CN105603281A - 低成本高性能Mg-Al-Mn镁合金 - Google Patents

低成本高性能Mg-Al-Mn镁合金 Download PDF

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Abstract

本发明涉及低成本高性能Mg-Al-Mn镁合金，其成分含量为：Al？0.5～9.0？wt.%，Mn？1.0～5.0？wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质。本发明提出的Mg-Al-Mn三元合金是一种不含稀土元素的高性能铸造镁合金和变形镁合金，所采用的原料都是相对廉价的工业纯铝和镁锰中间合金；变形镁合金的制备步骤包括：先融化Mg，然后加入Al和Mg-Mn中间合金，通过搅拌、精炼处理后浇注成铸锭，机加工后再进行均匀化热处理，采用挤压、轧制、锻造等热加工变形工艺，得到相应的变形型材。采用熔炼工艺，制备出强度、韧性和耐腐蚀性能都较好的新型镁合金，其变形态的强度、塑韧性等机械性能优于传统的商用变形镁合金AZ31，铸态综合机械性能优于传统的商用铸造镁合金AZ91和AM60。

Description

低成本高性能Mg-Al-Mn镁合金
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种新型的Mg-Al-Mn合金及其制备方法。
背景技术
随着科技的不断进步，经济的不断发展，导致石油、煤炭等资源的消耗日渐增多，不断加剧了环境恶化，尤其是汽车工业的不断发展壮大，消耗了大量的钢铁、铝合金、石油等资源，加剧了温室气体的排放，导致全球气候变暖。因此，大力发展轻质结构材料以降低资源的消耗，减少温室气体的排放，已成为材料科学研究的重点和热点。在现有的结构材料中，镁及镁合金以其较低的密度、较高的比强度和比刚度、易机加工成形、易回收再利用以及资源蕴藏量大等优点，逐渐成为新材料研发的热点。目前，广泛使用的商用镁合金主要有含Al的AZ系镁合金、含Zn和Zr的ZK系镁合金以及含有Y、Gd等稀土元素的镁合金，如WE系镁合金。其中，AZ系镁合金的室温性能较为优异，但合金的耐腐蚀性能和高温稳定性能较差；ZK系镁合金的高温性能优异，但合金在熔炼过程中合金元素Zr烧损严重，导致成本较高，不利于合金的进一步发展和应用；WE系镁合金的室温延展性较为优异，但合金中稀土元素含量较高且价格昂贵，导致合金成本高，多用于军工领域，不利于合金的发展及应用。
因此，迫切需要开发不含稀土的高性能镁合金，不仅具有较为优异的室温力学性能，还具有良好的耐腐蚀性能。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种不含稀土的低成本高性能镁合金，本发明还提供所述镁合金的制备方法。
实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种新型的低成本高性能Mg-Al-Mn镁合金，其特征在于，其成分含量为：Al0.5～9.0wt.%，Mn1.0～5.0wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质。
本发明还提供所述低成本高性能Mg-Al-Mn变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1）熔炼铸锭：按上述组份配取原料，在覆盖剂的保护下，先对Mg在700℃～750℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的Al和Mg-Mn中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌5～10分钟，将熔体在750℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣，然后将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟，在720℃的条件下浇注至预热到250～350℃的铁模中，制备出镁合金铸锭，然后将所得到的合金铸锭采用简单的机加工工艺，制备出相应的铸造合金型材；
2）均匀化处理：将步骤1)所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在350～450℃的条件下均匀化处理16～20小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样；
3）热塑性变形：将步骤2)所均匀化处理后的镁合金铸锭试样，去除表面氧化皮后在250～450℃下预热2小时，在250～450℃下进行挤压、轧制、锻造等热塑性变形工艺；挤压比为5:1～30:1，挤压速度为0.9～1.2m/min。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出的Mg-Al-Mn三元合金是一种新型的不含稀土元素的高性能铸造镁合金和变形镁合金，所采用的原料都是相对廉价的工业纯铝和镁锰中间合金，采用较为简单的熔炼工艺，制备出强度、韧性和耐腐蚀性能都较好的新型铸造镁合金，其综合机械性能优于传统的商用铸造镁合金AZ91和AM60。同时，本发明得到的铸造镁合金铸锭采用较为简单的挤压、轧制、锻造等热塑性变形工艺，得到了强度、热韧性和耐腐蚀性能都较好的新型变形镁合金，其综合机械性能优于传统的商用变形镁合金AZ31。
