CN105420577B

CN105420577B - 一种高强度的镁合金及其制备方法

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Publication number: CN105420577B
Application number: CN201510988074.5A
Authority: CN
Inventors: 张亚琴; 刘德茂; 李远发; 劉海平; 高海亮; 黃春生; 黄维中; 宋卓能
Original assignee: KA SHUI TECHNOLOGY (HUIZHOU) Co Ltd
Current assignee: KA SHUI TECHNOLOGY (HUIZHOU) Co Ltd
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: CN105420577A

Abstract

本发明公开了一种高强度的镁合金，按重量百分比记，包括以下的组分：Al 6.0~7.5%，Mn 0.15~0.5%，Ca 1.5~2.3%，Sr 0.3~0.8%，Y 0.1~0.3%，杂质元素Be≤0.1%，Cu≤0.03%，Ni≤0.002%，Fe≤0.005%，Si≤0.005%，其余为Mg。本发明在屈服方面比较突出，常温下抗拉强度为263Mpa（较AZ91D高5%），屈服强度为196.5Mpa（较AZ91D高16%），延伸率为7%（与AZ91D相同），克服了常规镁合金（AZ91D）力学性能低的缺陷，可用于汽车承重件及3C产业承重件的产品运用。

Description

一种高强度的镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金领域，更具体地，涉及一种一种高强度的镁合金及其制备方法。

背景技术

在汽车工业中，汽车节能、环保、安全舒适、电子化是汽车市场的刚性追求，也是技术发展的必然趋势，而轻量化是其中应有之义。汽车轻量化设计是指在保证汽车产品使用、安全等性能和成本控制的前提下，依靠材料轻量化、设计技术轻量化和制造技术轻量化的有机结合。无论汽车采用什么能源，轻量化是实现高速、安全、环保、舒适的最佳途径。研究数据表明，汽车质量每下降10%，能耗约下降3%~5%，换句话说，汽车重量每减少100kg，百公里油耗可下降0.3~0.5升，由此既能节省用户成本，又有利于减少尾气排放，起到环保的作用。

镁合金是迄今为止最轻的金属结构材料，其密度仅相当于铝的2/3，钢的1/4，使其拥有很高的比强度及比刚度。另外，镁合金还具有良好的阻尼减震性、机械加工性、尺寸稳定性和易回收等特点，使其被广泛运用于汽车制造、3C产业和航空航天等方面。与此同时，我国储藏丰富的镁资源，为我国镁工业的可持续发展提供了物质保证。

因此，镁合金材料将是汽车轻量化的一个重要技术选择方向。

目前，汽车市场上已使用的镁合金配件主要是非承重件，如汽缸盖、油底壳和座椅等，在承重件方面，还未发现镁合金被广泛运用于汽车市场上。究其原因，主要是镁合金的强度不能满足汽车承重件的要求。考虑到汽车配件的复杂性，较多配件均需要使用压铸的成型工艺。综上因素分析，汽车市场上亟待开发一种低成本高强高韧压铸镁合金。

通过文献检索，得到以下文献与本发明最为接近：

文献1：《一种高强高韧性铸造镁合金》申请号：200710019465.1，涉及到一种Mg-Al-Y-Ca铸造镁合金。

文献2：《一种高强度耐热压铸镁合金及其制备方法》申请号：200710011019.6，涉及到一种Mg-Al-Y-Ca压铸镁合金。

从上述文献及其他相关文献中了解到：目前对镁合金材料的研究主要在于提高合金的强韧性以及耐热性能。针对上述技术难题，常用的解决方法是通过添加微量元素细化Mg-Al系合金的晶粒提高材料的强韧性能，并减少Mg17Al12低温相从而提高材料的耐热性能。

根据上述专利文献1中的合金成分为（按重量百分比）：5.0-6.0%Al，1.0-2.0%Ca，0.15-0.25%Ti，0.5-1.0%Y，余量为Mg，通过熔炼、浇铸成型。

根据上述专利文献2中的合金成分为（按重量百分比）：Al8.5-9.5%，0.4-0.9Zn，0.1-0.4Mn，Ca0.5-1.5%，Y0.5-1.5%，杂质元素Si≤0.02，Fe≤0.003，Ni≤0.003，Cu≤0.003,余量为Mg。

