CN108179337B - 一种抗高温蠕变的压铸镁合金及其压铸方法 - Google Patents

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Abstract

一种抗高温蠕变的压铸镁合金及其压铸方法，镁合金的成分及质量百分比为：Al 8.5～9.5%，Zn 0.6～0.9%，Zr 0.1～0.3%，B 0.05～0.15%，Cr 0.05～0.1%，Yb 0.01～0.02%，Se 0.05～0.15%，Fe≤0.05%，余量为Mg和不可避免的其它杂质。压铸方法包括配料、熔化镁合金液、压铸成形和固溶时效处理。本发明在优化Al、Zn主合金元素的基础上，通过多元微合金化处理，细化α‑Mg晶粒，变质富Fe相和Mg17Al12、MgZn2相，提高压铸镁合金的强度、耐热性能和抗高温蠕变性能，适合于压铸汽车、摩托车、电子电器等用镁合金零部件。

Description

一种抗高温蠕变的压铸镁合金及其压铸方法
技术领域
本发明属于镁合金压铸技术领域，具体是涉及一种抗高温蠕变的压铸镁合金及其压铸方法。
背景技术
镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果好等优点，在电子信息、体育运动器材、五金工具、医疗器械、交通运输、航空航天等领域具有广阔的应用潜力，如各种电子电器、电动工具的外壳，汽车发动机的缸体、缸盖、轿车侧门、仪表盘、座椅骨架等。
压铸技术可以成形各种结构复杂零部件，具有生产效率高的优点，是镁合金零部件的主要成形技术。目前压铸用镁合金主要是Mg-Al系铸造镁合金，如AZ81、AZ91等牌号的铸造镁合金，这些牌号的镁合金由于Al含量较高而具有很好的铸造流动性，非常适合于压铸成形各种形状复杂的薄壁零部件。然而这些镁合金的耐热性能较差，当温度达到150℃时，镁合金的强度会急剧下降，镁合金的高温蠕变性能比常用的铝合金低一个数量级以上，导致镁合金零部件容易出现高温蠕变失效，这极大地限制了镁合金零部件在高温环境下的应用。
因此，现有压铸用镁合金及其压铸方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、耐热性能好、抗高温蠕变的压铸镁合金及其压铸方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述抗高温蠕变的压铸镁合金，其特点是：该镁合金采用压铸技术制成，且由以下质量百分比的成分组成：Al 8.5～9.5%，Zn 0.6～0.9%，Zr 0.1～0.3%，B 0.05～0.15%，Cr 0.05～0.1%，Yb 0.01～0.02%，Se 0.05～0.15%，Fe ≤0.05%，余量为Mg和不可避免的其它杂质，其中，Zr与B的质量比为2:1，Cr与Yb的质量比为5:1，其它杂质单个含量小于0.01%，总量小于0.05%。
本发明所述抗高温蠕变的压铸镁合金的压铸方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：按照镁合金的成分组成及质量百分，选用Mg10Zr5B合金、Mg5Cr1Yb合金、Mg5Se合金及纯度为99.9%的镁锭、99.7%的铝锭和99.85%的锌锭作为原材料进行配料；
第二步：在680～720℃加热熔化镁锭，然后加入占原材料总重量8.5～9.5%的铝锭、0.6～0.9%的锌锭、1～3%的Mg10Zr5B合金、1～2%的Mg5Cr1Yb合金和1～3%的Mg5Se合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：对镁合金液进行精炼除气除渣后，在模具型腔温度150～200℃、压射速度1.5～2米/秒、压射比压40～50MPa、增压压力60～70MPa条件下，将镁合金液压铸成镁合金；
第四步：将压铸成的镁合金在390～400℃固溶处理6～8小时，水淬后，在150～160℃时效处理10～12小时，随炉冷却后得到抗高温蠕变的压铸镁合金，该抗高温蠕变的压铸镁合金的室温抗拉强度大于280MPa，150℃的高温抗拉强度大于220MPa，在施加应力50MPa、150℃条件下，100小时的蠕变速率小于1.8×10-9s-1，蠕变应变小于0.2%。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明在优化Al、Zn主合金元素的基础上，通过多元微合金化，细化变质α-Mg晶粒、富Fe相以及Mg17Al12、MgZn2相，提高压铸镁合金的强度、耐热性能和抗高温蠕变性能；
