CN107119220B - 一种耐热镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐热镁合金及其制备方法,属于镁合金技术领域。本发明耐热镁合金由以下质量百分含量的组分组成:10~12%Sm,0.8~1.0%Al,1.2~1.5%Sn,1.0~1.2%Si,1.5~2.0%Mn,0.8~1.0%Ag,1.0~1.5%Zn,0.43~0.71%Ca,余量为Mg和不可避免的杂质。本发明耐热镁合金在添加10~12%Sm稀土元素作为第一组元的基础上,引入适量Al、Sn、Si、Mn、Ag、Zn、CaO等添加物,通过多组元微合金化的方法对Mg‑Sm合金进行改性,并将得到的铸态合金进行T6热处理,所得耐热镁合金具有优异的高温抗拉强度和抗蠕变性能。

Description

一种耐热镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐热镁合金及其制备方法,属于镁合金技术领域。
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的优势而广泛应用,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,科研工作者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-Y-Nd等系列镁合金。现有的抗蠕变镁合金主要从限制位错滑移和强化晶界入手,通过添加适量合金元素,引入热稳定性高的第二相、降低元素在镁基体中的扩散速率或者改善晶界结构状态和组织形态等手段来达到提高镁合金热强性和高温蠕变抗力的目的。
稀土(RE)是提高镁合金蠕变能最有效的合金元素。大部分稀土元素在镁中具有较大的固溶度极限,而且随温度下降,固溶度急剧减少,得到较大的过饱和度,从而在随后的时效过程中析出弥散的、高熔点的稀土化合物相;稀土元素还可以细化晶粒、提高室温强度,而且分布在晶内和晶界(主要是晶界)处的弥散的、高熔点稀土化合物在高温时仍能钉扎晶内位错和晶界滑移,从而提高了镁合金的抗蠕变性能;同时,稀土元素在镁基体中的扩散速率较慢,这使得Mg-RE合金适于在较高温度环境下长期工作。
申请公布号为CN 105018812A的中国发明专利一种耐热镁合金及其制备方法,公开了一种耐热镁合金,由以下质量百分比的组分组成:3%~9%Al,2%~9%Sn,1%~5%Sm,余量为Mg和不可避免的杂质。
申请公布号为CN 104674092A的中国发明专利一种含Sm的Mg-Al-Zn系耐热镁合金及其制备方法,公开了一种含Sm的Mg-Al-Zn系耐热镁合金,各组分及其重量百分数为:Al为2~11%,Zn为1.5~3%,Sm为1.8~4%,Ag为0.2~1.8%,Ca为0.1~1.9%,Sr为0.1~0.7%,Sn为0.1~0.9%,Ti为0.1~0.5%,余量为Mg。
但是,上述已经公开的耐热镁合金其室温及高温抗拉强度仍有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐热镁合金,该耐热镁合金在高温下具有优异的抗拉强度与抗蠕变性能。
本发明的第二个目的在于提供一种上述耐热镁合金的制备方法。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种耐热镁合金,由以下质量百分含量的组分组成:10~12%Sm,0.8~1.0%Al,1.2~1.5%Sn,1.0~1.2%Si,1.5~2.0%Mn,0.8~1.0%Ag,1.0~1.5%Zn,0.43~0.71%Ca,余量为Mg和不可避免的杂质。
所述耐热镁合金是以纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌、氧化钙以及中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn为原料熔炼铸造并经热处理制备而成。
本发明耐热镁合金采用Sm为第一组分,Sm在Mg合金中的固溶度较大,为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果,本发明的Sm加入量为10-12wt%;合金中添加少量Ag、Sn、Zn能够增加Sm的时效析出强化,增强合金的强度和塑性,少量Si的加入可与Mg生成高熔点强化相Mg3Si2耐热强化相,改善镁合金显微组织,提高镁合金的高温强度和抗蠕变性能,但Si过量会影响铸造性能且恶化力学性能,因此本发明的Si加入量不高于1.2wt%;镁合金加入少量的Mn能够提高合金的塑性和铸造性能,少量Al的添加能够显著细化合金显微组织,是提高镁合金耐热性能的重要元素。
本发明耐热镁合金中Ca元素的添加通过合金元素Ca的氧化物即CaO添加至镁合金液实现,通过还原反应CaO还原为Ca,并与Mg及其他元素形成析出相。所述还原反应为:
CaO+Mg→Ca+MgO
少量CaO颗粒的添加一方面能够提高镁合金的耐热性能和阻燃性能,另一方面能够降低该合金的成本。
本发明综合利用稀土元素Sm,其他元素(Sn、Si、Mn、Zn、Ag、Al)以及少量的CaO,对合金进行改性,并将得到的铸态合金进行T6热处理(固溶处理和时效处理),具有良好的耐热性能。
上述耐热镁合金的制备方法,包括以下步骤:
1)将原料纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌、CaO以及中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn预热;
2)在CO2+SF6混合气体保护下,将预热后的纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌加热熔化,然后加热至730~740℃时加入中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及氧化钙,保温15~20min,待合金全部熔化后去除表面浮渣;然后升温至750~760℃,搅拌均匀,保温5~10min,再降至710~720℃,保温5~10min,得合金液;
3)将步骤2)所得合金液浇注至模具中,得铸态合金;
4)将步骤3)所得铸态合金进行热处理,得所述耐热镁合金。
所述CaO为粒径为3~5μm的氧化钙颗粒。
步骤1)中预热为200~220℃预热2~3h。
步骤3)中模具为金属型模具,所述金属型模具在浇注前经280~300℃预热。
