CN107058835B - 一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金及其制备方法，属于轻质合金及加工技术领域。该铸镁合金的组成及各组分的质量百分比如下：Al：7.0～11.0wt.％，Zn：0.5～2.5wt.％，Mn：0.2～0.4wt.％，富Y：0.05～2.0wt.％，Yb：0.2～3.5wt.％，Sm：0.2～6.0wt.％，Sr：0.1～2.5wt.％，余量为Mg及不可避免的杂质元素。本发明还提供一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法。本发明制备得到的镁合金具有高强度和良好的抗高温蠕变性能。经测试表明：在施加应力50MPa，测试温度160℃的条件下，100h稳态蠕变速率为1.05×10‑9s‑1，100h蠕变应变为0.14％；室温抗拉强度、屈服强度、延伸率分别是293MPa、202MPa、8.6％。

Description

一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于轻质合金及加工技术领域，具体涉及一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金作为目前最轻的结构材料，密度为1.75～1.90g/cm3，仅为钢铁的1/4，铝合金的2/3。相比其他金属材料，镁合金具有高的比强度、比刚度，良好的切削加工性能、电磁防护特性、阻尼性能及导热性，而且易回收。在目前铁矿、钛矿和铝矿资源紧张的情况下，开发和利用镁作为替代材料已成为必然趋势。因此，镁合金被誉为“21世纪商用绿色环保和生态金属结构材料”，正在汽车工业、电子通讯业和航空航天等领域得到广泛的应用。
目前，镁合金在工业生产上用的最多的是铸造镁合金，尤其是压铸镁合金。目前商用的压铸镁合金主要有镁铝系(镁-铝-锌)、镁锰系(镁-铝-锰)、镁硅系(镁-铝-硅)和镁稀土系(镁-铝-稀土)。其中镁铝系和镁锰系工业应用比较广泛，但是这两个系列的合金缺乏良好的抗高温蠕变性能，只能限制在服役温度低于120℃的结构件。但是汽车的动力系统工作温度一般高于150℃，因此开发高强度、抗高温蠕变压铸镁合金成为亟待解决的问题。
镁铝系合金抗高温蠕变性能差的原因一般认为是存在低熔点的共晶相Mg17Al12(溶点473℃)，该相在120℃以上易于软化和粗化。目前公知的提高镁铝系合金抗高温蠕变性能的途径就是合金化，通过引入稀土、碱土元素来提高其抗高温蠕变性能。稀土和碱土元素的加入一方面可形成高熔点的第二相，另一方面可以减少Mg17Al12，不仅能提高其强度而且也能提高其抗高温蠕变性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的铸镁合金强度低和抗高温蠕变性能差的问题，而提供一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案。
本发明首先提供一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，其组成及各组分的质量百分比如下：
Al：7.0～11.0wt.％，
Zn：0.5～2.5wt.％，
Mn：0.2～0.4wt.％，
富Y：0.05～2.0wt.％
Yb：0.2～3.5wt.％，
Sm：0.2～6.0wt.％，
Sr：0.1～2.5wt.％，
余量为Mg及不可避免的杂质元素。
优选的是，所述一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，各组分的质量百分比如下：
Al：9.0wt.％，
Zn：0.8wt.％，
Mn：0.35wt.％，
富Y：1.0wt.％，
Yb：1.8wt.％，
Sm：3.5wt.％，
Sr：0.6wt.％，
余量为Mg及不可避免的杂质元素。
本发明还提供一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将镁源、铝源、锌源、锰源、富钇混合稀土源、镱源、钐源和锶源进行熔炼，得到均匀的合金液；
步骤二、将步骤一得到的合金液倒入冷室压铸机进行压铸，得到一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金。
优选的是，所述步骤一中镁源为纯镁锭，铝源为纯铝锭，锌源为纯锌锭，锰源为含2％锰的镁锰中间合金；富钇混合稀土源为含20％富钇混合稀土的镁稀土中间合金，镱源为含17％镱的镁镱中间合金、钐源为含20％钐的镁钐中间合金，锶源为含15％锶的镁锶中间合金。
优选的是，上述富钇混合稀土具体成分为：Y：90％，Er：4.70％，Yb：2.60％，Ho：2.0％，Tm：0.60，Fe：0.05％，Si：0.03％，Cu：0.01％，Ni：0.01％。
优选的是，步骤一中熔炼温度为720～750℃，熔炼时间为10-15min。
