CN108823477A

CN108823477A - 一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺

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Publication number: CN108823477A
Application number: CN201811093645.9A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2018-11-16

Abstract

本发明公开了一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Na:1.2‑1.5wt.%,Sb:3.0‑4.0wt.%,In:6.0‑10.0wt.%,Bi:4.0‑5.0wt.%,Zn:4.0‑6.0wt.%,Co:1.0‑1.2wt.%,Fe:0.4‑0.8wt.%,Cr:0.3‑0.5wt.%，余量为镁。该镁合金不仅可以有效地消除铸造缺陷，降低铸造孔洞和疏松的形成，也可以使得合金铸件有优异的力学性能。因而，该材料提供了一种镁合金替代产品的轻量化解决方案，并在实施和产业化过程中有效地推动我国新材料的更新和产业升级需求。

Description

一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镁合金。

背景技术

镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，可谓取之不尽。镁合金是以镁为基础加入其它元素组成的合金。其特点是：密度小，比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐腐蚀性能好。镁合金比重在所有结构用合金中属于最轻者，镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当。在弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金件大，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。此外，能够提供优越的抗电磁保护作用，特别是镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰。目前用镁合金制作零部件的电器产品有照相机、摄影机、数码相机、笔记本电脑、移动电话、电视机、等离子显示器、硬盘驱动器等。

传统上,限制镁合金在工程领域用的主要因素是:1）材料强度偏低，尤其是高温强度和抗蠕变性能较差；2)材料的抗腐蚀能力差,在极端环境下容易通过环境的腐蚀而失效；3）镁合金铸件容易形成缩松和热裂纹，成品率低，镁合金变形件塑性加工条件控制困难，导致组织与力学性能不稳定。国内外的材料开发人员和公司已经对这些问题进行了长久的研究和公关。经过了20多年的探索与开发，国内外的相关领域在镁合金材料的强度，高温性能和耐腐蚀方面已经取得了重大的突破，开发出了一系列的高强度镁合金，耐高温镁合金和耐腐蚀镁合金，并正在相关的应用领域进行大规模的推广。但是，铸造镁合金铸件容易形成缩松和热裂纹的问题，国内外一直没有理想的解决方案。

在合金材料设计的框架内，解决材料铸造过程中疏松和孔洞的问题一般是采用接近多元镁合金共晶点的材料成分来解决。由于共晶点的合金具有恒定的凝固温度，因而在铸造过程中可以使得铸件的成分在大范围内保持均匀，并且尽可能的降低凝固孔洞和疏松的形成。这种设计思路在实际操作过程中取得了很大的成功，并开发出了一系列的铸造用多元铸造镁合金。但是，由于合金成分限制在了多元共晶点附近，因而合金其它性能并没有多大的优化空间。在实际中造成了铸造用的镁合金不是力学性能差，就是物理性能或者其它特性不能满足使用的要求。

在多元合金的设计领域，通过液相的调幅分解效应来产生两种不同的熔体，并使得这两种熔体具有很大的熔点差别是另一种消除铸造孔洞和疏松的新型方法。在合金的凝固过程中，高熔点的液相先进行凝固，产生的铸造孔洞可以通过低熔点的液体补偿的办法来进行铸锭的密实化。由于合金的液相调幅分解可以在相当大的成分范围内实现，因而材料设计者可以通过不断的调整合金元素和含量来进一步提高材料的其它性能。这种设计方法无疑是非常先进的，并在实践中相比共晶点合金的设计更能解决实际问题。但是令人遗憾的是，目前在镁合金领域国内外并没有基于该设计理念的新产品出现。

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、医疗产品等领域展会展现出更为广阔的前景。进行合金新材料的创新离不开合金的结构和成分设计，而材料的热力学和动力学是解决该类问题的主要方法。通过优化合金元素的筛选和成分确定，不仅可以达到所需要的各种性能指标，还会降低合金冶炼和加工的生产成本和对设备的要求。该类产品不仅使用寿命有了进一步的提高，还便于工业化大规模生产。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺。按重量百分比计,合金的组成为Na:1.2-1.5wt.%,Sb:3.0-4.0wt.%,In:6.0-10.0wt.%,Bi:4.0-5.0wt.%,Zn:4.0-6.0wt.%,Co:1.0-1.2wt.%,Fe:0.4-0.8wt.%,Cr:0.3-0.5wt.%，余量为镁。

上述一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在700度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在700度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在氩气保护下加热到650-700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为120度,时间为0.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）对于合金设计而言，提高铸造合金密实度和降低孔洞与疏松的方法主要是利用共晶合金在凝固时的温度恒定性来进行的。也就是说，如果合金的凝固温度像纯金属一样，属于某个固定的温度。则该合金就可能具有优异的凝固特性，所得铸锭不仅成分均匀，而且凝固孔洞会很少。所以一般的铸造用镁合金，好多成分都在多元共晶点附近。这也是目前国际和国内镁合金设计的常用方法。随着科技和工业的日益发展，镁合金的使用环境和条件也越来越苛刻。因而，开发不在共晶点附近的铸造用镁合金是目前国内外的热点方向。这是因为共晶点附近的成分已经对材料施加了很大的限制，因为具备其它优异物理性能和力学性能的合金成分经常不在共晶点附近。本专利提出了一种利用液相调幅分解来进行凝固过程中凝固孔洞消除的新型办法,且该合金在凝固过程中具有体积不变的特性。因而该合金不仅可以使得铸造用合金的设计远离多元合金的共晶点，还使得对合金成分进行仔细优化使得该合金具有无凝固收缩特性和优异的力学性能成为可能。这在当前工业领域快速发展的时代极具现实意义。

