CN108220731A - 一种多元耐热镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种多元耐热镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多元耐热镁合金及其制备方法。该多元耐热镁合金由以下重量百分比的组分组成：Sm 5.5％‑6.5％，Sn 3.5％‑5％，Zn 2.5％‑4％，V 0.5％‑1.0％，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明提供的多元耐热镁合金中，Sm赋予合金良好的时效析出强化和固溶强化效果；Sn在镁合金中能够形成高熔点的Mg2Sn金属间化合物，具有弥散强化效果；Zn能够改善表面膜的性能；V的加入能够使得镁合金的显微组织得到明显细化，能够起到细晶强化的效果；以上各合金元素在上述配比内，相互支持、协同作用，显著提高了镁合金的室温和高温力学性能，改善了镁合金的塑性，拓宽了镁合金的应用范围。

Description

一种多元耐热镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金领域，具体涉及一种多元耐热镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金密度小、比强度和比刚度高，在导热和导电、阻尼减震和电磁屏蔽、产品尺寸稳定性等方面性能优良，并且易加工成型及回收，目前在汽车、电子及航空航天等领域的应用日益增多，被誉为“21世纪绿色工程金属”。目前商用镁合金基本上可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。
在铸造镁合金中，AZ系由于具有低廉的价格和良好的铸造工艺而应用最为广泛，主要有AZ91系列和AM60/50系列，但是这两种合金的耐热性能都较差，当环境温度超过120℃后，镁合金的强度会陡然下降，限制了其在许多工业设备和产品上的应用。开发在高温环境下具有良好力学性能的耐热镁合金，对于扩大镁合金的应用范围和领域具有重要意义。
授权公告号为CN101871068B的专利公开了一种含锡和铝的高强度高塑性镁合金及其制备方法，该镁合金由以下重量百分比的组分组成：Sn 4-6％，Al3-5％，剩余为Mg和不可避免的杂质。该镁合金虽具有一定的强度和塑性，但室温和高温力学性能较差，在实际应用时受限较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多元耐热镁合金，从而解决现有镁合金的室温和高温力学性能较差的问题。
本发明的第二个目的在于提供上述多元耐热镁合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种多元耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：Sm 5.5％-6.5％，Sn3.5％-5％，Zn 2.5％-4％，V 0.5％-1.0％，余量为Mg和不可避免的杂质。
本发明提供的多元耐热镁合金，由Sm、Sn、Zn、V、Mg按一定配比组成，稀土元素Sm在镁合金中的固溶度较大，同时可以在镁合金中形成高熔点的金属间化合物，赋予合金良好的时效析出强化和固溶强化效果；Sn在镁合金中能够形成高熔点的Mg2Sn金属间化合物，具有弥散强化效果，并能够与稀土元素Sm协同，使合金元素的固溶强化和析出强化效果更加突出；Zn能够改善表面膜的性能并提高有害杂质Fe、Ni、Cu等在合金中的允许浓度，有利于镁合金塑性和室温强度的提升；V在镁中的溶解度极小，钒的加入能够使得镁合金的显微组织得到明显细化，起到细晶强化的效果；以上各合金元素在上述配比内，相互支持、协同作用，显著提高了镁合金的室温和高温力学性能，改善了镁合金的塑性，拓宽了镁合金的应用范围。
本发明的多元耐热镁合金的制备方法所采用的技术方案是：
一种多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将镁合金原料熔炼后，浇注成型，得到铸态合金；
2)将铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，即得。
步骤1)中，所述镁合金原料为金属镁、金属锌、金属锡、Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金。熔炼前，将镁合金原料进行预热。优选的，所述预热是在200-220℃保温2-3h。
所述熔炼包括先将金属镁、金属铝、金属锡在保护气氛下熔化，然后加入Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金熔化，在730-740℃混合均匀后，降温至690-700℃，静置。采用该熔炼工序可极大程度避免合金元素的烧损，降低合金液中的杂质含量，从而有利于进一步优化镁合金的性能。
优选的，所述保护气氛为CO2和SF6组成的混合气体。进一步优选的，CO2和SF6的体积比为99：1。利用CO2和SF6混合气体保护熔炼大大减少由于熔剂熔炼而带来的夹渣缺陷，提高镁合金的性能；SF6是一种无毒、无味的气体，对人体不会直接造成危害；CO2和SF6混合气体保护熔炼时SF6气体用量较少，熔炼成本较低。