（2）本发明压铸镁合金的室温抗拉强度大于280MPa，150℃的高温抗拉强度大于220MPa，在施加应力50MPa、150℃条件下，镁合金100小时的蠕变速率小于1.8×10-9s-1，蠕变应变小于0.2%，压铸镁合金具有强度高、耐热性能好和抗高温蠕变的优点。
具体实施方式
下面对本发明所述抗高温蠕变的压铸镁合金的成分组成意义和含量范围限定理由进行说明。
本发明所述的抗高温蠕变的压铸镁合金，由以下质量百分比的成分组成：Al 8.5～9.5%，Zn 0.6～0.9%，Zr 0.1～0.3%，B 0.05～0.15%，Cr 0.05～0.1%，Yb 0.01～0.02%，Se 0.05～0.15%，Fe ≤0.05%，余量为Mg和不可避免的其它杂质，其中，Zr与B的质量比为2:1，Cr与Yb的质量比为5:1，其它杂质单个含量小于0.01%，总量小于0.05%。
Al和Zn是压铸镁合金的主要合金元素，在镁合金中具有固溶强化作用外，Al、Zn与Mg还可以分别形成Mg17Al12、MgZn2共晶液相，提高镁合金的压铸流动性。Al、Zn的含量越高，Mg17Al12和MgZn2相的体积分数也越多，镁合金的强度越高，压铸流动性越好，但镁合金的高温强度会逐渐下降。Al含量低于8.5%，Zn含量低于0.6%，镁合金无法获得足够的压铸流动性和强度，而Al含量超过9.5%，Zn含量超过0.9%，压铸镁合金的高温强度会显著下降。因此，Al含量选择在8.5～9.5%，Zn含量选择在0.6～0.9%。
Zr、B是以Mg10Zr5B合金形式加入到镁合金中，Zr与B质量比为2:1的Mg10Zr5B合金由氟锆酸钾和碳粉的混合物与镁液高温反应得到，内部含有大量的ZrB2粒子，ZrB2粒子都具有熔点高、稳定性好的特点，ZrB2粒子与镁同为密排六方晶体结构，并且晶格常数相近，晶格常数错配度非常低，是镁晶粒的优良非均质形核核心，大量的ZrB2粒子进入到镁合金中，不仅可以细化镁合金的晶粒，更重要的是这些ZrB2粒子分布于晶界和相界，可钉扎晶界和相界，还能起到显著的弥散强化作用，提高镁合金的高温强度和抗高温蠕变性能。发明人的大量实验研究表明，当Mg10Zr5B合金的添加量小于1%，加入的Mg10Zr5B合金对镁合金只有晶粒细化作用，只有当Mg10Zr5B合金的添加量大于或等于1%时，才能提高镁合金的高温强度和抗高温蠕变性能。当添加1～3%的Mg10Zr5B合金，镁合金内部含有0.1～0.3%的Zr和0.05～0.15%的B，不仅可以细化镁合金的晶粒，还可显著提高镁合金的高温强度和抗高温蠕变性能。
Cr、Yb是以Mg5Cr1Yb合金形式加入到压铸镁合金中，主要作用是细化变质富Fe相。Fe是镁锭、铝锭、锌锭中不可避免的杂质元素，在镁合金中通常以粗大针状富Fe相形式分布在镁合金基体中，粗大针状富Fe相会严重割裂镁合金基体，是导致传统压铸镁合金强度偏低、特别是塑性较低的主要原因。发明人通过大量实验研究后发现，单独添加Cr元素或Yb元素对粗大针状富Fe相的生长都有抑制作用，但都无法完全消除粗大针状富Fe相。研究发现，当复合添加0.05～0.1%的Cr元素和0.01～0.02%的Yb元素，且Cr与Yb的质量比为5:1时，通过Cr与Yb的交互作用对富Fe相进行细化变质，可以完全抑制富Fe相按针状方向生长，使富Fe相从粗大针状转变为细小均匀的颗粒状，消除富Fe相对压铸镁合金强度和塑性的影响，显著提高压铸镁合金的强度和塑性。Cr元素含量小于0.05%，或者Yb元素含量小于0.01%，或者Cr与Yb的质量比不是5:1时，都无法完全消除粗大针状富Fe相。因此，Mg5Cr1Yb合金添加量选择1～2%，压铸镁合金含有0.05～0.1%的Cr和0.01～0.02%的Yb。
Se在压铸镁合金中主要作用是细化变质Mg17Al12和MgZn2相。Mg17Al12、MgZn2相通常呈粗大的薄片状分布在镁合金中，给高温下镁合金的塑性变形提供了更多的滑移表面，这也是Mg-Al系镁合金高温强度低、抗高温蠕变性能差的主要原因。申请人通过反复实验研究后发现，Se元素对Mg17Al12、MgZn2相具有明显细化变质作用，添加0.05～0.1%的Se元素，可使Mg17Al12、MgZn2相的形态从粗大的薄片状转变为细小的颗粒状，进而可以消除薄片状Mg17Al12、MgZn2相对镁合金高温强度的负面影响，显著提高镁合金的高温强度和抗高温蠕变性能。
下面对本发明所述抗高温蠕变压铸镁合金的压铸方法以及工艺参数限定理由进行说明。
本发明所述的抗高温蠕变压铸镁合金的压铸方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：按照镁合金的成分组成及质量百分，选用纯度为99.9%的镁锭、99.7%的铝锭、99.85%的锌锭、Mg10Zr5B合金、Mg5Cr1Yb合金和Mg5Se合金为原材料进行配料；
