CN107177764A - 一种低成本高强铸造镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料镁合金领域，具体为一种低成本高强铸造镁合金及其制备方法。该合金各组分及其重量百分比为：5.0～6.0％Zn、3.0～5.0％Al、0.3～1.5％Cu，其余为Mg和不可避免的杂质元素。首先将工业纯镁熔化，然后依次加入纯金属Zn、Al、Cu进行合金化，之后通入高纯氩气进行搅拌，浇铸成型，整个过程采用CO₂和SF₆进行保护。将铸锭在340～380℃下进行固溶处理30～40h，采用温水淬火，然后将铸锭在80～100℃进行预时效处理24～36h，最后在170～200℃时效4～10h，该合金在室温拉伸测试下，屈服强度≥190MPa，抗拉强度≥290MPa，延伸率≥7％，具有优良的综合力学性能。本发明合金中不含有锆、稀土等贵重合金化元素，在保证低成本的前提下通过热处理的方式显著提高合金的强度。

Description

一种低成本高强铸造镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料镁合金领域，具体为一种低成本高强铸造镁合金及其制备方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，如何降低能源消耗、提高资源利用率、减少环境污染以及节约有限资源是全人类所面临的十分紧迫的问题，而产品的轻量化为解决该问题提供一个非常有效的途径。镁合金由于具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性能性好、电磁屏蔽性好、机械加工性能优良等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，是一种极具利用价值的资源，被广泛应用于汽车工业、通讯电子以及航空航天等领域。

目前，90％的镁合金部件仍采用铸造的方式生产，在铸造镁合金中以Mg-Al系合金为主，但是该系的合金普遍存在强度较低，尤其是其高温强度较低，不能应用于承重结构件和高温环境中。近年来逐渐发展起来的Mg-RE系合金虽然具有较高的强度，然是其成本明显提高，不利于该合金的推广与使用。因此，发展一种低成本高强铸造镁合金对于扩大镁合金应用范围，开拓镁合金市场具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本高强镁合金及其制备方法，采用热处理的方法显著提高合金的力学性能。

本发明的技术方案是：

一种低成本高强铸造镁合金，合金中同时含有Zn、Al、Cu，各组份质量百分含量为：5.0～6.0％Zn、3.0～5.0％Al、0.3～1.5％Cu，其余为镁和不可避免杂质。

所述的低成本高强铸造镁合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)合金熔炼和浇注：将工业纯镁、纯锌、纯铝、纯铜配料待用，将纯镁放入铁坩埚中，置于电阻炉中，设定温度为730～750℃，待纯Mg全部熔化后，依 次加入纯Zn、纯Al、纯Cu，待合金完全熔化后首先采用机械搅拌2～5分钟，然后向熔体中通入高纯氩气，静置保温10～30分钟后降温到700℃得到合金熔体，最后浇注成型，整个熔炼过程采用混合CO₂和SF₆气体全程保护；

(2)热处理：将步骤(1)得到的铸锭在340～380℃下进行固溶处理30～40h，采用温水淬火，然后将铸锭在80～100℃进行预时效处理24～36h，最后在170～200℃时效4～10h。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明制备了一种低成本高强铸造镁合金，根据室温拉伸测试结果，该合金具有良好的室温力学性能，在室温拉伸性能测试下，屈服强度≥190MPa，抗拉强度≥290MPa，延伸率≥7％，具有良好的综合力学性能。

2、本发明提供一种制备镁合金铸锭的方法，在熔炼过程中通入高纯的氩气具有良好的搅拌效果，避免了合金在熔炼过程中的成分不均匀的现象。

3、本发明镁合金不含有锆、稀土等贵重的合金化元素，有效降低合金成本，同时合金熔炼过程中各个元素均能采用纯金属的方式加入，一方面降低了中间合金的配制成本，另一方面也可以避免中间合金在加入的过程中引入夹杂物。在保证低成本的前提下通过热处理的方式显著提高合金的强度。