优选的是，步骤一熔炼过程中，当熔炼温度达到750℃时，通入氩气除氢。
优选的是，步骤一中通气完毕后，加入6号熔剂进行精炼，然后静置50～70min。
优选的是，步骤二中压铸的温度为690～715℃，压铸时间为20～40s。
优选的是，步骤二中压铸的压射速度为1.5～4.5m/s。
本发明的有益效果
本发明首先提供一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，其组成及各组分的质量百分比如下：Al：7.0～11.0wt.％，Zn：0.5～2.5wt.％，Mn：0.2～0.4wt.％，富Y：0.05～2.0wt.％，Yb：0.2～3.5wt.％，Sm：0.2～6.0wt.％，Sr：0.1～2.5wt.％，余量为Mg及不可避免的杂质元素。与现有技术的压铸AZ91合金相比，本发明提供的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金优点之处在于：富钇混合稀土、镱和钐、微量的锶引入到AZ91合金中，一方面稀土元素能与镁能形成热稳定的第二相、产生固溶强化、弥散强化；另一方面，稀土和碱土金属能与铝反应，生成第二相，消耗铝的量，有效地减少Mg17Al12的量。镱、钐与镁能够形成热稳定的第二相，分别是Mg2Yb，Mg41Sm5和Mg3Sm第二相，此外，镱和钐在镁中具有比较大的固溶度，能够很好的发挥固溶强化和弥散强化效果；另一方面，少量的富钇和微量的锶优先与铝反应，生产热稳定的第二相Al2Y和Al4Sr相，极大地消耗了Al的含量，抑制Mg和Al的共晶反应，有效减少了Mg17Al12的体积分数。因此，富钇、镱和钐、微量的锶引入到AZ91合金后，其强度和抗高温蠕变性能得到明显改善。
本发明还提供一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，该制备方法简单、原料易得，制备得到的镁合金具有高强度和良好的抗高温蠕变性能。经测试表明：在施加应力50MPa，测试温度160℃的条件下，100h稳态蠕变速率为1.05×10-9s-1，100h蠕变应变为0.14％；室温抗拉强度、屈服强度、延伸率分别是293MPa、202MPa、8.6％。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的铸态金相组织。
图2为本发明实施例2制备的高强度、抗高温蠕变压铸镁合金在160℃，50MPa条件下100h后的蠕变时间-应变曲线。
具体实施方式
本发明首先提供一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，其组成及各组分的质量百分比如下：
Al：7.0～11.0wt.％，Zn：0.5～2.5wt.％，Mn：0.2～0.4wt.％，富Y：0.05～2.0wt.％，Yb：0.2～3.5wt.％，Sm：0.2～6.0wt.％，Sr：0.1～2.5wt.％，余量为Mg及不可避免的杂质元素。优选的是，Al：9.0wt.％，Zn：0.8wt.％，Mn：0.35wt.％，富Y：1.0wt.％，Yb：1.8wt.％，Sm：3.5wt.％，Sr：0.6wt.％。
按照本发明，所述杂质元素包括：Fe、Cu、Si、Ni，各杂质元素质量百分比为：Fe≤0.005％，Cu≤0.0005％，Si≤0.005％，Ni≤0.0005％。
本发明还提供一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将镁源、铝源、锌源、锰源、富钇混合稀土源、镱源、钐源和锶源进行熔炼，得到均匀的合金液；
步骤二、将步骤一得到的合金液倒入冷室压铸机进行压铸，得到一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金。
按照本发明，先将镁源、铝源、锌源、锰源、富钇混合稀土源、镱源、钐源和锶源进行熔炼，所述的熔炼温度优选为720～750℃，熔炼时间优选为10-15min，得到均匀的合金液；优选当熔体温度为750℃时，通入氩气除氢，通气速度适当，以不使镁液发生飞溅为原则，通气持续时间优选为20～30s，通气完毕后，加入6号熔剂进行精炼，待6号熔剂充分融入熔体之后，静置50～70min，得到合金液；
所述的上述原料的来源没有特殊限制，是稀土镁合金制备领域公知来源即可，一般镁源为纯镁锭，铝源为纯铝锭，锌源为纯锌锭，锰源为含2％锰的镁锰中间合金；富钇混合稀土源为含20％富钇混合稀土的镁稀土中间合金，镱源为含17％镱的镁镱中间合金、钐源为含20％钐的镁钐中间合金，锶源为含15％锶的镁锶中间合金。镁的质量百分比由镁锰中间合金、镁镱中间合金、镁钐中间合金、镁锶中间合金和镁稀土中间合金中的镁共同决定。
上述富钇混合稀土具体成分为：Y：90％，Er：4.70％，Yb：2.60％，Ho：2.0％，Tm：0.60，Fe：0.05％，Si：0.03％，Cu：0.01％，Ni：0.01％。
