CN107475588B - 一种用于汽车零部件的镁合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于汽车零部件的镁合金，通过合理添加Mn、Ga、Sb、Zn和Zr等合金元素，实现了提高镁合金加工性能和耐腐蚀性的目的，能够满足汽车用零部件的性能要求。通过对现有的热处理和时效工艺的改进，使镁合金晶粒细化且均匀性改善，能生产出机械性能较好的镁合金，工艺安全可靠，操作方便。并且，本发明淬火液的冷却性能不仅能满足铸件冷却时不开裂，还能够保证铸件冷却的均匀性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料领域，具体的说，是涉及一种用于汽车零部件的镁合金。
背景技术
汽车行业是能源消耗以及二氧化碳等温室气体排放的大户。假设当前全球的汽车保有量为10亿辆，每辆车每年行驶2万公里、每百公里消耗汽油7升，则全球汽车年消耗汽油的总量为14亿吨。可见，汽车是矿物能源的土要消费者之一。因此，对汽车行业中的节能降耗技术进行革新将在竹能减排上产生显著的规模效应；进一步来看，若是哪个国家能抓住新旧能源更迭的机遇，抢先实现本国汽车行业的转型，将掌握新能源时代下汽车行业的土导权和话语权。出于能源安全战略的考虑和在节能减排效益的刺激下，各国制定具体政策，鼓励并推动世界各大汽车公司开发新能源汽车，力争将汽车的能耗和排放降低到最小，并顺利过渡到以新能源为动力的后汽车时代。汽车行业在政策的引导和自身利益的推动下沿两种思路发展：一是以高容量电池为中介，实现新能源（电能、氢能）替代传统的化学能（石油）；二是广泛采用镁合金、高分子材料替代传统材质，降低汽车重量，据测试，轿车质量每减轻100kg， 油耗可降低5%，所以说减重可最终达到节能的目标。在前一种思路的指引下，各国汽车厂商公司已研发出新型电池，分别推出新能源汽车，动力系统从矿物燃料引擎升级为汽油-电力混合系统或纯电力驱动系统，使用的能源由汽油更换为电。而后一种思路在世界范围引起汽车镁合金化的趋势中，开发镁合金的高致密度铸造、挤压铸造、板材成形、焊接等手段，扩大镁合金在汽车上的用量，使镁合金在汽车上的使用规模由单个零部件上升至系统性应用。
用于制造汽车零部件的镁合金种类较多，包括Mg-Mn合金、Mg-Zn合金和Mg-Al合金。其中，Mg-Al合金用量最大，因为添加Al元素能提高镁合金的强度及铸造性能，而且成本较低。在Mg-Al合金加入少量Mn元素可降低杂质Fe的含量比。基于Al、Mn元素设计的镁合金牌号有AZ系列的AZ91D和AM系列的AM60等。
但镁合金的强度低于铝合金，远低于钢，在汽车上的用途受限，仅能生产结构件，无法用作车身的材质。镁仅有{1120}一个密排面和三个密排方向，总计三个滑移系，加工性能较差，塑性变形能力较差。其次，镁合金结晶温度范围较宽，热导率较低，体收缩较大，且晶粒粗化倾向严重，凝固过程中易产生缩松以及热裂等缺陷。并且，镁合金的耐腐蚀性差，镁合金在多盐环境下耐水腐蚀性与铸铝合金差不多，但它们的耐电化学腐蚀性能非常差。因此当镁合金部件与钢部件连接在一起时，或者两个镁合金部件使用钢紧固件进行连接时，镁合金会加速腐蚀。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够弥补现有技术产品的缺陷，具有良好的强度、可加工性和耐腐蚀性的用于汽车零部件的镁合金。具体如下：
一种用于汽车零部件的镁合金，其特征在于，所述镁合金的原料包含以下元素组成： Al:2.50-3.50%，Zn:2.00-2.50%，Mn:0.50-1.00%，Zr:0.80-1.50%，Ga:0.10-0.20%，Sb:0.05-0.10%，Ca:0.05-0.15%，B:0.10-0.20%，P:0.10-0.20%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比；所述镁合金的制备方法包括如下步骤：
(1)将上述原料进行熔炼，熔炼时采用氮气保护，得到合金液；
(2)采用氮气保护将所述合金液进行浇铸，浇铸前将铸型预热到200~250℃，冷却后得到镁合金铸件；
(3)将步骤(2)得到的镁合金铸件进行热处理，先加热到500~600℃淬火，淬火冷却时采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，将冷却到室温后的镁合金铸件在350~400℃保温2~3h回火，空冷至室温后，再次加热至350~450℃保温1~2h二次回火，再空冷至室温；
(4)将热处理后的镁合金铸件进行冷加工，然后时效，水冷至一定温度后，空冷至室温，得到镁合金产品。
优选地，所述冷加工的变形量为20~25%。
优选地，所述步骤(1)中，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至400~450℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至800~820℃，待合金完全熔化后静置2~3h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至650~700℃保温1.5~3h，然后继续降温至200~220℃后，重新加热至600~650℃，得到合金液。
优选地，所述步骤(3)中，所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。
优选地，所述步骤(4)中，将热处理后的镁合金铸件进行冷加工，然后时效1~2h，时效温度为150~200℃，然后水冷至100~120℃，空冷至室温，得到镁合金产品。
所述镁合金产品的屈服强度≥450MPa，延伸率≥14%。
本发明至少具有以下有益效果：