附图说明

图1为实施例1中合金显微组织照片；

图2为实施例1中合金拉伸应力(Stress)-应变(Strain)曲线；

图3为实施例2中合金显微组织照片；

图4为实施例2中合金拉伸应力(Stress)-应变(Strain)曲线。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明低成本高强铸造镁合金，合金中各组份质量百分含量为：5.0～6.0％Zn、3.0～5.0％Al、0.3～1.5％Cu(优选为6.0％Zn、4％Al、0.5％Cu)，其余为镁和不可避免杂质。其中，各成分的作用和设计思路如下：Mg-Zn-Al系镁合金具有良好的时效强化能力，但是目前应用较广的Mg-Zn-Al系合金如ZA84合金在凝固过程中易形成网状的第二相，明显降低了合金的塑性，为了使第二相在固溶过程中能充分溶解，控制Zn的含量在6％以下，同时加入适当的Al以降低合金在铸造过程中的热裂倾向。此外，少量Cu的加入能够促进合金的时效过程，提高合金析出强化能力。

所述低成本高强铸造镁合金的制备方法，采用工业纯镁锭、工业纯锌、工业纯Al、工业纯Cu为原材料，在合金制备的过程中通入高纯氩气进行搅拌，在热处理过程中采用了双级时效的热处理工艺，其具体步骤如下：

(1)合金熔炼和浇注：将工业纯镁、纯锌、纯铝、纯铜配料待用，将纯镁放入铁坩埚中，置于电阻炉中，设定温度为730～750℃，待纯Mg全部熔化后，依次加入纯Zn、纯Al、纯Cu，待合金完全熔化后首先采用机械搅拌2～5分钟，然后向熔体中通入高纯氩气，静置保温20分钟后降温到700℃得到合金熔体，最后浇注成型，整个熔炼过程采用混合CO₂和SF₆气体全程保护，CO₂和SF₆的体积比约为200:1；

(2)热处理：将步骤(1)得到的铸锭在340～380℃下进行固溶处理30～40h，采用温水(30～50℃)淬火，然后将铸锭在80～100℃进行预时效处理24～36h，最后在170～200℃时效4～10h。

采用工业纯镁锭、工业纯Zn、工业纯Al、工业纯Cu为原料，降低中间合金生产成本，同时避免中间合金加入过程中引进夹杂物，并且在合金制备的过程中通入高纯氩气进行搅拌，使成分更加均匀。

另外，本发明采用双级时效的热处理工艺的作用和设计思路如下：合金在低温(80～100℃)时效的过程中能够产生G.P.区，这些G.P.区能有效促进析出相在高温(170～200℃)时效的形核进程，明显细化析出相的尺寸，提高析出相的密度，显著提高合金力学性能。

下面结合具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1

本实施例中，低成本高强铸造镁合金的重量百分比组分为：6.0％Zn、4％Al、0.5％Cu，其余为Mg和不可避免的杂质元素。

具体方法步骤如下：

(1)合金熔炼和浇注：将工业纯镁、纯锌、纯铝、纯铜配料待用，将纯镁放入铁坩埚中，置于电阻炉中，设定温度为740℃，待纯Mg全部熔化后，依次加入纯Zn、纯Al、纯Cu，待合金完全熔化后首先采用机械搅拌3分钟，然后向熔体中通入高纯氩气，静置保温20分钟后降温到700℃得到合金熔体，最后浇注成型，整个熔炼过程采用混合CO₂和SF₆气体全程保护，CO₂和SF₆的体积比约为200:1；

(2)热处理：将步骤(1)得到的铸锭在360℃下进行固溶处理36h，采用温水淬火，然后将铸锭在85℃进行预时效处理24h，最后在180℃时效8h。

本实施例得到的高强低成本铸造镁合金屈服强度为202MPa，抗拉强度为311.5MPa，延伸率为7％。

如图1所示，实施例1中制备出的镁合金显微组织照片，从图中可以看出，第二相沿晶界分布，合金晶粒尺寸约为100μm左右。其工程应力应变曲线如图2所示，从图中可以看出，该合金具有较高的强度，尤其是其中其抗拉强度大于310MPa，远高于现有的商用镁合金的力学性能。

实施例2

本实施例中，低成本高强铸造镁合金的重量百分比组分为：6.0％Zn、4％Al、1％Cu，其余为Mg和不可避免的杂质元素。

具体方法步骤如下：

(1)合金熔炼和浇注：将工业纯镁、纯锌、纯铝、纯铜配料待用，将纯镁放入铁坩埚中，置于电阻炉中，设定温度为740℃，待纯Mg全部熔化后，依次加入纯Zn、纯Al、纯Cu，待合金完全熔化后首先采用机械搅拌4分钟，然后向熔体中通入高纯氩气，静置保温20分钟后降温到700℃得到合金熔体，最后浇注成型，整个熔炼过程采用混合CO₂和SF₆气体全程保护，CO₂和SF₆的体积比约为200:1；

