CN107267830A - 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。本发明的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：4.6～5.0％Sm，2.0～2.5％Al，1.0～1.5％Ca，0.5～1.0％Si，0.3～0.5％Sb，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明的耐热镁合金中稀土元素含量≤5％，室温和高温抗拉强度高，300℃时抗拉强度仍在200MPa以上，使用温度可达300℃，在汽车工业中有着广阔的应用前景。

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
作为最轻的金属结构材料，镁合金在汽车工业中的应用日益增多。采用镁合金可以减轻汽车重量，降低能源消耗，减少尾气排放，缓解环境污染，对于汽车工业有着重要意义。但是，普通镁合金的强度在高温下大幅下降，耐热性能不佳，严重阻碍其在汽车工业中的应用。因此，提高镁合金的耐热性能，是镁合金领域的重要研究课题。
通过适当的合金化，可以改善镁合金的耐热性能，其中，稀土(RE)是提高镁合金耐热性能最有效的合金元素。稀土元素可以细化晶粒，通过细晶强化提高镁合金的室温强度，还可以形成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，通过弥散强化提高镁合金的高温强度，使得Mg-RE系(如WE系)合金可以在较高温度下工作。但是，随着温度的升高，Mg-RE系合金(如商用耐热镁合金WE43)的强度大幅下降，导致高温强度不稳定，这会严重影响镁合金零部件在高温下工作的安全可靠性。
申请公布号为CN 102181763A的中国发明专利公开了一种高温强度稳定的稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5～8％Y，1～3％Sm，0.2～1％Ca，0.2～1％Sb，0.2～1％Al，余量为Mg和不可避免的杂质，Y，Sm的质量百分比之和为7％～9％，稀土元素含量高，合金制备成本较高，且其高温下的力学性能也有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稀土元素含量低且高温力学性能好的耐热镁合金。
本发明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，由以下质量百分比的组分组成：Sm 4.6～5.0％，Al 2.0～2.5％，Ca 1.0～1.5％，Si 0.5～1.0％，Sb 0.3～0.5％，余量为Mg和不可避免的杂质。
上述耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Sm 4.8～5.0％，Al 2.2～2.5％，Ca 1.0～1.2％，Si 0.5～0.8％，Sb 0.3～0.4％，余量为Mg和不可避免的杂质。
所述不可避免的杂质的质量百分比小于0.2％。
上述耐热镁合金，以纯镁，纯铝，纯锑和中间合金Mg-Sm、Mg-Ca、Mg-Si为原料，熔炼、铸造并经过固溶和时效处理而成。
所述中间合金Mg-Sm中Sm的质量分数为25％。加入少量的Sm，可与Al形成高熔点强化相Al2Sm，提高合金的高温强度。
所述中间合金Mg-Ca中Ca的质量分数为25％。加入少量的Ca，可与Al形成高熔点强化相Al2Ca，进一步改善合金的高温强度。
所述中间合金Mg-Si中Si的质量分数为10％。所述耐热镁合金原料中含有中间合金Mg-Si，加入后可形成Mg2Si相金属间化合物，该化合物具有高熔点、低密度、高硬度、高弹性模量和低热膨胀系数，它可强化基体，进一步改善材料的力学性能。
本发明耐热镁合金中含有微量的Sb，在合金凝固过程中，首先析出高熔点的Mg3Sb2作为异质形核核心，使初生Mg2Si相颗粒得到细化，同时部分Sb富集于初生Mg2Si相界面前沿，从而阻碍Mg2Si晶粒的生长。
一种上述耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
将原料纯镁、纯铝、纯锑和中间合金Mg-Sm、Mg-Ca、Mg-Si在CO2+SF6混合气体保护下于710～730℃熔化，得合金液，将合金液升温至740～760℃保温2～5min后浇注至模具中，得到镁合金铸锭，然后进行热处理，即得。
所述中间合金Mg-Sm中Sm的质量分数为25％。
所述中间合金Mg-Ca中Ca的质量分数为25％。
所述中间合金Mg-Si中Si的质量分数为10％。
所述模具为钢制模具。
所述热处理为510～520℃固溶处理6～8小时，200～220℃时效处理12～16小时。
本发明耐热镁合金组分为Mg-Sm-Al-Ca-Si-Sb。本发明采用稀土元素Sm为第一组分，Sm在Mg中的最大固溶度为5.8wt％，为保证强化效果和控制合金成本，Sm的加入量选为4.6～5.0wt％；加入不同含量的Al，Ca，Si，Sb，不仅可以细化晶粒，提高室温强度，而且可以生成高熔点强化相Al2Sm，Al2Ca，Mg2Si，Mg3Sb2，改善高温强度；利用多元合金化的综合作用，进一步提高合金的室温和高温强度。
本发明耐热镁合金稀土元素含量低(≤5％)，室温和高温抗拉强度高，300℃时抗拉强度仍在200MPa以上，使用温度可达300℃，在汽车工业中有着广阔的应用前景。
本发明耐热镁合金的制备方法简单，采用本发明耐热镁合金制备方法得到的耐热镁合金高温下力学性能优异，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
本发明具体实施方式中涉及到的原料均为市售产品，其中纯Mg的纯度为99.8％，纯Al的纯度为99.8％，纯Sb的纯度为99.5％；中间合金Mg-Sm的纯度为99.8％，其中Sm的质量分数为25％；中间合金Mg-Ca的纯度为99.8％，其中Ca的质量分数为25％；中间合金中Mg-Si的纯度为99.8％，其中Si的质量分数为10％。
实施例1
本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Sm 4.6％，Al 2.0％，Ca1.5％，Si 1.0％，Sb 0.5％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素总量小于0.2％。
本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
按上述质量百分比计算得到的各原料重量称取纯镁、纯铝、纯锑和中间合金Mg-Sm、Mg-Ca、Mg-Si，在CO2+SF6混合气体保护下，采用刚玉坩埚和感应炉熔炼合金，使原料于720℃熔化，得合金液，将合金液升温至750℃保温3min后，浇注至钢制模具中，得到镁合金铸锭，然后520℃固溶处理6小时，200℃时效处理16小时，即得。
实施例2
本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Sm 4.8％，Al 2.2％，Ca1.2％，Si 0.8％，Sb 0.4％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素总量小于0.2％。
本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
按上述质量百分比计算得到的各原料重量称取纯镁、纯铝、纯锑和中间合金Mg-Sm、Mg-Ca、Mg-Si，在CO2+SF6混合气体保护下，采用刚玉坩埚和感应炉熔炼合金，待原料于730℃熔化后得合金液，继续加热将合金液升温至760℃保温2min后浇注至钢制模具中，得到镁合金铸锭，然后515℃固溶处理7小时，210℃时效处理14小时，即得。
实施例3
本实施例的含稀土耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Sm 5.0％，Al2.5％，Ca 1.0％，Si 0.5％，Sb 0.3％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素总量小于0.2％。
本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
按上述质量百分比计算得到的各原料重量称取纯镁、纯铝、纯锑和中间合金Mg-Sm、Mg-Ca、Mg-Si，在CO2+SF6混合气体保护下，采用刚玉坩埚和感应炉熔炼合金，待原料于710℃熔化后得合金液，将合金液升温至740℃保温5min后浇注至钢制模具中，得到镁合金铸锭，随后510℃固溶处理8小时，220℃时效处理12小时，即得。
实验例
以商用WE43合金(Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr)为对比例，对实施例1-3所得耐热镁合金及对比例WE43合金进行拉伸试验：
将实施例1-3及对比例所得镁合金按照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》加工成标准拉伸试样，然后在岛津AG-I 250kN电子拉伸试验机上进行室温和高温拉伸试验，拉伸速率为1mm/min，高温拉伸时，要保温5分钟再进行拉伸，拉伸试验结果如表1所示。从表中可以看出，实施例1-3所得的耐热镁合金，在300℃的抗拉强度仍在200MPa以上，与室温下抗拉强度相比仅降低了24％左右，与200℃时抗拉强度相比仅降低了16％左右，具有优异的室温和高温抗拉强度。与对比例WE43合金相比，稀土含量更低，抗拉强度更高，使用温度可达300℃，在合金成本、强度性能和使用温度方面均优于WE43合金。
表1实施例1-3所得耐热镁合金及对比例WE43合金的抗拉强度