步骤4)中热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。
所述固溶处理为530~535℃处理8~10h,然后热水淬火,冷却至室温,所述热水温度为85~95℃。
所述固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行。所述固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行防止氧化燃烧。
所述时效处理为220~230℃保温16~18h。然后空冷至室温。
本发明的有益效果:
本发明耐热镁合金在添加10~12%Sm稀土元素作为第一组元的基础上,引入适量Al、Sn、Si、Mn、Ag、Zn、CaO等添加物,在成本提高不高的情况下,通过多组元微合金化的方法对Mg-Sm合金进行改性,并将得到的铸态合金进行T6热处理,本发明耐热镁合金具有优异的抗拉强度和抗蠕变性能。
本发明耐热镁合金的制备方法中,熔炼及热处理工艺简单,通过对所添加的合金元素进行合理优化,在控制合金成本的基础上使所得耐热镁合金的显微组织均匀,合金力学性能和耐热性能均得到显著提高。
具体实施方式
本发明实施例中涉及到的原料纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌、中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及粒径3-5μm的氧化钙颗粒,均为市售产品。
实施例1
本实施例耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:10%Sm,0.9%Al,1.5%Sn,1.2%Si,2.0%Mn,0.9%Ag,1.4%Zn,0.64%Ca,余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例耐热镁合金的制备方法包括以下步骤:
1)配料:按照上述重量百分比含量计算得到的原料重量称取纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌、中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及粒径为3μm的氧化钙颗粒,并将原料置于200℃的干燥箱中进行干燥预热,预热时间为2小时;
2)在CO2+SF6混合气体保护下,将预热后的纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌加热熔化,然后加热至740℃时添加中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及粒径为3μm的氧化钙颗粒,保温20分钟,待合金全部熔化后去除表面浮渣;将温度升至760℃后停止升温,然后搅拌均匀,保温5min,再降至720℃,静置5分钟,得合金液;
3)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300℃,得铸态合金;
4)将铸态合金进行热处理后得耐热镁合金;所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理;所述固溶处理为530℃保温8小时,然后热水淬火,冷却至室温,热水温度为85℃;所述时效处理为220℃保温16小时,然后空冷至室温;其中固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行防止氧化燃烧。
实施例2
本实施例耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:11%Sm,1.0%Al,1.4%Sn,1.0%Si,1.6%Mn,1.0%Ag,1.0%Zn,0.71%Ca,余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例耐热镁合金的制备方法包括以下步骤:
1)配料:按照上述重量百分比含量计算得到的原料重量称取纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌、中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及粒径为4μm的氧化钙颗粒,并将原料置于210℃的干燥箱中进行干燥预热,预热时间为3小时;
2)在CO2+SF6混合气体保护下,将预热后的纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌加热熔化,然后加热至730℃时添加中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及粒径为4μm的氧化钙颗粒,保温18分钟,待合金全部熔化后去除表面浮渣;将温度升至750℃后停止升温,然后搅拌均匀,保温10min,再降至720℃,静置5分钟,得合金液;
3)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℃,得铸态合金;
4)将铸态合金进行热处理后得耐热镁合金;所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理;所述固溶处理为535℃保温9小时,然后热水淬火至室温,热水温度为90℃;所述时效处理为230℃保温18小时,然后空冷至室温;其中固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行防止氧化燃烧。
实施例3
本实施例耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:12%Sm,0.8%Al,1.2%Sn,1.0%Si,1.5%Mn,0.8%Ag,1.2%Zn,0.43%Ca,余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例耐热镁合金的制备方法包括以下步骤:
1)配料:按照上述重量百分比含量计算得到的原料重量称取纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌、中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及粒径为5μm的氧化钙颗粒,并将原料置于220℃的干燥箱中进行干燥预热,预热时间为2小时;