按照本发明，所述的6号熔剂为本领域技术人员熟知的产品，可以通过商购获得，主要成分(质量百分数)为：KCl：54-56％，BaCl2：14-16％，NaCl：1.5-2.5％，CaCl2：27-29％。所述的6号熔剂加入量为各原料总质量的0.8％～1.5％；所述的6号熔剂的加入方式没有特殊限制，优选采用边加边搅拌的方式。
按照本发明，将上述得到的合金液倒入冷室压铸机进行压铸，得到一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金；所述压铸的温度优选为690～715℃，压铸时间为优选20～40s，压射速度优选为1.5～4.5m/s。
本发明的铸镁合金通过引入廉价的富钇混合稀土(Yttrium-rich misch metal，简称：富Y)、具有较大固溶度的镱和钐、微量的碱土金属锶，来形成一系列具有高熔点、热稳定性良好的第二相，提高合金的抗高温蠕变性能和强度。钇和镁金属的晶体结构相同，同属密排六方晶格，二者的原子半径、晶格常数接近，根据“尺寸结构相匹配”的结晶形核核心原则，钇可作为镁合金的异质形核核心，阻碍晶粒长大，因而对镁合金产生显著的细化效果。此外，钇还具有净化熔体、除硫、除氧的作用；钇在镁中具有较大的固溶度(12.47wt.％)，在镁中能够产生很好的固溶强化效果，而且钇与铝、镁能够形成热稳定性良好的第二相，能够有效提高其高温性能。考虑到纯钇价格昂贵，因此在镁中添加富钇混合稀土来降低成本。重稀土镱元素，在镁中扩散速率比较低，能够很好的固溶在镁基质中，提高镁合金的高强度性。此外，Yb与Mg能形成热稳定性良好的具有高熔点(熔点为718℃)的第二相Mg2Yb，从而提高其耐热性能。钐元素在镁中具有比较大的固溶度，而且也能与镁形成热稳定性良好的Mg41Sm5和Mg3Sm第二相。因此，钐能够有效的提高镁合金的耐热性能。微量碱土金属锶元素不仅能提高镁铝系合金的抗高温蠕变性能，而且还能减小合金的热裂烈倾向。富钇、镱和钐、微量的锶引入到镁铝系合金中，一方面稀土元素能与镁能形成热稳定的第二相、产生固溶强化、弥散强化；另一方面，稀土和碱土金属能与铝反应，生成第二相，消耗铝的量，有效地减少Mg17Al12的量。因此，稀土、碱土金属的引入可以明显改善镁铝系合金的强度和抗高温蠕变性能。
实施例1
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，是由如下质量百分比的组分制成的，Al：8.5wt.％；Zn：0.5wt.％；Mn：0.2wt.％；富Y：0.1wt.％；Yb：0.8wt.％；Sm：3.0wt.％；Sr：0.2wt.％；余量为纯镁及不可避免的杂质。
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备工艺，步骤如下：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭、含2％锰的镁锰中间合金、含20％富钇混合稀土的镁稀土中间合金、含17％镱的镁镱中间合金、含20％钐的镁钐中间合金、含15％锶的镁锶中间合金在720℃下进行熔炼，搅拌10分钟得到均匀的合金液；
2)使炉温升至750℃，通入氩气除氢，通气持续时间为20s；
3)通气完毕后，加入0.8％的6号溶剂精炼，然后静置50分钟.得到合金液；
4)使炉温降到690℃，将合金液倒入压室，进行压铸，压射速度保持为1.5m/s，压铸时间为20s，得到高强度、抗高温蠕变压铸镁合金。
检测到实施例1的高强度、抗高温蠕变压铸镁合金在160℃，50MPa测试条件下的稳态蠕变速率和蠕变应变如表1所示；室温力学性能如表2所示。
实施例2
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，是由如下质量百分比的组分制成的，Al：9.0wt.％；Zn：0.8wt.％；Mn：0.35wt.％；富Y：1.0wt.％；Yb：1.8wt.％；Sm：3.5wt.％；Sr：0.6wt.％；余量为纯镁及不可避免的杂质。
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备工艺，步骤如下：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭、含2％锰的镁锰中间合金、含20％富钇混合稀土的镁稀土中间合金、含17％镱的镁镱中间合金、含20％钐的镁钐中间合金、含15％锶的镁锶中间合金在725℃下进行熔炼，搅拌12分钟得到均匀的合金液；
2)使炉温升至750℃，通入氩气除氢，通气持续时间为30s；
3)通气完毕后，加入1.5％的6号溶剂精炼，然后静置60分钟.得到合金液；
4)使炉温降到700℃，将合金液倒入压室，进行压铸，压射速度保持为2m/s，压铸时间为30s，得到高强度、抗高温蠕变压铸镁合金。