Claims (10)

1.一种耐热镁合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：Sm 4.6～5.0％，Al2.0～2.5％，Ca 1.0～1.5％，Si 0.5～1.0％，Sb 0.3～0.5％，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，由以下质量百分比的组分组成：Sm4.8～5.0％，Al 2.2～2.5％，Ca 1.0～1.2％，Si 0.5～0.8％，Sb 0.3～0.4％，余量为Mg和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的耐热镁合金，其特征在于，所述不可避免的杂质的质量百分比小于0.2％。
4.根据权利要求1或2所述的耐热镁合金，其特征在于，以纯镁，纯铝，纯锑和中间合金Mg-Sm、Mg-Ca、Mg-Si为原料，熔炼、铸造并经过固溶和时效处理而成。
5.根据权利要求4所述的耐热镁合金，其特征在于，所述中间合金Mg-Sm中Sm的质量分数为25％。
6.根据权利要求4所述的耐热镁合金，其特征在于，所述中间合金Mg-Ca中Ca的质量分数为25％。
7.根据权利要求4所述的耐热镁合金，其特征在于，所述中间合金Mg-Si中Si的质量分数为10％。
8.一种如权利要求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：
将原料纯镁、纯铝、纯锑和中间合金Mg-Sm、Mg-Ca、Mg-Si在CO2+SF6混合气体保护下于710～730℃熔化，得合金液，将合金液升温至740～760℃保温2～5min后浇注至模具中，得到镁合金铸锭，然后进行热处理，即得。
9.根据权利要求8所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述模具为钢制模具。
10.根据权利要求8所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述热处理为510～520℃固溶处理6～8小时，200～220℃时效处理12～16小时。
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Assignee: Luoyang Timon Bearing Technology Co., Ltd.

Assignor: Henan University of Science and Technology

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Denomination of invention: Heat-resistant magnesium alloy and preparation method thereof

Granted publication date: 20181207

License type: Common License

Record date: 20191101

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Granted publication date: 20181207

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