1、根据本发明实施例的镁合金，通过合理添加Mn、Ga、Sb、Zn和Zr等合金元素，可实现提高镁合金加工性能和耐腐蚀性的目的，能够满足汽车用零部件的性能要求。
2、根据本发明实施例对现有的热处理和时效工艺的改进，使镁合金晶粒细化且均匀性改善，能生产出机械性能较好的镁合金，工艺安全可靠，操作方便。
3、根据本发明实施例对淬火液的选择，其具有高的粘度，能够有效降低淬火液的冷却速度，从而在保证镁合金铸件力学性能的前提下大幅降低了铸件开裂风险，淬火液的冷却性能不仅能满足铸件冷却时不开裂，还能够保证铸件冷却的均匀性和稳定性。
具体实施方式
镁合金在汽车上的应用已经涉及60多种零部件，国内外众多汽车公司已采用镁合金零部件替代原有的铝合金汽车零部件和塑料零部件，包括：发动机壳体和盖、变速箱壳体和盖、离合器壳体、液力变扭器壳体、发电机托架、刹车踏板支架、车身壳体框架、车门、车轮、方向盘、仪表盘、后桥驱动器、转向节、座椅支架、把手等10多种零部件。为了适应上述汽车零部件的应用环境和性能标准，本发明从成分、工艺等方面对镁合金的现有技术做出了多重改进。
本发明在镁合金的合金成分上做了改良，利用元素间的协同作用，提高了镁合金产品的综合性能。例如，Mn元素容易与有害杂质结合，消除了有害元素对合金耐蚀性的损害，Ga、Sb元素的加入可以促进Mn元素这一作用，大大降低了合金的腐蚀速度，延长了产品寿命。Zn和Zr元素可有效细化铸件的晶粒，屈服强度得到较大提升。
尽管在现有技术中镁合金的退火、淬火、回火等热处理工艺有很多可选方式，但为了使镁合金利用沿晶界形成的第二相获得更好的力学性能，本发明采用了利用淬火液进行的淬火过程和二次回火来获得所需要的均质化时间。但更多或更复杂的淬火和回火将增加经济上的成本，因此，本发明选择了淬火（高分子聚合物水溶液作为淬火液）+二次回火的优化热处理方式。
下面结合实施例和对比例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
一种用于汽车零部件的镁合金，其特征在于，所述镁合金的原料包含以下元素组成： Al:2.50%，Zn:2.50%，Mn:1.00%，Zr:1.50%，Ga:0.10%，Sb:0.05%，Ca:0.15%，B:0.10%，P:0.10%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比；所述镁合金的制备方法包括如下步骤：(1)将上述原料进行熔炼，熔炼时采用氮气保护，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至400℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至800℃，待合金完全熔化后静置3h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至650℃保温3h，然后继续降温至200℃后，重新加热至600℃，得到合金液。(2)采用氮气保护将所述合金液进行浇铸，浇铸前将铸型预热到200℃，冷却后得到镁合金铸件。(3)将步骤(2)得到的镁合金铸件进行热处理，先加热到500℃淬火，淬火冷却时采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，将冷却到室温后的镁合金铸件在350℃保温3h回火，空冷至室温后，再次加热至350℃保温2h二次回火，再空冷至室温。所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。(4)将热处理后的镁合金铸件进行变形量为25%的冷加工，然后时效2h，时效温度为150℃，然后水冷至100℃，空冷至室温，得到镁合金产品。所述镁合金产品的屈服强度为450MPa，延伸率为14%。
实施例2：
一种用于汽车零部件的镁合金，其特征在于，所述镁合金的原料包含以下元素组成： Al:3.50%，Zn:2.50%，Mn:1.00%，Zr:1.00%，Ga:0.20%，Sb:0.10%，Ca:0.15%，B:0.20%，P:0.10%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比；所述镁合金的制备方法包括如下步骤：(1)将上述原料进行熔炼，熔炼时采用氮气保护，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至450℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至820℃，待合金完全熔化后静置2h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至700℃保温1.5h，然后继续降温至220℃后，重新加热至650℃，得到合金液。(2)采用氮气保护将所述合金液进行浇铸，浇铸前将铸型预热到250℃，冷却后得到镁合金铸件。(3)将步骤(2)得到的镁合金铸件进行热处理，先加热到600℃淬火，淬火冷却时采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，将冷却到室温后的镁合金铸件在400℃保温2h回火，空冷至室温后，再次加热至450℃保温1h二次回火，再空冷至室温。所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。(4)将热处理后的镁合金铸件进行变形量为20%的冷加工，然后时效1h，时效温度为200℃，然后水冷至120℃，空冷至室温，得到镁合金产品。所述镁合金产品的屈服强度为460MPa，延伸率为15%。
实施例3：
