CN107974597A - 一种压铸用的镁钪合金及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在700‑800度之间熔炼压铸用的镁钪合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的化学成分为：Sc:0.8‑1.2wt.%,Li:0.5‑0.8wt.%,Ca:1.2‑1.4wt.%,Si:1.8‑2.4wt.%,Hf:0.3‑0.5wt.%,Mo:0.4‑0.6wt.%,Ho:0.1‑0.2wt.%,B:0.4‑0.9wt.%，余量为镁。该镁钪合金材料具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的保护气氛下的压力铸造。特别是适合铸造要求具备轻量化特征的轻型结构材料，具有巨大的市场前景。

Description

一种压铸用的镁钪合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镁钪合金。

背景技术

镁合金具有密度小、散热性好、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能佳及原料丰富等优点，在航空天、汽车等领域己有较长的应用历史。但镁合金为hcp结构，塑性变形能力较差，这在很大程度上限制了它的使用性能和应用范围。将钪加入镁合金可使其加工性能得到很大改善。镁钪合金是金属结构材料中密度比较低的特殊合金。随着当今世界对结构材料轻量化、减重节能、环保以及可持续发展要求的日益提高，镁钪合金在需要轻量化结构材料的交通、电子、医疗产品等领域展现出了广阔的应用前景。

镁钪合金具有镁合金没有的一系列特点。高的比强度和比刚度；抗高能粒子穿透能力强，电磁屏蔽性能优；低温力学性能和切削加工性能好；新型镁钪合金，同样大小，重量只有铝合金的一半，但比强度高于铝合金。与铝合金相比，它能减重40-50wt.%，与一般镁合金相比，能减重20-30wt.%；阻尼性能优异，衰减系数是铝合金的十几倍，减震降噪效果好，在屏蔽电磁干扰方面表现突出。镁钪合金在电子产品、医疗器械、户外器材等领域有着广泛用途，如笔记本电脑、手机、摄像机、照相机的外壳等，都要求轻型化。镁钪合金已进入汽车制造领域，运用于方向盘、仪表盘等。此外，如通讯基站、散热片、照相机三脚架等，用镁钪合金制造的话，能减轻很多重量。

但是, 钪和锂属于活泼元素,在大气环境下很容易和氧气或者氮气进行剧烈的反应。在镁钪合金冶炼过程中, 为了防止镁钪熔体的氧化燃烧，传统中通常采用保护气体或者熔剂保护熔炼。（1）气体保护熔炼：气体保护熔炼通常是指熔炼过程中在镁钪合金熔体表面填充惰性气体或者能够与镁钪合金反应生成致密保护膜的气体，从而隔绝空气中的氧。(2)熔剂保护熔炼：熔炼镁钪合金用的熔剂有覆盖作用。熔融的熔剂借助表面张力的作用，在熔体表面形成连续、完整的覆盖层。隔绝空气，阻止镁钪合金与空气中氧气、水分的反应，防止了氧化。但是，这两种方法的使用都因其存在难以避免的缺陷而受到限制。例如,易产生有毒气体污染环境和造成熔剂夹杂而损害合金性能。而且熔剂夹杂容易成为产品在使用过程中的腐蚀源，加速材料腐蚀，降低使用寿命。此外，熔剂中的氯盐和氟盐在高温下易挥发产生某些强腐蚀性气体，破坏厂房、设备及生态环境。

合金压力铸造是利用外加的压力，借助模具一定的温度梯度，让铸件按设定的凝固方向凝固，以利铸件及时得到熔体的补充。再加上机台，模具合理的设计、司炉、浇筑员的正确操作，才能铸造出理想的铸件。但是，当镁钪合金充型和补缩进行铸造时，熔体充型过程中容易产生紊流，使合金液易卷气和氧化，因此在镁合金铸件中容易产生针孔、气孔及夹杂等缺陷。

本发明提供了一种在700-800度之间熔炼压铸用的镁钪合金及其加工工艺，且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有现有镁钪合金的力学性能。该镁钪合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显，熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差，制品成品率低、高温强度低、废品料及渣料回用性差等技术难题。同时，该镁钪合金材料适合于薄壁零件的保护气氛下的压力铸造，特别是适合铸造要求具备轻量化特征的轻型结构材料，具有巨大的市场前景。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有极其优异压铸性能的镁钪合金及其加工工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种在700-800度之间熔炼压铸用的镁钪合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为：Sc:0.8-1.2wt.%,Li:0.5-0.8wt.%,Ca:1.2-1.4wt.%,Si:1.8-2.4wt.%, Hf:0.3-0.5wt.%,Mo:0.4-0.6wt.%,Ho:0.1-0.2wt.%,B:0.4-0.9wt.%，余量为镁。该镁钪合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.0-5.0wt.%左右。