发明内容

本发明的目的在于获得一种组织致密、强度高，铸造成型性能好的镁合金。

根据以上目的，首先提供一种高强度的镁合金，其特征在于，按重量百分比记，包括以下的组分：Al 6.0~7.5%，Mn 0.15~0.5%，Ca 1.5~2.3%，Sr 0.3~0.8%，Y 0.1~0.3%，杂质元素Be≤0.1%，Cu≤0.03%，Ni≤0.002%，Fe≤0.005%，Si≤0.005%，其余为Mg。

优选的，包括以下的组分：Al 6.3~7.9%，Mn 0.15~0.3%，Ca 1.8~2.0%，Sr 0.3~0.8%，Y 0.1~0.3%。

根据需求再提供一种上述的高强度的镁合金的制备方法，包括以下步骤，

S1. 将金属Mg、金属Al、Mn、Ca、Mg-Y和Mg-Sr进行预热；

S2. 将预热好的金属Mg、Mn和Mg-Ca在保护气体下熔炼，得到镁合金中间液；

S3. 将S2所述的的镁合金中间液和S1所得的预热好的金属Al、Mg-Y和Mg-Sr进行合金化，得镁合金液，

S4. 将S3所得的镁合金液压铸，即得镁合金。

S2所述的熔炼的温度为720~760℃，所述的保护气体为N₂和SF₆的混合气体，其中，N₂的流量为0.8~1.8m3/H，SF₆的流量为0.25~0.65ml/min。

S3所述的合金化的加料顺序依次是Mg-Sr、Mg-Y和金属Al，加料的温度为700~730℃，加料间隔为5~10 min。

所述的Mn为Mn粉末或Mg-Mn；所述的Ca为Ca粉末或Mg-Ca。

将S3所得的镁合金液依次进行搅拌，保温，第一次打渣，精炼，降温，静置，第二次打渣。

所述的加料温度均为700~730℃，加料间隔时间为5~10min；所述的搅拌温度为700~730℃，搅拌时间为10~25min；所述的保温的温度为700~730℃，保温时间为15~30min；所述的精炼温度为680~720℃，精炼时间为10~30min，Ar流量为0.1~0.5 m3/H；所述的静置温度为670~700℃，静置时间为20~60min。

S4所述的压铸的温度为670~710℃。

所述的金属Mg的纯度不低于99.7%。

本发明具有以下优点：

1. 本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金具有高强度，尤其是在屈服方面比较突出，常温下抗拉强度为263Mpa（较AZ91D高5%），屈服强度为196.5Mpa（较AZ91D高16%），延伸率为7%（与AZ91D相同），克服了常规镁合金（AZ91D）力学性能低的缺陷，可用于汽车承重件及3C产业承重件的产品运用。

2. 本发明使用的稀土含量极少，大大降低合金的生产成本。

3. Ca的质量含量优选为1.8~2.0%，其通过变质作用细化合金晶粒，显著提高合金的屈服强度，同时氧化生成的CaO和MgO薄膜起到阻燃效果；Mn的质量含量优选为0.15~0.30%，其主要作用是降低了有害杂质元素Fe的含量；Y的质量含量优选为0.1~0.2%，其通过变质作用明显细化合金晶粒，综合提高材料的拉伸性能。

为了更合理的说明本发明，进行以下论述。

本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，Al的质量含量优选为6.3~6.9%，其提高了镁合金的力学性能和铸造性能。在本发明中，所述Al优选以金属形式添加；当以金属Al添加时，所述金属Al的纯度优选为不低于99.7%；在本发明中，金属Al的烧损率优选按照8%计算。

本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，Mn的质量含量优选为0.15~0.30%，其主要作用是降低了有害杂质元素Fe的含量。在本发明中，所述Mn优选为纯Mn粉或Mg-Mn的形式添加；当以Mg-Mn的形式添加时，所述Mn在Mg-Mn中间合金中的质量含量优选为3~5%；在本发明中，所述Mg-Mn中间合金需要优先预计0.15%的除铁使用量，烧损率优选按照4%计算。

本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，Ca的质量含量优选为1.8~2.0%，其通过变质作用细化合金晶粒，显著提高合金的屈服强度，同时氧化生成的CaO和MgO薄膜起到阻燃效果。在本发明中，所属Ca优选以金属Ca或Mg-Ca中间合金形式添加；当以Mg-Ca中间合金形式添加时，所述Ca在Mg-Ca中间合金中的质量含量优选为18~22%；在本发明中，所述Mg-Ca中间合金的烧损率优先按照20%计算。

