CN108396213B - 一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金及其制备方法 - Google Patents

一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种压铸用Mg‑Al‑Zn‑Ce合金及其制备方法，属于镁合金制备技术领域，所述合金由Al‑Ce中间合金和Mg‑Al‑Zn合金制成，其化学组成按质量百分比为：Al：8.8～9.2％，Zn：0.78～0.82％，Ce：0.18～0.22％，余量为Mg；制备方法：先制备Al‑Ce中间合金，再熔炼Mg‑Al‑Zn合金，最后将Al‑Ce中间合金、Mg‑Al‑Zn合金熔炼，制得Mg‑Al‑Zn‑Ce合金；本发明细化晶界上网状的Mg17Al12化合物，提高镁合金的力学性能特别是材料的塑性，在保证了镁合金的高的比强度和比刚度的同时，使合金的耐腐蚀性能也明显提高。

Description

一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金制备技术领域，具体涉及一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金及其制备方法。
技术背景
镁合金是迄今为止实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高的优点，应用于结构材料可以取得显著的节能减排效果，广泛使用轻量化的镁合金结构材料是应对全球性能源危机和环境污染重要手段
镁合金作为汽车工业的一种轻量化结构材料而备受关注，其中以Mg-Al系中的AZ系列铸造合金(Mg-Al-Zn合金)应用最广。然而，Mg-Al-Zn合金存在许多固有的缺点，首先，Mg-Al-Zn合金的凝固温度范围较宽，晶粒有粗化倾向；其次，凝固过程中粗大的α-Mg17Al12相以离异共晶的方式呈网状沿晶界析出，导致合金的力学性能较低；此外，当工作温度超过120℃时，晶界上网状的Mg17All2化合物易软化和粗化，使合金的力学性能大幅度下降。Mg17All2析出相在电化学腐蚀介质中作为阴极存在，网状的粗大阴极结构使合金易发生局部腐蚀，降低了合金的整体耐蚀性能。
发明内容
本发明针对目前Mg-Al-Zn镁合金的组织晶粒比较粗大，力学性能不高，腐蚀性较差的缺点，提供一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金及其制备方法。通过添加稀土元素Ce获得较细小的晶粒组织，改善合金的强度和塑性，使得合金的力学性能特别是塑性取得显著提升；同时降低合金局部腐蚀敏感性，满足工业上对高性能铸造镁合金日益增长的需求。
一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金，由Al-Ce中间合金和Mg-Al-Zn合金制成，所述Mg-Al-Zn-Ce合金化学组成按质量百分比为：Al：8.8～9.2％，Zn：0.78～0.82％，Ce：0.18～0.22％，余量为Mg；
所述Al-Ce中间合金的化学组成按质量百分比为：9.8～10.2％Ce，余量为Al和不可避免杂质。
所述Mg-Al-Zn-Ce合金相对于不含Ce元素的Mg-Al-Zn合金，铸态延伸率可提升67～133％，在盐雾试验中对于不含Ce元素的Mg-Al-Zn合金，腐蚀速率降低42～49％。
一种Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法：先制备Al-Ce中间合金，再熔炼Mg-Al-Zn合金，最后将Al-Ce中间合金、Mg-Al-Zn合金熔炼，制得Mg-Al-Zn-Ce合金，具体步骤如下：
步骤1，制备Al-Ce中间合金：
(1)按照Al-Ce中间合金的化学组成配比，将纯铝置于坩埚中加热至熔化，保温10～20min；
(2)向融化后的铝中放入烘干的稀土Ce，保持温度不变保温10～15min，得到合金熔体A；
(3)用石墨棒搅拌合金熔体A，并除渣静置10～15min后，取出坩埚，将合金熔体A浇铸到已经准备好的模具中，获得成分均匀的Al-Ce中间合金；
步骤2，熔炼Mg-Al-Zn合金：
(1)以质量百分含量为8.78～8.95％的Al，0.83～0.96％的Zn和90.09～90.39％的Mg为原料，在坩埚中加热至熔化，保温10～20min，得到合金熔体B；
(2)合金熔体B升温至715～720℃，搅拌均匀后在气体保护下浇注成型，获得Mg-Al-Zn合金；
步骤3，制备Mg-Al-Zn-Ce合金：
(1)按照合金成分配比称取Al-Ce中间合金和Mg-Al-Zn合金，将Mg-Al-Zn合金放入坩埚中加热熔化，得到合金熔体C；
(2)合金熔体C升温至720～725℃，加入块状Al-Ce中间合金，搅拌充分后，保温20～30min，得到合金熔体D；
(3)将合金熔体D浇铸到金属模中凝固成形，制得Mg-Al-Zn-Ce合金。
上述一种Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法，其中：
所述步骤1(2)中，稀土Ce在真空干燥箱中于80～100℃干燥15～30min。
所述步骤1(3)中，使用石墨棒进行搅拌，目的是让Ce能均匀的分布在熔体中。
所述步骤2(2)中，保护气体为由体积比SF6:CO2＝1:99的混合气体。
所述步骤3(1)中，在RJ2熔剂保护下进行熔融。
所述步骤3(3)中，浇铸温度为680℃，金属模浇铸前于190～210℃进行预热。
上述一种Mg-Al-Zn-Ce合金及其制备方法，与现有材料相比，本发明的有益效果为：
本发明细化晶界上网状的Mg17Al12化合物，从而提高镁合金的力学性能特别是材料的塑性。使用本材料压铸制得的产品塑性相对于未强化的材料延伸率可以提高67～133％，极大的拓展了压铸结构件的适用范围。本发明在保证了镁合金的高的比强度和比刚度的同时，使合金的耐腐蚀性能也明显提高，相对于未添加Ce元素的合金，腐蚀速率可以降低42％～49％，使合金具有良好的综合性能。