2、本发明提出的Mg-Al-Mn三元合金，在Mg-Al-Mn三元体系中，Al在Mg中的固溶度达到了12.7wt.%，Mn在Mg中的固溶度极低，只有2.2wt.%。本发明所涉及的合金体系中，不仅有Mg-Al相（Mg17Al12和Mg2Al3）和Al-Mn相（Al12Mn、Al6Mn、Al4Mn、Al11Mn4和Al8Mn5），还存在着Al18Mg3Mn2三元化合物，但该三元化合物为高温相，随着温度的逐步降低，将转变为稳定的Mg-Al相和Al-Mn相。因此，在所涉及的合金体系中，存在着α-Mg、Mg17Al12和Al-Mn相。其中，Al在Mg合金中不仅可以起到固溶强化的作用，还可以和基体α-Mg形成Mg17Al12、同元素Mn形成Al12Mn、Al6Mn、Al4Mn、Al11Mn4和Al8Mn5等Al-Mn相改善合金的强度，起到显著的析出强化作用。此外，Al元素和Mg17Al12、Al8Mn5等析出相能明显抑制合金晶粒的长大，起到显著的细晶强化作用。采用传统的铸造工艺，制备出强度和韧性都较好的Mg-Al-Mn铸造镁合金。
3、本发明所用的原料都相对廉价的工业纯铝和镁锰中间合金原料，采用铸造工艺，制备出强度和韧性都较好的新型铸造镁合金，该合金的综合机械性能优于成本相当的传统的商用镁合金AZ91和AM60。同时，合金铸锭通过挤压、轧制、锻造等变形工艺所制备的Mg-Al-Mn变形镁合金，其强度、韧性以及成形性等机械性能优于传统的商用镁合金AZ31。所述工艺方法操作简单，工艺参数易控制，适宜于工业化大生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
需要说明的是，以下各实施例中所述工业纯镁和工业纯铝纯度都在99%以上；锰是以10%的镁锰中间合金的形式添加；覆盖剂采用现有的商用五号覆盖剂，其成分是：MgCl2=24-30%，KCl=20-26%，CaF2=13-15%，BaCl2=12-16%，NaCl+CaCl2 <8%，不溶物<1.5%，MgO<1.5%，含水<2%；精炼剂采用六氯乙烷或氩气。
一、一种新型Mg-Al-Mn变形镁合金
一种新型低成本Mg-Al-Mn镁合金，其成分含量为：Al0.5～9.0wt.%，Mn1.0～5.0wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质。
二、低成本高性能Mg-Al-Mn铸造镁合金的制备方法如下。
实施例1：
一种低成本高性能Mg-Al-Mn铸造镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1、按照重量百分比称取：工业纯铝（Al）0.5%；纯锰（Mn）1%（以镁锰中间合金加入，其中镁锰含量比为9：1）；余量为工业纯镁Mg。
2、在覆盖剂的保护下，先对Mg在750℃进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的Al和Mg-Mn中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌5～10分钟，将熔体在750℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣，然后将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟，在720℃的条件下浇注至预热到280℃的铁模中，制备出镁合金铸锭，然后将所得到的合金铸锭采用简单的机加工工艺，制备出相应的铸造合金型材。
该合金抗拉强度为：165MPa；屈服强度为：70MPa；延伸率为：12%。
实施例2：
一种低成本高性能Mg-Al-Mn铸造镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1、按照重量百分比称取：工业纯铝（Al）3%；纯锰（Mn）1%（以镁锰中间合金加入，其中镁锰含量比为9：1）；余量为工业纯镁Mg。
2、在覆盖剂的保护下，先对Mg在750℃进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的Al和Mg-Mn中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌5～10分钟，将熔体在750℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣，然后将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟，在720℃的条件下浇注至预热到300℃的铁模中，制备出镁合金铸锭，然后将所得到的合金铸锭采用简单的机加工工艺，制备出相应的铸造合金型材。
该合金抗拉强度为：185MPa；屈服强度为：80MPa；延伸率为：15%。
实施例3：