检测到实施例2的高强度、抗高温蠕变压铸镁合金在160℃，50MPa测试条件下的稳态蠕变速率和蠕变应变如表1所示；室温力学性能如表2所示。
图1为本发明实施例2制备的高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的铸态金相组织。图1说明该实施例2制备的合金组织由白色的初晶α-Mg、灰色的共晶α-Mg和黑色的共晶化合物Mg17Al12组成，并且可以看到典型的树枝晶组织和等轴晶。
图2为本发明实施例2制备的高强度、抗高温蠕变压铸镁合金在160℃，50MPa条件下100h后的蠕变时间-应变曲线。图2说明该实施例制备的合金在160℃，50MPa条件具有良好的抗高温蠕变性能。
实施例3
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，是由如下质量百分比的组分制成的，Al：10.0wt.％；Zn：1.2wt.％；Mn：0.4wt.％；富Y：2.0wt.％；Yb：2.5wt.％；Sm：4.5wt.％；Sr：1.5wt.％；余量为纯镁及不可避免的杂质。
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备工艺，步骤如下：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭、含2％锰的镁锰中间合金、含20％富钇混合稀土的镁稀土中间合金、含17％镱的镁镱中间合金、含20％钐的镁钐中间合金、含15％锶的镁锶中间合金在730℃下进行熔炼，搅拌15分钟得到均匀的合金液；
2)使炉温升至750℃，通入氩气除氢，通气持续时间为20s；
3)通气完毕后，加入1.0％的6号溶剂精炼，然后静置70分钟.得到合金液；
4)使炉温降到715℃，将合金液倒入压室，进行压铸，压射速度保持为4.5m/s，压铸时间为20s，得到高强度、抗高温蠕变压铸镁合金。
检测到实施例3的高强度、抗高温蠕变压铸镁合金在160℃，50MPa测试条件下的稳态蠕变速率和蠕变应变如表1所示；室温力学性能如表2所示。
实施例4
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，是由如下质量百分比的组分制成的，Al：7.0wt.％；Zn：0.5wt.％；Mn：0.2wt.％；富Y：0.05wt.％；Yb：0.2wt.％；Sm：0.2wt.％；Sr：0.1wt.％；余量为纯镁及不可避免的杂质。
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备工艺，步骤如下：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭、含2％锰的镁锰中间合金、含20％富钇混合稀土的镁稀土中间合金、含17％镱的镁镱中间合金、含20％钐的镁钐中间合金、含15％锶的镁锶中间合金在730℃下进行熔炼，搅拌15分钟得到均匀的合金液；
2)使炉温升至750℃，通入氩气除氢，通气持续时间为20s；
3)通气完毕后，加入1.0％的6号溶剂精炼，然后静置60分钟.得到合金液；
4)使炉温降到715℃，将合金液倒入压室，进行压铸，压射速度保持为4.5m/s，压铸时间为20s，得到高强度、抗高温蠕变压铸镁合金。
检测到实施例4的高强度、抗高温蠕变压铸镁合金在160℃，50MPa测试条件下的稳态蠕变速率和蠕变应变如表1所示；室温力学性能如表2所示。
实施例5
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，是由如下质量百分比的组分制成的，Al：11.0wt.％；Zn：2.5wt.％；Mn：0.4wt.％；富Y：2.0wt.％；Yb：3.5wt.％；Sm：6.0wt.％；Sr：2.5wt.％；余量为纯镁及不可避免的杂质。
一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备工艺，步骤如下：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭、含2％锰的镁锰中间合金、含20％富钇混合稀土的镁稀土中间合金、含17％镱的镁镱中间合金、含20％钐的镁钐中间合金、含15％锶的镁锶中间合金在720℃下进行熔炼，搅拌15分钟得到均匀的合金液；
2)使炉温升至750℃，通入氩气除氢，通气持续时间为20s；
3)通气完毕后，加入1.0％的6号溶剂精炼，然后静置60分钟.得到合金液；
4)使炉温降到710℃，将合金液倒入压室，进行压铸，压射速度保持为4.5m/s，压铸时间为20s，得到高强度、抗高温蠕变压铸镁合金。
检测到实施例5的高强度、抗高温蠕变压铸镁合金在160℃，50MPa测试条件下的稳态蠕变速率和蠕变应变如表1所示；室温力学性能如表2所示。
对比例