本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，Sr的质量含量优选为0.35~0.65%，其改善了合金的流动性及综合力学性能。在本发明中，所述Sr优选以金属Sr或Mg-Sr中间合金形式添加；当以Mg-Sr中间合金形式添加时，所述Sr在Mg-Sr中间合金中的质量含量优选为18~22%；在本发明中，所述Mg-Sr中间合金的烧损率优选按照20%计算。

本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，Y的质量含量优选为0.1~0.2%，其通过变质作用明显细化合金晶粒，综合提高材料的拉伸性能。在本发明中，所述Y优选以金属Y或Mg-Y中间合金形式添加；当以Mg-Y中间合金形式添加时，所述Y在Mg-Y中间合金中的质量含量优选为23~27%；在本发明中，所述Mg-Y中间合金的烧损率优选按照25%计算。

本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中还含有余量的Mg，所述Mg以金属Mg的形式添加，所述金属Mg的纯度优选为不低于99.7%。

本发明还提供了一种上述技术方案所述低成本高强碱土及稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1）将金属Mg、金属Al、Mg-Mn、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Sr合金原料预热；

2）将预热好的金属Mg、Mg-Mn和Mg-Ca在保护气体下熔炼，得到中间镁合金液；

3）将所述步骤（2）中得到的镁液进行合金化，得到镁合金液；

4）将所述步骤（3）中得到的镁合金液进行搅拌、保温及打渣，得到均匀化的镁合金液；

5）将所述步骤（4）中得到的镁合金液进行精炼、降温、静置及打渣，得到纯净且均匀化的镁合金液；

6）将所述步骤（5）中得到的镁合金液进行压铸，得到镁合金试样。

本发明将金属Mg、金属Al、Mg-Mn、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Sr合金原料进行预热。本发明对所述的预热操作没有特殊限制，采用本领域技术人员常用的预热技术方案即可。本发明优选在烤箱中进行预热。在本发明中，所述预热温度优选为300~330℃，更优选为310~320℃；所述预热时间优选为0.5~1.5H，更优选为1.0~1.5H。在本发明中，所述预热作用是除去金属Mg、金属Al、Mg-Mn、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Sr合金原料中的水分，降低合金加入熔体中爆炸的危险性，同时降低中间合金加入熔体时因温差过大产生的燃烧的现象。

本发明将预热好的金属Mg、Mg-Mn和Mg-Ca在保护气体下熔炼，得到中间合金液。本发明对所述的熔炼操作没有特殊限制，采用本领域技术人员常用的熔炼技术方案即可。在本发明中，优选对熔炼设备及操作工具进行预热，所述预热温度优选为300~450℃，更优选为390~410℃。在本发明中，所述熔炼温度优选为720~760℃，更优选为725~735℃。在本发明中，所述获得的中间合金液的作用是减少纯镁的燃烧。在本发明中，所述熔炼过程优选在保护气体下进行；本发明中所述保护气体优选为N₂和SF₆的混合气体，N₂的流量优选为0.8~1.8m3/H，更优选为0.9~1.1 m³/H；SF₆的流量为0.25~0.65ml/min，更优选为0.3~0.4ml/min。在本发明中，所述保护气体的作用是保护镁合金液不受氧化。

本发明将中间镁合金液进行合金化，得到镁合金液。本发明对所述的合金化操作需要防止金属Al直接与坩埚接触，降低铁制坩埚被Al腐蚀的可能，其他合金采用本领域技术人员常用的合金化技术方案即可。在本发明中，所述合金化的操作顺序优选为依次加入Mg-Sr、Mg-Y、金属Al；优选温度均为700~730℃，更优选为710~720℃；加料间隔时间优选为5~10min，更优选为5~7min。在本发明中，合金化可以使中间合金完全熔化。

本发明将镁合金液搅拌并保温，捞掉底渣并扒去浮渣，得到均匀化的镁合金液。本发明对所述的搅拌、保温和打渣操作没有特殊限制，采用本领域技术人员常用的搅拌、保温和打渣技术方案即可。在本发明中，所述搅拌为人工搅拌，搅拌温度优选为700~730℃，更优选为710~720℃；搅拌时间优选为15~25min，更优选为15~17min。在本发明中，保温温度温优选为700~730℃，更优选为710~720℃；保温时间优选为15~30min，更优选为25~30min。在本发明中，通过搅拌、保温和打渣可以获得成分较为均匀、含渣量较少的镁合金液。