一种低成本高性能Mg-Al-Mn铸造镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1、按照重量百分比称取：工业纯铝（Al）6%；纯锰（Mn）3%（以镁锰中间合金加入，其中镁锰含量比为9：1）；余量为工业纯镁Mg。
2、在覆盖剂的保护下，先对Mg在750℃进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的Al和Mg-Mn中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌5～10分钟，将熔体在750℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣，然后将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟，在720℃的条件下浇注至预热到300℃的铁模中，制备出镁合金铸锭，然后将所得到的合金铸锭采用简单的机加工工艺，制备出相应的铸造合金型材。
该合金抗拉强度为：220MPa；屈服强度为：120MPa；延伸率为：17%。
实施例4：
一种低成本高性能Mg-Al-Mn铸造镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1、按照重量百分比称取：工业纯铝（Al）9%；纯锰（Mn）3%（以镁锰中间合金加入，其中镁锰含量比为9：1）；余量为工业纯镁Mg。
2、在覆盖剂的保护下，先对Mg在750℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的Al和Mg-Mn中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌5～10分钟，将熔体在750℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣，然后将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟，在720℃的条件下浇注至预热到320℃的铁模中，制备出镁合金铸锭，然后将所得到的合金铸锭采用简单的机加工工艺，制备出相应的铸造合金型材。
该合金抗拉强度为：235MPa；屈服强度为：130MPa；延伸率为：13%。
表1.Mg-Al-Mn铸造镁合金对比表（表1中成份单位为wt.%）。
三、低成本高性能Mg-Al-Mn变形镁合金的制备方法如下。
实施例5：
一种新型低成本高性能Mg-Al-Mn变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1、按照重量百分比称取：工业纯铝（Al）1%；纯锰（Mn）1%（以镁锰中间合金加入，其中镁锰含量比为9：1）；余量为工业纯镁Mg。
2、在覆盖剂的保护下，先对Mg在750℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的Al和Mg-Mn中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌5～10分钟，将熔体在750℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣，然后将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟，在720℃的条件下浇注至预热到260℃的铁模中，制备出镁合金铸锭。
3、均匀化处理：所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在360℃的条件下均匀化处理20小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样；
4、热塑性变形：均匀化处理后的镁合金铸锭试样，去除表面氧化皮后在260℃下预热2小时，在280℃下进行挤压、轧制、锻造等热塑性变形工艺；挤压比为30:1，挤压速度为0.9m/min。
该合金抗拉强度为：300MPa；屈服强度为：280MPa；延伸率为：33%。
实施例6：
一种新型低成本高性能Mg-Al-Mn变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1、按照重量百分比称取：工业纯铝（Al）3%；纯锰（Mn）1%（以镁锰中间合金加入，其中镁锰含量比为9：1）；余量为工业纯镁Mg。
2、同实施例2。
3、均匀化处理：所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在380℃的条件下均匀化处理20小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样；
4、热塑性变形：均匀化处理后的镁合金铸锭试样，去除表面氧化皮后在280℃下预热2小时，在300℃下进行挤压、轧制、锻造等热塑性变形工艺；挤压比为20:1，挤压速度为1.0m/min。
该合金抗拉强度为：270MPa；屈服强度为：200MPa；延伸率为：20%。
实施例7：
一种新型低成本高性能Mg-Al-Mn变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1、按照重量百分比称取：工业纯铝（Al）6%；纯锰（Mn）3%（以镁锰中间合金加入，其中镁锰含量比为9：1）；余量为工业纯镁Mg。