附图说明
图1本发明实施例1的工艺流程图。
图2本发明实施例1制备的Mg-Al-Zn合金微观组织图。
图3本发明实施例1制备的Mg-Al-Zn-Ce合金的微观组织图。
图4本发明实施例2制备的Mg-Al-Zn-Ce合金扫描电镜图片。
图5本发明实施例3制备的Mg-Al-Zn-Ce合金扫描电镜图片。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明Mg-Al-Zn-Ce合金及其制备方法做进一步说明。
下述实施例1～3的工艺流程如图1所示。
实施例1
一种Mg-Al-Zn-Ce合金，其化学组成按质量百分比为：Al：8.8％，Zn：0.8％，Ce：0.18％，余量为Mg；
Al-Ce中间合金的化学组成按质量百分比为：9.8％的Ce，余量为Al和不可避免杂质。
一种Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，制备Al-Ce中间合金：
(1)按照Al-Ce中间合金的化学组成配比，将纯铝置于坩埚中加热至熔化，保温15min；
(2)向融化后的铝中放入烘干的稀土Ce，保温15min，得到合金熔体A。
(3)用石墨棒搅拌合金熔体A，并除渣静置15min后，取出坩埚，将合金熔体A浇铸到已经准备好的模具中，获得成分均匀的Al-Ce中间合金；
步骤2，制备Mg-Al-Zn合金：
(1)以质量百分含量为8.78％的Al，0.83％的Zn和90.09％的Mg为原料，在坩埚中加热至熔化，保温15min，得到合金熔体B；
(2)合金熔体B升温至715℃，搅拌均匀后在体积比SF6:CO2＝1:99的混合气体保护下浇注成型，获得Mg-Al-Zn合金；
步骤3，制备Mg-Al-Zn-Ce合金：
(1)按照合金成分配比称取Al-Ce中间合金和Mg-Al-Zn合金，将Mg-Al-Zn合金放入坩埚中，在RJ2熔剂保护下加热熔化，得到合金熔体C；
(2)合金熔体C升温至725℃，加入块状Al-Ce中间合金，搅拌充分后，保温25min，得到合金熔体D；
(3)将合金熔体D于680℃浇铸到被预热200℃的低碳钢金属模凝固成形，制得Mg-Al-Zn-Ce合金；
相对于相同成型方法制备的不含Ce元素的Mg-Al-Zn合金，铸态延伸率由6％提升至10％(提升率67％)，在盐雾试验中的腐蚀速率降低42％，两者微观组织图对比见图2、图3；
实施例2
一种Mg-Al-Zn-Ce合金，其化学组成按质量百分比为：Al：9.0％，Zn：0.8％，Ce：0.20％，余量为Mg；
Al-Ce中间合金的化学组成按质量百分比为：10.0％的Ce，余量为Al和不可避免杂质。
一种Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，制备Al-Ce中间合金：
(1)按照Al-Ce中间合金的化学组成配比，将纯铝置于坩埚中加热至熔化，保温10min；
(2)向融化后的铝中放入烘干的稀土Ce，保温10min，得到合金熔体A。
(3)用石墨棒搅拌合金熔体A，并除渣静置10min后，取出坩埚，将合金熔体A浇铸到已经准备好的模具中，获得成分均匀的Al-Ce中间合金；
步骤2，熔炼Mg-Al-Zn合金：
(1)以质量百分含量为8.82％的Al，0.89％的Zn和90.16％的Mg为原料，在坩埚中加热至熔化，保温10min，得到合金熔体B；
(2)合金熔体B升温至715℃，搅拌均匀后在体积比SF6:CO2＝1:99的混合气体保护下浇注成型，获得Mg-Al-Zn合金；
步骤3，制备Mg-Al-Zn-Ce合金：
(1)按照合金成分配比称取Al-Ce中间合金和Mg-Al-Zn合金，将Mg-Al-Zn合金放入坩埚中，在RJ2熔剂保护下加热熔化，得到合金熔体C；
(2)合金熔体C升温至720℃，加入块状Al-Ce中间合金，搅拌充分后，保温30min，得到合金熔体D；
(3)将合金熔体D于680℃浇铸到被预热190℃的低碳钢金属模凝固成形，制得Mg-Al-Zn-Ce合金；
相对于相同成型方法制备的不含Ce元素的Mg-Al-Zn合金，铸态延伸率由6％提升至11％(提升率83％)，在盐雾试验中的腐蚀速率降低44％，本实例制备的Mg-Al-Zn-Ce合金扫描电镜组织见图4；
实施例3
一种Mg-Al-Zn-Ce合金，其化学组成按质量百分比为：Al：9.2％，Zn：0.8％，Ce：0.22％，余量为Mg；
Al-Ce中间合金的化学组成按质量百分比为：10.2％的Ce，余量为Al和不可避免杂质。
一种Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，制备Al-Ce中间合金：
(1)按照Al-Ce中间合金的化学组成配比，将纯铝置于坩埚中加热至熔化，保温20min；
(2)向融化后的铝中放入烘干的稀土Ce，保温10min，得到合金熔体A。
(3)用石墨棒搅拌合金熔体A，并除渣静置10min后，取出坩埚，将合金熔体A浇铸到已经准备好的模具中，获得成分均匀的Al-Ce中间合金；
步骤2，熔炼Mg-Al-Zn合金：
(1)以质量百分含量为8.95％的Al，0.96％的Zn和90.39％的Mg为原料，在坩埚中加热至熔化，保温10min，得到合金熔体B；
(2)合金熔体B升温至715℃，搅拌均匀后在体积比SF6:CO2＝1:99的混合气体保护下浇注成型，获得Mg-Al-Zn合金；
步骤3，制备Mg-Al-Zn-Ce合金：
(1)按照合金成分配比称取Al-Ce中间合金和Mg-Al-Zn合金，将Mg-Al-Zn合金放入坩埚中，在RJ2熔剂保护下加热熔化，得到合金熔体C；
(2)合金熔体C升温至720℃，加入块状Al-Ce中间合金，搅拌充分后，保温20min，得到合金熔体D；
(3)将合金熔体D于680℃浇铸到被预热210℃的低碳钢金属模凝固成形，制得Mg-Al-Zn-Ce合金；
相对于相同成型方法制备的不含Ce元素的Mg-Al-Zn合金，铸态延伸率由6％提升至14％(提升率133％)，在盐雾试验中的腐蚀速率降低49％，本实例制备的Mg-Al-Zn-Ce合金扫描电镜组织见图5。