本发明将均匀化的镁合金液精炼、降温、静置及打渣，得到纯净且均匀化的镁合金液。本发明对所述的精炼、降温、静置及打渣操作没有特殊限制，采用本领域技术人员常用的精炼、降温、静置及打渣技术方案即可。在本发明中，所述精炼优选采用气体或精炼剂精炼，本发明使用Ar精炼。在本发明中，所述精炼温度优选为680~720℃，更优选为700~710℃；精炼时间优选为10~30min，更优选为15~20min；Ar流量优选为0.1~0.5 m³/H，更优选为0.2~0.3 m³/H。在本发明中，所述静置温度优选为670~700℃，更优选为675~685℃；静置时间优选为20~60min，更优选为30~35min。在本发明中，通过精炼、降温、静置及打渣可以获得成分均匀且含有极少量夹杂的镁合金液。

本发明优选在精炼后对镁合金液进行成分分析。本发明对所述成分分析的操作没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的成分分析的技术方案即可。本发明优选在镁合金熔体中间部位取样进行成分分析。在本发明中，优选采用直读光谱仪或使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）进行成分分析。若成分不合格，按照合金化方法进行成分调整至成分合格。

得到成分均匀且含有极少量夹杂的镁合金液后，本发明对所述纯净的镁合金液进行压铸，得到低成本高强碱土及稀土镁合金试样。本发明对所述压铸的操作没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的压铸技术方案即可。在本发明中，压铸时镁合金液温度优选为670~710℃，更优选为675~685℃。在本发明的实施实例中，所述压铸设备具体为280T冷试铸锻双控压铸机。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细说明本发明。除非特别说明，本发明采用的试剂、设备和方法为本技术领域常规市购的试剂、设备和常规使用的方法。

实施例1

（1）配料：称取金属Mg71kg；按6.5%的质量含量和8%的烧损率称取金属Al中间合金7kg；按0.4%的质量含量和25%的烧损率称取Mg-Y中间合金2kg，其中Y元素所占合金比例为25%；按1.8%的质量含量和20%的烧损率称取Mg-Ca中间合金9.9kg，其中Ca元素所占合金比例为20%；按0.6%的质量含量和20%的烧损率称取Mg-Sr中间合金3.6kg，其中Sr元素所占合金比例为20%；按0.4%的质量含量及0.15%除铁消耗的质量含量和4%的烧损率称取Mg-Mn中间合金11.5kg，其中Mn元素所占合金比例为5%；

（2）预热：将上述物料置于烤箱中预热至310℃；

（3）熔炼：将预热好的金属Mg装入400℃预热好的坩埚中，并在氮气和六氟化硫混合气体保护下将坩埚内温度升至730℃，N₂的流量为1.0m³/H，SF₆的流量为30ml/min，使所述金属Mg、Mg-Mn中间合金和Mg-Ca中间合金熔化；

（4）合金化：控制镁液温度为715℃，依次加入经预热好的Mg-Sr中间合金、Mg-Y中间合金、金属Al，每熔化一种合金后，进行人工搅拌3min，然后再静置5min。

（5）搅拌保温：待加完中间合金后，继续控制镁液温度为715℃进行人工搅拌15min，待搅拌完后捞掉底部沉渣并扒去表面浮渣，然后继续在715℃保温20min。

（6）精炼静置：在705℃时往熔炉底部以上10cm的位置通入流量为0.2 m³/H的氩气，持续时间为20min，待精炼完后降温并同时静置，静置时间为40min，以便杂质沉淀，待完成静置后，捞掉表面浮渣；