一种用于汽车零部件的镁合金，其特征在于，所述镁合金的原料包含以下元素组成： Al:3.00%，Zn:2.20%，Mn:0.80%，Zr:0.90%，Ga:0.15%，Sb:0.08%，Ca:0.10%，B:0.15%，P:0.15%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比；所述镁合金的制备方法包括如下步骤：(1)将上述原料进行熔炼，熔炼时采用氮气保护，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至450℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至800℃，待合金完全熔化后静置2h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至700℃保温3h，然后继续降温至220℃后，重新加热至600℃，得到合金液。(2)采用氮气保护将所述合金液进行浇铸，浇铸前将铸型预热到250℃，冷却后得到镁合金铸件。(3)将步骤(2)得到的镁合金铸件进行热处理，先加热到500℃淬火，淬火冷却时采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，将冷却到室温后的镁合金铸件在400℃保温2h回火，空冷至室温后，再次加热至450℃保温1h二次回火，再空冷至室温。所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。(4)将热处理后的镁合金铸件进行变形量为25%的冷加工，然后时效2h，时效温度为200℃，然后水冷至120℃，空冷至室温，得到镁合金产品。所述镁合金产品的屈服强度为450MPa，延伸率为15%。
对比例1：
将不同于本发明镁合金的成分作为原料，特别不含有或含有含量不同的Mn、Ga、Sb、Zn或Zr等合金元素时，由于元素比例的改变，导致即便后续的热处理、时效工序相同，其镁合金产品的耐蚀性和可加工性较差，所得到的成品的屈服强度仅为350MPa，延伸率仅为10%。
对比例2：
将元素成分和比例与本发明技术方案相同的镁合金，仅采用现有技术中的热处理方式，其所得到的镁合金由于缺少淬火和二次回火步骤，有明显晶粒粗化的现象，易产生缩送、热裂等缺陷，所得到的镁合金成品的屈服强度仅为280MPa，延伸率仅为10%。
对比例3：
不对热处理后的镁合金采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，则所得到的镁合金由于冷却速度过高，很可能导致共晶组织向粗大连续“蜂窝”状的结构转变，使产品塑性降低，所得到的镁合金成品的屈服强度为320MPa，延伸率仅为7%。
由实施例1-3和对比例1-3可以看出，本发明通过合理添加Mn、Ga、Sb、Zn和Zr等合金元素，实现了提高镁合金加工性能和耐腐蚀性的目的，能够满足汽车用零部件的性能要求。通过对现有的热处理和时效工艺的改进，使镁合金晶粒细化且均匀性改善，能生产出机械性能较好的镁合金，工艺安全可靠，操作方便。并且，本发明淬火液的冷却性能不仅能满足铸件冷却时不开裂，还能够保证铸件冷却的均匀性和稳定性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种用于汽车零部件的镁合金，其特征在于，所述镁合金的原料包含以下元素组成：Al:2.50-3.50%，Zn:2.00-2.50%，Mn:0.50-1.00%，Zr:0.80-1.50%，Ga:0.10-0.20%，Sb:0.05-0.10%，Ca:0.05-0.15%，B:0.10-0.20%，P:0.10-0.20%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比；所述镁合金的制备方法包括如下步骤： (1)将上述原料进行熔炼，熔炼时采用氮气保护，得到合金液； (2)采用氮气保护将所述合金液进行浇铸，浇铸前将铸型预热到200~250℃，冷却后得到镁合金铸件； (3)将步骤(2)得到的镁合金铸件进行热处理，先加热到500~600℃淬火，淬火冷却时采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，将冷却后的镁合金铸件在350~400℃保温2~3h回火，空冷至室温后，再次加热至350~450℃保温1~2h二次回火，再空冷至室温； (4)将热处理后的镁合金铸件进行冷加工，然后时效，水冷至一定温度后，空冷至室温，得到镁合金产品。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽车零部件的镁合金，其特征在于：所述冷加工的变形量为20~25%。
3.根据权利要求1或2所述的镁合金，其特征在于：所述步骤(1)中，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至400~450℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至800~820℃，待合金完全熔化后静置2~3h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至650~700℃保温1.5~3h，然后继续降温至200~220℃后，重新加热至600~650℃，得到合金液。
4.根据权利要求3所述的镁合金，其特征在于：所述步骤(3)中，所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。
5.根据权利要求4所述的镁合金，其特征在于：所述步骤(4)中，将热处理后的镁合金铸件进行冷加工，然后时效1~2h，时效温度为150~200℃，水冷至100~120℃，空冷至室温，得到镁合金产品。
6.根据权利要求5所述的合金，其特征在于：所述镁合金产品的屈服强度≥450MPa，延伸率≥14%。
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