第二步：在680～720℃加热熔化镁锭，然后加入占原材料总重量8.5～9.5%的铝锭、0.6～0.9%的锌锭、1～3%的Mg10Zr5B合金、1～2%的Mg5Cr1Yb合金和1～3%的Mg5Se合金，搅拌熔化成镁合金液；
Fe、Si、Mn、Cu、Sn、Pb等是镁锭、铝锭和锌锭中常见的杂质元素，杂质元素含量太高，不仅会降低镁合金力学性能，还会降低镁合金耐腐蚀性能，因此必须严格控制这些杂质元素的含量。本发明通过选用纯度为99.9%的镁锭、99.7%的铝锭、99.85%的锌锭作为主要原材料，控制Fe含量小于0.05%，Si、Mn、Cu、Sn、Pb等杂质元素的单个含量小于0.01%，总量小于0.05%，确保压铸镁合金获得高力学性能和耐腐蚀性能；
第三步：对镁合金液进行精炼除气除渣后，在模具型腔温度150～200℃、压射速度1.5～2米/秒、压射比压40～50MPa、增压压力60～70MPa条件下，将镁合金液压铸成镁合金；
第四步：将压铸镁合金在390～400℃固溶处理6～8小时，水淬后，在150～160℃时效处理10～12小时，随炉冷却后得到抗高温蠕变的压铸镁合金。
镁合金的成分不同决定其压铸工艺及热处理工艺也与其它镁合金的不同。申请人对本发明压铸镁合金的压铸工艺和热处理工艺进行系统研究后发现，在模具型腔温度150～200℃、压射速度1.5～2米/秒、压射比压40～50MPa、增压压力60～70MPa条件下，镁合金可压铸成各种形状复杂且组织致密的零部件，在4390～400℃固溶处理6～8小时，水淬后，在150～160℃时效处理10～12小时，随炉冷却后，压铸镁合金可得到期望的强度和抗高温蠕变性能，如果压铸工艺及热处理工艺不在上述匹配范围内，压铸镁合金均达不到期望的强度和抗高温蠕变性能。
下面再结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，以便更好的理解本发明的技术方案。
实施例1：
抗高温蠕变的压铸镁合金由以下质量百分比的成分组成：Al 8.5%，Zn 0.9%，Zr0.1%，B 0.05，Cr 0.05%，Yb 0.01%，Se 0.05%，Fe ≤0.05%，余量为Mg和不可避免的其它杂质，其它杂质单个含量小于0.01%，总量小于0.05%。其压铸方法包括以下步骤：
第一步：按照镁合金的成分组成及质量百分，选用Mg10Zr5B合金、Mg5Cr1Yb合金、Mg5Se合金及纯度为99.9%的镁锭、99.7%的铝锭和99.85%的锌锭作为原材料进行配料；
第二步：在体积百分比为0.5%SF6+99.5%CO2的混合气体保护下，于680℃加热熔化镁锭，然后加入占原材料总重量8.5%的铝锭、0.9%的锌锭、1%的Mg10Zr5B合金、1%的Mg5Cr1Yb合金和1%的Mg5Se合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：用占镁合金液重量为0.5%的MgCl2精炼剂对镁合金液进行精炼除气除渣，在模具型腔温度200℃、压射速度1.5米/秒、压射比压50MPa、增压压力70MPa条件下，将镁合金液压铸成镁合金；
第四步：将压铸成的镁合金在390℃固溶处理8小时，水淬后，在150℃时效处理12小时，随炉冷却后得到抗高温蠕变的压铸镁合金。
实施例2：
抗高温蠕变的压铸镁合金由以下质量百分比的成分组成：Al 9.5%，Zn 0.6%，Zr0.3%，B 0.15%，Cr 0.1%，Yb 0.02%，Se 0.15%，Fe ≤0.05%，余量为Mg和不可避免的其它杂质，其它杂质单个含量小于0.01%，总量小于0.05%。其压铸方法包括以下步骤：
第一步：按照镁合金的成分组成及质量百分，选用Mg10Zr5B合金、Mg5Cr1Yb合金、Mg5Se合金及纯度为99.9%的镁锭、99.7%的铝锭和99.85%的锌锭作为原材料进行配料；
第二步：在体积百分比为0.5%SF6+99.5%CO2的混合气体保护下，于720℃加热熔化镁锭，然后加入占原材料总重量9.5%的铝锭、0.6%的锌锭、3%的Mg10Zr5B合金、2%的Mg5Cr1Yb合金和3%的Mg5Se合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：用占镁合金液重量为0.5%的MgCl2精炼剂对镁合金液进行精炼除气除渣，在模具型腔温度150℃、压射速度2米/秒、压射比压40MPa、增压压力60MPa条件下，将镁合金液压铸成镁合金；