（7）成份分析：取部分熔汤，浇注成光谱分析试样，并进行成份分析，若成份不符合目标成分要求，则重复步骤（4），直至成份符合要求；

（8）将熔炼好的合金在680℃进行压铸。

实施例2

（1）配料：称取金属Mg 76.7kg；按7.2%的质量含量和8%的烧损率称取金属Al中间合金7.8kg；按0.1%的质量含量和25%的烧损率称取Mg-Y中间合金0.5kg，其中Y元素所占合金比例为25%；按2.1%的质量含量和20%的烧损率称取Mg-Ca中间合金11.6kg，其中Ca元素所占合金比例为20%；按0.2%的质量含量和20%的烧损率称取Mg-Sr中间合金1.2kg，其中Sr元素所占合金比例为20%；按0.2%的质量含量及0.15%除铁消耗的质量含量和4%的烧损率称取Mg-Mn中间合金7.3kg，其中Mn元素所占合金比例为5%；

（2）预热：将上述物料置于烤箱中预热至310℃；

（3）熔炼：将预热好的金属Mg装入400℃预热好的坩埚中，并在氮气和六氟化硫混合气体保护下将坩埚内温度升至730℃，N₂的流量1.0m³/H，SF₆的流量为30ml/min，使所述金属Mg、Mg-Mn中间合金和Mg-Ca中间合金熔化；

（4）合金化：控制镁液温度为715℃，依次加入经预热的Mg-Sr中间合金、Mg-Y中间合金、金属Al，每熔化一种合金后，进行人工搅拌3min，然后再静置5min。

（6）精炼静置：在705℃时往熔炉底部往上10cm的位置通入流量为0.2 m³/H的氩气，持续时间为20min，待精炼完后降温并同时静置，静置时间为40min，以便杂质沉淀，待完成静置后，捞掉表面浮渣；

（8）将熔炼好的合金在680℃进行压铸。

将实施例1和2中得到的试样进行拉伸性能测试，测试标准为GB/T221.8-2010，得到的拉伸测试结果见表1。

表1 拉伸测试结果

编号	抗拉强度/Mpa	屈服强度/Mpa	延伸率/%
				AZ91D	250	160	7
实例1	263	197	7
				实例2	256	194	6

由以上实施实例可以看出，本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金具有良好的拉伸性能。

Claims

1.一种高强度的镁合金的制备方法，其特征在于，所述高强度的镁合金，按重量百分比记，包括以下的组分：Al6.0~7.5%，Mn0.15~0.5%，Ca1.5~2.3%，Sr0.3~0.8%，Y0.1~0.3%，杂质元素Be≤0.1%，Cu≤0.03%，Ni≤0.002%，Fe≤0.005%，Si≤0.005%，其余为Mg；所述高强度的镁合金的制备方法，

包括以下步骤，

S1.将金属Mg、金属Al、Mn、Ca、Mg-Y和Mg-Sr进行预热；

S2.将预热好的金属Mg、Mn和Ca在保护气体下熔炼，得到镁合金中间液；

S3.将S2所述的的镁合金中间液和S1所得的预热好的金属Al、Mg-Y和Mg-Sr进行合金化，得镁合金液；

S4.将S3所得的镁合金液压铸，即得镁合金；

S3所述的合金化的加料顺序依次是Mg-Sr、Mg-Y和金属Al，加料的温度为700~730℃，加料间隔为5~10min；

将S3所得的镁合金液依次进行搅拌，保温，第一次打渣，精炼，降温，静置，第二次打渣；

所述的搅拌温度为700~730℃，搅拌时间为10~25min；所述的保温的温度为700~730℃，保温时间为15~30min；所述的精炼温度为680~720℃，精炼时间为10~30min，Ar流量为0.1~0.5m³/h；所述的静置温度为670~700℃，静置时间为20~60min；

S4所述的压铸的温度为670~710℃。

2.根据权利要求1所述的高强度的镁合金的制备方法，其特征在于，所述高强度的镁合金，按重量百分比记，包括以下的组分：Al6.3~7.5%，Mn0.15~0.3%，Ca1.8~2.0%，Sr0.3~0.8%，Y0.1~0.3%。

3.根据权利要求1所述的高强度的镁合金的制备方法，其特征在于，S2所述的熔炼的温度为720~760℃，所述的保护气体为N₂和SF₆的混合气体，其中，N₂的流量为0.8~1.8m³/h，SF₆的流量为0.25~0.65ml/min。

4.根据权利要求1所述的高强度的镁合金的制备方法，其特征在于，所述的Mn为Mn粉末或Mg-Mn；所述的Ca为Ca粉末或Mg-Ca。

5.根据权利要求1所述的高强度的镁合金的制备方法，其特征在于，所述的金属Mg的纯度不低于99.7%。