优选的，Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金熔化时的温度为690-710℃。在690-710℃保温的时间为8-12min。Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金熔化后，去除表面浮渣。所述静置的时间为10-12min。
优选的，对浇注成型所使用的模具进行预热，预热的温度为200-250℃。
步骤2)中，所述固溶处理是在500-510℃下保温10-14h。固溶处理后使用热水淬火至室温，热水的温度为90-100℃。所述固溶处理在氧化镁粉末的覆盖下进行。
所述时效处理是在200-230℃下保温13-15h。时效处理后空冷至室温。Sn在共晶温度561℃时的固溶度为14.6％，而在200℃时的固溶度仅仅为0.45％，针对本发明的镁合金中Sn的配比组成，优选采用该固溶处理和时效处理方法，可进一步提高合金元素的固溶强化和析出强化效果，从而提高镁合金的室温和高温力学性能。
采用上述优选工艺制备的多元耐热镁合金，与现有铸造镁铝系合金相比，具有优异的室温和高温力学性能，显著提高了镁合金的强度和塑性。该镁合金的制备方法，合金熔炼及热处理工艺简单，所得镁合金显微组织均匀，析出相分布均匀弥散，各项综合性能优异，显著拓宽了镁合金的应用范围和领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。
实施例1
本实施例的多元耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：Sm 5.5％，Sn5％，Zn4％，V 0.9％，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的多元耐热镁合金的制备方法，采用以下步骤：
1)按配比取纯镁锭、纯锌粒、纯锡粒、Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金，置于200℃的干燥箱中干燥预热2h；
2)将预热后的纯镁锭、纯锌粒、纯锡粒在CO2、SF6组成的混合气体(体积比为99：1)保护下熔化，加热至700℃时添加Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金，保温8min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，继续升温至730℃后搅拌均匀，然后降温至700℃，静置11min，得到合金液；将合金液浇注到经过预热的金属模具(预热温度为200℃)中，得到铸态合金；
3)将铸态合金依次进行固溶处理、时效处理，固溶处理的温度为500℃，处理时间为10h，热水淬火至室温，热水的温度为90℃，固溶处理在氧化镁粉末的覆盖下进行以防止氧化燃烧；时效处理的温度为200℃，处理时间为13h，空冷至室温。
实施例2
本实施例的多元耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：Sm 6％，Sn 3.5％，Zn 3％，V 1.0％，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的多元耐热镁合金的制备方法，采用以下步骤：
1)按配比取纯镁锭、纯锌粒、纯锡粒、Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金，置于200℃的干燥箱中干燥预热2.5h；
2)将预热后的纯镁锭、纯锌粒、纯锡粒在CO2、SF6组成的混合气体(体积比为99：1)保护下熔化，加热至690℃时添加Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金，保温12min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，继续升温至740℃后搅拌均匀，然后降温至700℃，静置11min，得到合金液；将合金液浇注到经过预热的金属模具(预热温度为250℃)中，得到铸态合金；
3)将铸态合金依次进行固溶处理、时效处理，固溶处理的温度为500℃，处理时间为11h，热水淬火至室温，热水的温度为100℃，固溶处理在氧化镁粉末的覆盖下进行以防止氧化燃烧；时效处理的温度为200℃，处理时间为14h，空冷至室温。
实施例3
本实施例的多元耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：Sm 6％，Sn 4％，Zn4％，V 0.5％，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的多元耐热镁合金的制备方法，采用以下步骤：
1)按配比取纯镁锭、纯锌粒、纯锡粒、Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金，置于210℃的干燥箱中干燥预热2.5h；
2)将预热后的纯镁锭、纯锌粒、纯锡粒在CO2、SF6组成的混合气体(体积比为99：1)保护下熔化，加热至710℃时添加Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金，保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，继续升温至730℃后搅拌均匀，然后降温至690℃，静置10min，得到合金液；将合金液浇注到经过预热的金属模具(预热温度为230℃)中，得到铸态合金；