2)在CO2+SF6混合气体保护下,将预热后的纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌加热熔化,然后加热至740℃时添加中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及粒径为5μm的氧化钙颗粒,保温15分钟,待合金全部熔化后去除表面浮渣;将温度升至750℃后停止升温,然后搅拌均匀,保温10min,再降至710℃,静置10分钟,得合金液;
3)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℃,得铸态合金;
4)将铸态合金进行热处理后得耐热镁合金;所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理;所述固溶处理为530℃保温10小时,然后热水淬火,冷却至室温,热水温度为95℃;所述时效处理为220℃保温17小时,然后空冷至室温;其中固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行防止氧化燃烧。
实施例4
本实施例耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:11%Sm,0.9%Al,1.3%Sn,1.1%Si,1.7%Mn,1.0%Ag,1.5%Zn,0.64%Ca,余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例耐热镁合金的制备方法包括以下步骤:
1)配料:按照上述重量百分比含量计算得到的原料重量称取纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌、中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及粒径为3μm的氧化钙颗粒,并将原料置于220℃的干燥箱中进行干燥预热,预热时间为2小时;
2)在CO2+SF6混合气体保护下,将预热后的纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌加热熔化,然后加热至740℃时添加中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及粒径为3μm的氧化钙颗粒,保温20分钟,待合金全部熔化后去除表面浮渣;将温度升至760℃后停止升温,然后搅拌均匀,保温5min,再降至710℃,静置10分钟,得合金液;
3)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℃,得铸态合金;
4)将铸态合金进行热处理后得耐热镁合金;所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理;所述固溶处理为535℃保温8小时,然后热水淬火,冷却至室温,热水温度为85℃;所述时效处理为230℃保温16小时,然后空冷至室温;其中固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行防止氧化燃烧。
实验例
本实验例对实施例1-4所得耐热镁合金的力学性能进行测试,结果如表1所示。
表1实施例1-4所得耐热镁合金的力学性能测试结果
由表1数据可知,实施例1-4所得耐热镁合金200℃抗拉强度达到265~271MPa,屈服强度为201~211MPa;300℃抗拉强度为189~201MPa,屈服强度为137~145MPa;在应力为90MPa、蠕变温度200℃条件下100小时的稳态蠕变速率为1.31×10-8s-1~1.57×10-8s-1,由上述数据可知,本发明所得耐热镁合金具有高的抗拉强度与屈服强度,且抗蠕变性能优异。

Claims (9)

1.一种耐热镁合金,其特征在于,由以下质量百分含量的组分组成:10~12%Sm,0.8~1.0%Al,1.2~1.5%Sn,1.0~1.2%Si,1.5~2.0%Mn,0.8~1.0%Ag,1.0~1.5%Zn,0.43~0.71%Ca,余量为Mg和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐热镁合金,其特征在于,所述耐热镁合金是以纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌、氧化钙以及中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn为原料熔炼铸造并经热处理制备而成。
3.一种如权利要求1所述的耐热镁合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将原料纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌、CaO以及中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn预热;
2)在CO2+SF6混合气体保护下,将预热后的纯镁、纯铝、纯锡、纯银、纯锌加热熔化,然后加热至730~740℃时加入中间合金Mg-Sm、Mg-Si、Mg-Mn及氧化钙,保温15~20min,待合金全部熔化后去除表面浮渣;然后升温至750~760℃,搅拌均匀,保温5~10min,再降至710~720℃,保温5~10min,得合金液;
3)将步骤2)所得合金液浇注至模具中,得铸态合金;
4)将步骤3)所得铸态合金进行热处理,得所述耐热镁合金。
4.根据权利要求3所述的耐热镁合金的制备方法,其特征在于,所述CaO为粒径为3~5μm的氧化钙颗粒。
5.根据权利要求3所述的耐热镁合金的制备方法,其特征在于,步骤1)中预热为200~220℃预热2~3h。
6.根据权利要求3所述的耐热镁合金的制备方法,其特征在于,步骤3)中模具为金属型模具,所述金属型模具在浇注前经280~300℃预热。
7.根据权利要求3所述的耐热镁合金的制备方法,其特征在于,步骤4)中热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。
8.根据权利要求7所述的耐热镁合金的制备方法,其特征在于,所述固溶处理为530~535℃保温8~10h,然后热水淬火,冷却至室温;所述热水温度为85~95℃。
9.根据权利要求7所述的耐热镁合金的制备方法,其特征在于,所述时效处理为220~230℃保温16~18h。
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