对比例为AZ91压铸镁合金，是由如下质量百分比的组分制成的，Mg：9.0wt.％；Zn：0.8wt.％；Mn：0.35wt.％；余量为纯镁及不可避免的杂质。
对比例AZ91压铸镁合金制备工艺，步骤如下：
1)将镁源、锌源、锰源进行熔炼，得到均匀的合金液，熔炼温度保持在730℃，搅拌15分钟；
2)使炉温升至750℃，通入氩气除氢，通气持续时间为30s；
3)通气完毕后，加入1％的6号溶剂精炼，然后静置50分钟；
4)使炉温降到700℃，将合金液倒入压室，进行压铸，压射速度保持为2.5m/s，得到铸镁合金。
检测到对比例AZ91压铸镁合金在160℃，50MPa测试条件下的稳态蠕变速率和蠕变应变如表1所示；室温力学性能如表2所示。
具体实施过程中，熔炼温度要求720～750℃；压铸的温度要求690～715℃，锰源、镱源、钐源、富钇混合稀土源、锶源的加入以中间合金(Mg-2％Mn，Mg-17％Yb，Mg-20％Sm，Mg-20％富Y，Mg-15％Sr,)的方式加入。
表1
表2
以上所述是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域一般的技术人员来说，在不脱离本发明专利的原理及核心思想的前提下，还可以做出若干的修饰和改进，这些修饰和改进也视为本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，其特征在于，其组成及各组分的质量百分比如下：
Al：7.0~11.0wt.%，
Zn：0.5~2.5 wt.%，
Mn：0.2~0.4 wt.%，
富钇混合稀土： 0.05~2.0 wt.%
Yb：0.2~3.5wt.%，
Sm：0.2~6.0wt.%，
Sr：0.1~2.5 wt.%，
余量为Mg及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，其特征在于，所述一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金，各组分的质量百分比如下：
Al：9.0wt.%，
Zn：0.8 wt.%，
Mn：0.35 wt.%，
富钇混合稀土：1.0wt.%，
Yb：1.8wt.%，
Sm：3.5wt.%，
Sr：0.6 wt.%，
余量为Mg及不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1-2任何一项所述的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将镁源、铝源、锌源、锰源、富钇混合稀土源、镱源、钐源和锶源进行熔炼，得到均匀的合金液；
步骤二、将步骤一得到的合金液倒入冷室压铸机进行压铸，得到一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金。
4.根据权利要求3所述的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤一中镁源为纯镁锭，铝源为纯铝锭，锌源为纯锌锭，锰源为含2%锰的镁锰中间合金；富钇混合稀土源为含20%富钇混合稀土的镁稀土中间合金，镱源为含17%镱的镁镱中间合金、钐源为含20%钐的镁钐中间合金，锶源为含15%锶的镁锶中间合金。
5.根据权利要求3所述的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，其特征在于，上述富钇混合稀土具体成分为：Y：90%，Er：4.70%，Yb：2.60%，Ho：2.0%，Tm：0.60，Fe：0.05%，Si：0.03%，Cu：0.01%，Ni：0.01%。
6.根据权利要求3所述的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，其特征在于，步骤一中熔炼温度为720~750oC，熔炼时间为10-15min。
7.根据权利要求3所述的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，其特征在于，步骤一熔炼过程中，当熔炼温度达到750oC时，通入氩气除氢。
8.根据权利要求3所述的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，其特征在于，步骤一中通气完毕后，加入6号熔剂进行精炼，然后静置50~ 70min。
9.根据权利要求3所述的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，其特征在于，步骤二中压铸的温度为690~715oC，压铸时间为20~40s。
10.根据权利要求3所述的一种高强度、抗高温蠕变压铸镁合金的制备方法，其特征在于，步骤二中压铸的压射速度为1.5~4.5m/s。
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