第四步：将压铸成的镁合金在400℃固溶处理6小时，水淬后，在160℃时效处理10小时，随炉冷却后得到抗高温蠕变的压铸镁合金。
实施例3：
抗高温蠕变的压铸镁合金由以下质量百分比的成分组成：Al 9%，Zn 0.8%，Zr0.2%，B 0.1%，Cr 0.075%，Yb 0.015%，Se 0.1%，Fe ≤0.05%，余量为Mg和不可避免的其它杂质，其它杂质单个含量小于0.01%，总量小于0.05%。其压铸方法包括以下步骤：
第一步：按照镁合金的成分组成及质量百分，选用Mg10Zr5B合金、Mg5Cr1Yb合金、Mg5Se合金及纯度为99.9%的镁锭、99.7%的铝锭、99.85%的锌锭作为原材料进行配料；
第二步：在体积百分比为0.5%SF6+99.5%CO2的混合气体保护下，于700℃加热熔化镁锭，然后加入占原材料总重量9%的铝锭、0.8%的锌锭、2%的Mg10Zr5B合金、1.5%的Mg5Cr1Yb合金和2%的Mg5Se合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：用占镁合金液重量为0.5%的MgCl2精炼剂对镁合金液进行精炼除气除渣，在模具型腔温度180℃、压射速度1.7米/秒、压射比压45MPa、增压压力65MPa条件下，将镁合金液压铸成镁合金；
第四步：将压铸成的镁合金在395℃固溶处理7小时，水淬后，在155℃时效处理11小时，随炉冷却后得到抗高温蠕变的压铸镁合金。
按中华人民共和国国家标准GMN/T16865-2013，将实施例1-3的压铸镁合金加工成标准拉伸试样，在DNS500型电子拉伸试验机上分别进行室温和150℃高温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。在WSC2000型高温蠕变试验机上，在施加应力50MPa、150℃条件下检测压铸镁合金100小时的蠕变速率和蠕变应变，结果如表1所示。
表1 实施例1-3压铸镁合金的室温、高温强度和抗蠕变性能
室温抗拉强度/MPa 150℃抗拉强度/MPa 蠕变速率/×10<sup>-9</sup>s<sup>-1</sup> 蠕变应变/%
实施例1 284.6 221.9 1.78 0.18
实施例2 298.3 233.6 1.69 0.19
实施例3 305.7 248.1 1.62 0.17
从表1可看到，实施例1-3压铸镁合金的室温抗拉强度大于280MPa，150℃的高温抗拉强度大于220MPa，100小时的蠕变速率小于1.8×10-9s-1，蠕变应变小于0.2%。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (2)

1.一种抗高温蠕变的压铸镁合金，其特征在于：该镁合金采用压铸技术制成，且由以下质量百分比的成分组成：Al 8.5～9.5%，Zn 0.6～0.9%，Zr 0.1～0.3%，B 0.05～0.15%，Cr0.05～0.1%，Yb 0.01～0.02%，Se 0.05～0.15%，Fe ≤0.05%，余量为Mg和不可避免的其它杂质，其中，Zr与B的质量比为2:1，Cr与Yb的质量比为5:1，其它杂质单个含量小于0.01%，总量小于0.05%。
2.一种抗高温蠕变的压铸镁合金的压铸方法，该方法用于制备如权利要求1所述的镁合金，其特征在于包括以下步骤：
第一步：按照镁合金的成分组成及质量百分比 ，选用Mg10Zr5B合金、Mg5Cr1Yb合金、Mg5Se合金及纯度为99.9%的镁锭、99.7%的铝锭和99.85%的锌锭作为原材料进行配料；
第二步：在680～720℃加热熔化镁锭，然后加入占原材料总重量8.5～9.5%的铝锭、0.6～0.9%的锌锭、1～3%的Mg10Zr5B合金、1～2%的Mg5Cr1Yb合金和1～3%的Mg5Se合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：对镁合金液进行精炼除气除渣后，在模具型腔温度150～200℃、压射速度1.5～2米/秒、压射比压40～50MPa、增压压力60～70MPa条件下，将镁合金液压铸成镁合金；
第四步：将压铸成的镁合金在390～400℃固溶处理6～8小时，水淬后，在150～160℃时效处理10～12小时，随炉冷却后得到抗高温蠕变的压铸镁合金，该抗高温蠕变的压铸镁合金的室温抗拉强度大于280MPa，150℃的高温抗拉强度大于220MPa，在施加应力50MPa、150℃条件下，100小时的蠕变速率小于1.8×10-9s-1，蠕变应变小于0.2%。
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