(2)热处理：将步骤(1)得到的铸锭在350℃下进行固溶处理36h，采用温水淬火，然后将铸锭在85℃进行预时效处理36h，最后在190℃时效6h。

本实施例得到的高强低成本铸造镁合金屈服强度为199MPa，抗拉强度为297MPa，延伸率为7％。

如图3所示，实施例2制得的镁合金显微组织照片，从图中看出，合金晶粒呈蔷薇状，第二相沿晶界分布，其晶粒尺寸约为100μm左右。其工程应力应变曲线如图4所示，从图中可以看出，虽然合金仍然具有较高的强度但是相比于实施例1中的合金，其强度有所降低。

实施例3

本实施例中，低成本高强铸造镁合金的重量百分比组分为：6％Zn、3％Al、0.5％Cu，其余为Mg和不可避免的杂质元素，其制备步骤如下：

(1)合金熔炼和浇注：将工业纯镁、纯锌、纯铝、纯铜配料待用，将纯镁放 入铁坩埚中，置于电阻炉中，设定温度为730℃，待纯Mg全部熔化后，依次加入纯Zn、纯Al、纯Cu，待合金完全熔化后首先采用机械搅拌5分钟，然后向熔体中通入高纯氩气，静置保温20分钟后降温到700℃得到合金熔体，最后浇注成型，整个熔炼过程采用混合CO₂和SF₆气体全程保护，CO₂和SF₆的体积比为200:1；

(2)热处理：将步骤(1)得到的铸锭在340℃下进行固溶处理32h，采用温水淬火，然后将铸锭在80℃进行预时效处理36h，最后在200℃时效4h。

本实施例得到的高强低成本铸造镁合金屈服强度为191MPa，抗拉强度为290MPa，延伸率为8％。

实施例4

本实施例中，低成本高强铸造镁合金的重量百分比组分为：5.0％Zn、4％Al、0.5％Cu，其余为Mg和不可避免的杂质元素，其制备步骤如下：

(1)合金熔炼和浇注：将工业纯镁、纯锌、纯铝、纯铜配料待用，将纯镁放入铁坩埚中，置于电阻炉中，设定温度为750℃，待纯Mg全部熔化后，依次加入纯Zn、纯Al、纯Cu，待合金完全熔化后首先采用机械搅拌2分钟，然后向熔体中通入高纯氩气，静置保温20分钟后降温到700℃得到合金熔体，最后浇注成型，整个熔炼过程采用混合CO₂和SF₆气体全程保护，CO₂和SF₆的体积比为200:1；

(2)热处理：将步骤(1)得到的铸锭在380℃下进行固溶处理32h，采用温水淬火，然后将铸锭在90℃进行预时效处理24h，最后在170℃时效10h。

本实施例得到的高强低成本铸造镁合金屈服强度为193MPa，抗拉强度为295MPa，延伸率为7.5％。

Claims (2)

1.一种低成本高强铸造镁合金，其特征在于，合金中同时含有Zn、Al、Cu，各组份质量百分含量为：5.0～6.0％Zn、3.0～5.0％Al、0.3～1.5％Cu，其余为镁和不可避免杂质。

2.一种权利要求1所述的低成本高强铸造镁合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)合金熔炼和浇注：将工业纯镁、纯锌、纯铝、纯铜配料待用，将纯镁放入铁坩埚中，置于电阻炉中，设定温度为730～750℃，待纯Mg全部熔化后，依次加入纯Zn、纯Al、纯Cu，待合金完全熔化后首先采用机械搅拌2～5分钟，然后向熔体中通入高纯氩气，静置保温10～30分钟后降温到700℃得到合金熔体，最后浇注成型，整个熔炼过程采用混合CO₂和SF₆气体全程保护；

(2)热处理：将步骤(1)得到的铸锭在340～380℃下进行固溶处理30～40h，采用温水淬火，然后将铸锭在80～100℃进行预时效处理24～36h，最后在170～200℃时效4～10h。