上述镁钪合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到700-800度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在700-800度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为6-8m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钪合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理420度，3.2小时；真空时效处理160度，2.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1） 本发明专利针对目前镁钪合金的铸造性能还不能完全满足现有需求的现状提供了一种新颖的材料学解决方案。通过新颖的材料学方法来优选合金中的元素种类和含量，所得产品不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的铸造性能和优异的合金收得率。

（2） 该镁钪合金具有及其优异的在大气环境下冶炼时的阻燃性能。其机理是在镁钪合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学反应与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的。

（3） 本专利提出的镁钪合金铸造性能十分优良。且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到最小壁厚为2mm的铸件，可铸出直径为0.5 mm左右的小孔，而一般镁合金在压力铸造条件下，只能铸出最小壁厚为3mm，最小孔径1mm的铸件。

（4） 该镁合金在加入钪和锂后，使晶粒得到细化。此外，该合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。使得合金使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

（5） 该材料具有传统镁合金的力学性能：弹性模量为60-75GPa，屈服强度为100-140MPa，抗拉强度为180-210MPa，延伸率为6-12%。并具有传统镁合金不具备的高导热性能：热导率为120-130W/m﹒K，传统镁合金为80W/m﹒K左右。该镁钪合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。

具体实施方式

实施例1

一种在710度熔炼压铸用的镁钪合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Sc:0.9wt.%,Li:0.6wt.%,Ca:1.3wt.%,Si:1.9wt.%,Hf:0.4wt.%,Mo:0.5wt.%,Ho:0.1wt.%,B:0.5wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到710度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在710度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为6m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钪合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理420度，3.2小时；真空时效处理160度，2.5小时。该材料具有传统镁合金的力学性能：弹性模量为62GPa，屈服强度为115MPa，抗拉强度为194MPa，延伸率为9.6%。并具有传统镁合金不具备的高导热性能：热导率为126W/m﹒K，传统镁合金为80W/m﹒K左右。该镁钪合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。

实施例2

一种在740度熔炼压铸用的镁钪合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Sc:1.1wt.%,Li:0.6wt.%,Ca:1.3wt.%,Si:1.9wt.%,Hf:0.4wt.%,Mo:0.5wt.%,Ho:0.1wt.%,B:0.5wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到740度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在740度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钪合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理420度，3.2小时；真空时效处理160度，2.5小时。该材料具有传统镁合金的力学性能：弹性模量为72GPa，屈服强度为132MPa，抗拉强度为201MPa，延伸率为6.4%。并具有传统镁合金不具备的高导热性能：热导率为126W/m﹒K，传统镁合金为80W/m﹒K左右。该镁钪合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。

实施例3

一种在790度熔炼压铸用的镁钪合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Sc:0.9wt.%,Li:0.6wt.%,Ca:1.3wt.%,Si:2.3wt.%,Hf:0.4wt.%,Mo:0.5wt.%,Ho:0.1wt.%,B:0.6wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到790度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在790度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为7m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钪合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理420度，3.2小时；真空时效处理160度，2.5小时。该材料具有传统镁合金的力学性能：弹性模量为72GPa，屈服强度为125MPa，抗拉强度为194MPa，延伸率为9.4%。并具有传统镁合金不具备的高导热性能：热导率为125W/m﹒K，传统镁合金为80W/m﹒K左右。该镁钪合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。

Claims (3)

1.一种在700-800度之间熔炼压铸用的镁钪合金及其加工工艺，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Sc:0.8-1.2wt.%,Li:0.5-0.8wt.%,Ca:1.2-1.4wt.%,Si:1.8-2.4wt.%, Hf:0.3-0.5wt.%,Mo:0.4-0.6wt.%,Ho:0.1-0.2wt.%,B:0.4-0.9wt.%，余量为镁。

2.根据权利要求1所述镁钪合金的制备方法，其特征在于合金的制备方法包含如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到700-800度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在700-800度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为6-8m/min。

3.根据权利要求1所述镁钪合金的使用方法，其特征在于包含如下加工步骤：该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁钪合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理420度，3.2小时；真空时效处理160度，2.5小时。