（2）本专利设计的新型无凝固收缩镁合金，在凝固的过程中，富镁和富铋的液相也不断的从最初的合金熔体中分离出来。这些富镁和富铋的熔体由于互不相熔,因而在凝固过程中伴随着枝晶的生成而逐渐被排挤到枝晶的间隙中,并在这些狭小的缝隙中最终凝固,起到了补充凝固孔洞的作用。因而，具备液相调幅分解特性的合金最适合来制备无凝固收缩孔洞的铸件,因为这种材料产生的凝固孔洞等缺陷极少。用专业术语来说，液态合金在凝固的过程中生成两种互不溶解的液相，低熔点的液相在凝固过程中可以补偿高熔点液相凝固时产生的枝晶孔洞，因而对于铸件的物理性能和力学性能具有极其有益的作用。

（3）本专利申请保护的新型镁合金具有宽广的凝固温度范围（140-410度）。其中主要的富镁熔体的凝固温度范围为320-410度，富铋的凝固温度范围为140-210度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从410度到140度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。此外，该合金具有极其优异的回用性能，经4次回用后铸造件的外形轮廓清晰，表面光洁。因而，该材料的产业化，不仅可以提高成品率，还可以通过多次回用大大降低生产成本。

（4）常用铸造镁合金的主要缺陷是表面裂纹。其成因是在铸造过程中铸锭表面和中心部受到的冷却速度和冷却时间不同步，造成了外层的收缩受到铸锭中心层已凝固金属的阻碍，以致开裂。这种裂纹是热裂纹，它通常深入铸锭表层10-30mm。本专利申请保护的铸造用镁合金，在铸造过程中体积变化为0.6%，因而可以认为在铸造前后没有体积变化。该合金由于凝固的时候不发生体积收缩，不仅消除了铸造过程中的缩松和缩孔等铸造缺陷及其根源，也可以从根源上消除热裂纹的产生和扩展。同时，可以省去传统镁合金在铸造过程中重量为铸件重量0.6-3倍的补缩系统，使得生产工艺大大简化，生产成本显著降低。

（5）该镁合金铸件具有极其优异的耐磨损特性，在M2000型磨损试验机上采用测试条件为：载荷为400 kg，转速为400 r /min，磨损行程为8000m，所采用的对磨材料为45钢。实验结果表明该合金在铸态下的磨损量小于和其对磨的45号钢。对磨45钢的磨损量是该合金在铸造状态下磨损量的5. 8-6.4倍。因而，该合金具备极其优异的表面耐磨性能。当该合金用于采用铸造的办法生产汽车，笔记本，手机等外壳时，必将在降低重量，节约能源的同时，大大促进相关行业的发展和产业升级。

具体实施方式

实施例1

一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Na:1.2wt.%,Sb:3.0wt.%,In:6.0wt.%,Bi:4.0wt.%,Zn:4.0wt.%,Co:1.0wt.%,Fe:0.4wt.%,Cr:0.3wt.%，余量为镁。上述一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在700度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在700度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在氩气保护下加热到650-700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为120度,时间为0.5小时。

该合金具有宽广的凝固温度范围（140-410度）。其中主要的富镁熔体的凝固温度范围为320-410度，富铋的凝固温度范围为140-210度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从410度到140度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。该合金在铸造过程中体积变化为0.6%，因而可以认为在铸造前后没有体积变化。该合金由于凝固的时候不发生体积收缩，不仅消除了铸造过程中的缩松和缩孔等铸造缺陷及其根源，也可以从根源上消除热裂纹的产生和扩展。该合金具备极其优异的表面耐磨性能。当该合金用于采用铸造的办法生产汽车，笔记本，手机等外壳时，必将在降低重量，节约能源的同时，大大促进相关行业的发展和产业升级。

实施例2

一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Na:1.5wt.%,Sb:4.0wt.%,In:10.0wt.%,Bi:5.0wt.%,Zn:6.0wt.%,Co:1.2wt.%,Fe:0.8wt.%,Cr:0.5wt.%，余量为镁。上述一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在700度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在700度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在氩气保护下加热到650-700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为120度,时间为0.5小时。

实施例3

一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Na:1.3wt.%,Sb:3.5wt.%,In:6.8wt.%,Bi:4.2wt.%,Zn:4.5wt.%,Co:1.1wt.%,Fe:0.6wt.%,Cr:0.4wt.%，余量为镁。上述一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在700度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在700度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在氩气保护下加热到650-700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为120度,时间为0.5小时。

Claims

1.一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺；按照重量百分比,该合金的成分为:Na:1.2-1.5wt.%,Sb:3.0-4.0wt.%,In:6.0-10.0wt.%,Bi:4.0-5.0wt.%,Zn:4.0-6.0wt.%,Co:1.0-

1.2wt.%,Fe:0.4-0.8wt.%,Cr:0.3-0.5wt.%，余量为镁。

2.根据权利要求1所述一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺，其特征在于包括如下冶炼步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在700度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在700度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。

3.根据权利要求1所述一种液相调幅分解型铸造用镁合金及其加工工艺，其特征在于包含如下使用步骤：将所得的铸锭在氩气保护下加热到650-700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为120度,时间为0.5小时。