3)将铸态合金依次进行固溶处理、时效处理，固溶处理的温度为510℃，处理时间为13h，热水淬火至室温，热水的温度为90℃，固溶处理在氧化镁粉末的覆盖下进行以防止氧化燃烧；时效处理的温度为220℃，处理时间为15h，空冷至室温。
实施例4
本实施例的多元耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：Sm 6.5％，Sn 5％，Zn 2.5％，V 0.8％，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的多元耐热镁合金的制备方法，采用以下步骤：
1)按配比取纯镁锭、纯锌粒、纯锡粒、Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金，置于220℃的干燥箱中干燥预热3h；
2)将预热后的纯镁锭、纯锌粒、纯锡粒在CO2、SF6组成的混合气体(体积比为99：1)保护下熔化，加热至710℃时添加Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金，保温9min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，继续升温至740℃后搅拌均匀，然后降温至690℃，静置12min，得到合金液；将合金液浇注到经过预热的金属模具(预热温度为220℃)中，得到铸态合金；
3)将铸态合金依次进行固溶处理、时效处理，固溶处理的温度为505℃，处理时间为14h，热水淬火至室温，热水的温度为100℃，固溶处理在氧化镁粉末的覆盖下进行以防止氧化燃烧；时效处理的温度为230℃，处理时间为15h，空冷至室温。
试验例
本试验例检测各实施例的多元耐热镁合金的室温力学性能和在200℃的高温力学性能，具体检测方法为：依照国家标准GB6397—86《金属拉伸实验试样》进行加工测试，测试设备为(SHIMADZU)AG-I 250kN精密万能实验机拉伸机，拉伸速度为1mm/min。结果如表1所述。
表1实施例1-4的多元耐热镁合金的力学性能
由表1的结果可以看出，实施例1-4的镁合金在室温下的抗拉强度达到265-276MPa，屈服强度达到197-211MPa，伸长率达到9.9％-11.4％；200℃的抗拉强度达到209-218MPa，屈服强度达到168-175MPa，伸长率达到14.9％-15.8％。以上结果表明，本发明的镁合金在室温～200℃的范围内具有高的抗拉强度和屈服强度，而且合金的塑性良好，综合性能优异。

Claims (10)

1.一种多元耐热镁合金，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：Sm 5.5％-6.5％，Sn 3.5％-5％，Zn 2.5％-4％，V 0.5％-1.0％，余量为Mg和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将镁合金原料熔炼后，浇注成型，得到铸态合金；
2)将铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，即得。
3.如权利要求2所述的多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述熔炼包括先将金属镁、金属铝、金属锡在保护气氛下熔化，然后加入Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金熔化，在730-740℃混合均匀后，降温至690-700℃，静置。
4.如权利要求3所述的多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，Mg-Sm中间合金和Mg-V中间合金熔化时的温度为690-710℃。
5.如权利要求3所述的多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述静置的时间为10-12min。
6.如权利要求3所述的多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述固溶处理是在500-510℃下保温10-14h。
7.如权利要求6所述的多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，固溶处理后使用热水淬火至室温，热水的温度为90-100℃。
8.如权利要求6所述的多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理在氧化镁粉末的覆盖下进行。
9.如权利要求2或6所述的多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理是在200-230℃下保温13-15h。
10.如权利要求9所述的多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，时效处理后空冷至室温。
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