2、同实施例3。
3、均匀化处理：所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在400℃的条件下均匀化处理20小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样；
4、热塑性变形：均匀化处理后的镁合金铸锭试样，去除表面氧化皮后在330℃下预热2小时，在350℃下进行挤压、轧制、锻造等热塑性变形工艺；挤压比为15:1，挤压速度为1.1m/min。
该合金抗拉强度为：310MPa；屈服强度为：230MPa；延伸率为：18%。
实施例8：
一种新型低成本高性能Mg-Al-Mn变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1、按照重量百分比称取：工业纯铝（Al）9%；纯锰（Mn）3%（以镁锰中间合金加入，其中镁锰含量比为9：1）；余量为工业纯镁Mg。
2、同实施例4。
3、均匀化处理：所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在450℃的条件下均匀化处理20小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样；
4、热塑性变形：均匀化处理后的镁合金铸锭试样，去除表面氧化皮后在380℃下预热2小时，在400℃下进行挤压、轧制、锻造等热塑性变形工艺；挤压比为10:1，挤压速度为1.2m/min。
该合金抗拉强度为：330MPa；屈服强度为：255MPa；延伸率为：17%。
表1为Mg-Al-Mn变形镁合金具体实施例的对比（表1中成份单位为wt.%）。
表1.
四、测试结果。
采用GB/T228.1:2010标准加工室温拉伸测试试样，在SANSIUTM5000万能试验机上（拉伸速率：3mm/s）对实施例1－8所述镁合金进行测试。
具体实施例及测试效果由表1和表2可以看出，本发明Mg-Al-Mn铸造镁合金材料在室温条件下，抗拉强度均大于165MPa，屈服强度大于70MPa，延伸率大于12%。铸造合金在经过热塑性变形后，材料的抗拉强度均大于270MPa，屈服强度大于200MPa，延伸率大于17%。本发明变形镁合金具有较好的强度和延伸率。可以用作为3C产品外壳、汽车座椅、发动机架、散热器支架等机动车零部件轻质结构材料。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.低成本高性能Mg-Al-Mn镁合金，其特征在于，其成分含量为：Al0.5～9.0wt.%，Mn1.0～5.0wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质。
2.一种低成本高性能Mg-Al-Mn铸造镁合金的制备方法，包括如下步骤：
按权利要求1的组分配取原料；在覆盖剂的保护下，先对Mg在700℃～750℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的Al和Mg-Mn中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌5～10分钟，将熔体在750℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣；然后将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟；再在720℃的条件下浇注至预热到250～350℃的铁模中，制备出镁合金铸锭，然后将所得到的合金铸锭经机加工，制备出铸造合金型材。
3.一种低成本高性能Mg-Al-Mn变形镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按照权利要求2熔炼镁合金铸锭；
2）均匀化处理：将步骤1）所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在350～450℃的条件下均匀化处理16～20小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样；
3）热塑性变形：将步骤2）所均匀化处理后的镁合金铸锭试样，去除表面氧化皮后在250～450℃下预热2小时，在250～450℃下进行挤压、轧制、锻造等热塑性变形工艺，制备出相应的变形合金型材。
4.根据权利要求2所述低成本高性能Mg-Al-Mn镁合金的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂的成分是：MgCl2=24-30%，KCl=20-26%，CaF2=13-15%，BaCl2=12-16%，NaCl+CaCl2 <8%，不溶物<1.5%，MgO<1.5%，含水<2%。
5.根据权利要求2所述低成本高性能Mg-Al-Mn镁合金的制备方法，其特征在于，所述精炼剂采用六氯乙烷。
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