Claims (7)

1.一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金，其特征在于，所述Mg-Al-Zn-Ce合金由Al-Ce中间合金和Mg-Al-Zn合金制成，化学组成按质量百分比为：Al：8.8～9.2％，Zn：0.78～0.82％，Ce：0.18～0.22％，余量为Mg；
所述Mg-Al-Zn-Ce合金相对于不含Ce元素的Mg-Al-Zn合金，铸态延伸率可提升67～133％，在盐雾试验中对于不含Ce元素的Mg-Al-Zn合金，腐蚀速率降低42～49％。
2.根据权利要求1所述的一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金，其特征在于，所述Al-Ce中间合金的化学组成按质量百分比为：9.8～10.2％Ce，余量为Al和不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法，其特征在于，先制备Al-Ce中间合金，再熔炼Mg-Al-Zn合金，最后将Al-Ce中间合金、Mg-Al-Zn合金熔炼，制得Mg-Al-Zn-Ce合金，具体步骤如下：
步骤1，制备Al-Ce中间合金：
(1)按照Al-Ce中间合金的化学组成配比，将纯铝置于坩埚中加热至熔化，保温10～20min；
(2)向融化后的铝中放入烘干的稀土Ce，保持温度不变保温10～15min，得到合金熔体A；
(3)用石墨棒搅拌合金熔体A，并除渣静置10～15min后，取出坩埚，将合金熔体A浇铸到已经准备好的模具中，获得成分均匀的Al-Ce中间合金；
步骤2，熔炼Mg-Al-Zn合金：
(1)以质量百分含量为8.78～8.95％的Al，0.83～0.96％的Zn和90.09～90.39％的Mg为原料，在坩埚中加热至熔化，保温10～20min，得到合金熔体B；
(2)合金熔体B升温至715～720℃，搅拌均匀后在气体保护下浇注成型，获得Mg-Al-Zn合金；
步骤3，制备Mg-Al-Zn-Ce合金：
(1)按照合金成分配比称取Al-Ce中间合金和Mg-Al-Zn合金，将Mg-Al-Zn合金放入坩埚中加热熔化，得到合金熔体C；
(2)合金熔体C升温至720～725℃，加入块状Al-Ce中间合金，搅拌充分后，保温20～30min，得到合金熔体D；
(3)将合金熔体D浇铸到金属模中凝固成形，制得Mg-Al-Zn-Ce合金。
4.根据权利要求3所述的一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1(2)中，稀土Ce在真空干燥箱中于80～100℃干燥15～30min。
5.根据权利要求3所述的一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2(2)中，保护气体为由体积比SF6:CO2＝1:99的混合气体。
6.根据权利要求3所述的一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3(1)中，在RJ2熔剂保护下进行熔融。
7.根据权利要求3所述的一种压铸用Mg-Al-Zn-Ce合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3(3)中，浇铸温度为680℃，金属模浇铸前于190～210℃进行预热。
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