SF₆:CO₂体积比为1:200的气体保护，待合金完全熔化、熔体温度达到720℃时，加入预热到125℃的Al-10%Mn中间合金、Al-20%Cu中间合金和纯锌锭，待合金完全熔化并将合金液升温至740℃后，搅拌均匀，加入精炼剂精炼、静置20分钟后浇注钢模中凝固成形，得到该铸造镁合金，所得合金性能见表1。

实施例5

本发明实施例材料的组成重量配比(wt%)为：9%Al、1%Zn、0.8%Mn、0.5%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

采取以下工艺步骤制得：

(1)按照实施例1步骤1制备Al-10%Mn中间合金；

(2)按照实施例1步骤2制备Al-20%Cu中间合金；

(3)合金熔炼：将以上重量配比的Mg锭和Al锭原料，放入钢坩埚中并在电阻炉中加热熔化，当温度达到500℃时通入SF₆:CO₂体积比为1:200的气体保护，待合金完全熔化、熔体温度达到750℃时，加入预热到125℃的Al-10%Mn中间合金、Al-20%Cu中间合金和纯锌锭，待合金完全熔化并将合金液升温至760℃后，搅拌均匀，加入精炼剂精炼、静置20分钟后浇注钢模中凝固成形，得到该铸造镁合金，所得合金性能见表1。

实施例6

本发明实施例材料的组成重量配比(wt%)为：9%Al、1%Zn、0.3%Mn、0.5%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

采取以下工艺步骤制得：

(1)按照实施例1步骤1制备Al-10%Mn中间合金；

(2)按照实施例1步骤2制备Al-20%Cu中间合金；

(3)按照实施例3步骤3进行合金熔炼，得到该铸造镁合金；

(4)然后对该铸造镁合金进行T6热处理，固溶温度是410℃，时间为16h，时效温度是168℃，时间为22h，得到热处理态镁合金铸件，所得合金性能见表1。

选取与该实施例合金组元相近的AZ91镁合金作为对比例1，AZ91镁合金的组成成分为：9.0%Al、1.0%Zn，其余为镁。选采用对比例1中的AZ91镁合金，并对其进行与实施例6一致的热处理方式，所得到的热处理态镁合金作为对比例2。对比例和实施例的力学性能对比结果如表1所示。结果表明，铸态下本发明合金比AZ91铸造镁合金的综合力学性能明显提升：抗拉强度最高提高41MPa，提高了27.5%，屈服强度最高提高27MPa，提高了28.7%，硬度最高提高22HB，提高了35.5%。热处理态下，本发明合金比AZ91镁合金的综合力学性能明显提升：抗拉强度提高了29.7%，屈服强度提高了22.3%，硬度提高了40.8%。

表1本发明实施例和对比例的室温力学性能

。

Claims

1.一种高强度的Mg-Al-Zn合金，其特征在于：是由以下重量百分比的材料组成：8.3%~9.7%Al、0.35%~1.0%Zn、0.1%~0.8%Mn，0.1%~1%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

2.权利要求1所述的高强度的Mg-Al-Zn合金，最佳的合金成分配比为：9.0%Al、1.0%Zn、0.3%Mn、0.5%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

3.权利要求1所述的高强度的Mg-Al-Zn合金中，Mn是以Al-Mn中间合金形式加入；Al-Mn中间合金，其特征在于：是由以下重量百分比的材料组成，10%Mn、其余为Al。

4.权利要求1所述的高强度的Mg-Al-Zn合金中，Cu是以Al-Cu中间合金形式加入；Al-Cu中间合金，其特征在于：是由以下重量百分比的材料组成，20%Cu、其余为Al。

5.权利要求1所述的高强度的Mg-Al-Zn合金的制备方法，其特征在于具体工艺步骤为：

（3）将一定重量配比的Mg锭和Al锭原料放入钢坩埚中，并在电阻炉中加热熔化，当温度达到500℃左右时通入SF₆:CO₂体积比为1:200的气体保护，待合金完全熔化、熔体温度达到720~760℃时，加入预热到100~150℃的Al-10%Mn中间合金、Al-20%Cu中间合金和纯锌锭，待合金完全熔化并将合金液升温至730℃~760℃后，搅拌均匀，加入精炼剂精炼，静置15~25分钟后浇注钢模中凝固成形，得到一种高强度的Mg-Al-Zn合金；

（4）对该发明合金进行T6热处理，得到热处理态镁合金。

6.权利要求5所述的T6热处理方法，其特征在于：固溶温度是410~420℃，时间为14~18h，时效温度是160~170℃，时间为18~24h。