CN108998713B - 一种镁合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及合金领域，公开了一种镁合金及其制备方法和应用。所述镁合金含有：9‑12％的Al，0.2‑0.6％的Mn，0.3‑0.7％的Zn，0.05‑2％的Ce，0.05‑0.5％的Nd，0‑0.1％的Cu，0‑0.1％的Sr，0‑0.01％的Ca，适量的Mg。本发明还公开了一种制备镁合金的方法，包括将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到镁合金，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的镁合金为上述镁合金。本发明还公开了根据本发明的镁合金在制备汽车零部件中的应用。本发明制得的镁合金的综合力学性能高(特别是具有高强高韧性)，流动成型性能好。

Description

一种镁合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及合金领域，具体涉及一种镁合金及其制备方法和应用。

背景技术

压铸是镁合金基本的成型方法之一，可用于复杂结构件产品设计。常见用于镁合金压铸材料为AZ91D，其材料流动成型性能好，成型工艺窗口大，性价比高，已广泛用于镁合金压铸产品。

AZ91D材料主要成分元素为铝8.5-9.5重量％，锌0.45-0.9重量％，锰0.17-0.4重量％，硅≤0.05重量％，铜≤0.025％，镍≤0.001重量％，铁≤0.004重量％。AZ91D材料特点比强度高，且耐腐蚀较纯镁大幅提高。主要用于电器产品的壳体、小尺寸薄型或异型支架等。但用AZ91D材料压铸后的产品本体力学性能一般，其抗拉强度为204-206MPa，屈服强度为156-160MPa，硬度约为75HV，冲击韧性约为22.8kJ/m²，无法满足对承力要求较高的镁合金压铸件产品。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的力学性能不佳的问题，提供一种镁合金及其制备方法和应用，该镁合金具有较佳的力学性能。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：

本发明第二方面提供了一种镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：

本发明的第三提供了一种制备镁合金的方法，该方法包括将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到镁合金，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的镁合金为根据本发明的镁合金。

本发明的第四方面提供了根据本发明的镁合金在制备汽车零部件中的应用。

通过上述技术方案，本发明制得的镁合金的综合力学性能高(特别是具有高强高韧性)，流动成型性能好，铸造性和抗蚀性均较佳，而且多次回收利用也可保持较好的力学性能。本发明的镁合金可满足汽车轻量化的发展需求，用于汽车电池托盘、汽车底盘副车架、车门立柱、车轮轮罩等关键零部件的制造。

具体实施方式

本发明提供了一种镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：

本发明的镁合金含有Al。Al的使用特别有利于改善镁合金的铸造性能和机械性能。

本发明的镁合金含有Ce和Nd。本发明通过配合特使用Ce和Nd，可以有效改善镁合金的力学性能，尤其是抗拉强度、延伸性和冲击韧性。更优选地，所述镁合金中Ce的含量与Nd的含量之间的比值为(0.6-40)：1，优选为(1-10)：1。

本发明的镁合金含有Mn，Mn的加入特别有利于镁合金的延伸性和冲击韧性。本发明的镁合金中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Mn的含量在0.2％以上。但是，镁合金中Mn元素含量过高时，镁合金的导热性能下降，对耐腐蚀性能也具有不利影响，因此，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Mn的含量在0.6％以下，优选在0.3％以下。

本发明的镁合金含有Zn。Zn的引入特别有利于镁合金的力学性能，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Zn的含量在0.3％以上，优选在0.5％以上。但是，从综合性能考虑，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Zn的含量在0.7％以下，优选在0.6％以下。

本发明的镁合金可以含有或不含有Cu、Sr和Ca，少量Cu、Sr或Ca的加入可以进一步改善镁合金的性能。

优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Cu的含量为0.001-0.1％。

优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Sr的含量为0.001-0.1％。

优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Ca的含量为0.0001-0.01％。

根据本发明的优选实施方式，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中除Ce和Nd以外的稀土元素的含量在0.0001％以下。或者说，所述镁合金不含除Ce和Nd以外的稀土元素(如La、Pr、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y和Sc)，也即本发明的镁合金含稀土元素，但稀土元素仅选自Ce和Nd。

根据本发明的优选实施方式，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Nb、Li、Ba、Ag和Be等的含量各自在0.0001％以下。或者说，所述镁合金不含Nb、Li、Ba、Ag和Be等。

在本发明的一个优选实施方式中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：

根据该优选的实施方式，所述镁合金可以含有上述其它金属元素(即Cu、Sr和Ca)中的一种或两种以上，也可以不含有上述其它金属元素。

本发明的镁合金通常含有不可避免的杂质。一般地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中杂质的含量在0.15％以下，各种杂质元素的含量均在0.05％以下。

可以采用常规方法来制备所述镁合金。具体地，可以将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到镁合金，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的镁合金为本发明提供的镁合金。

选择合金原料的组成从而得到具有预期组成的合金的方法是本领域技术人员所公知的，本文不再详述。

根据本发明，所述熔炼一般可以在700-750℃的温度下进行，熔炼的时间一般可以为20-60分钟。为了避免镁合金熔体在熔炼过程中与空气接触而氧化，在熔炼时，可以采用覆盖剂进行熔体保护，也可以采用氮气加六氟化硫气体保护，还可以进行惰性气体保护。所述覆盖剂可以为镁合金冶炼领域的常规选择，例如可以为MgCl₂、KCl、NaCl和CaF₂中的一种或两种以上。从进一步提高制备的镁合金的成分均匀性的角度出发，在熔炼过程中，进行吹氩搅拌。所述氩气优选为纯度为99.99％以上的高纯氩气。

根据本发明，从进一步提高最终制备的镁合金的强度的角度出发，优选将制备的镁合金进行时效处理，所述时效处理在120-350℃的温度下进行。所述时效处理的持续时间以能够消除镁合金中的内应力，提高镁合金的强度为准。一般地，所述时效处理的持续时间可以为0.5小时以上，可以持续数小时、数天、甚至数年。所述时效处理完成后，可以自然冷却。

本发明提供的镁合金不仅具有良好的综合力学性能，成型性优，根据本发明的优选实施方式，抗拉强度能够达到220MPa以上，一般在220-250MPa之间；屈服强度能够达到160MPa以上，一般在160-180MPa之间；延伸率能够达到6％以上，一般在6-10％之间；硬度在90HV以上，一般在90-98HV之间；冲击韧性能够达到36kJ/m²以上，一般在36-40kJ/m²之间；导热系数能够达到75W/(m·K)以上，一般在75-80W/(m·K)之间；腐蚀速率在5g/(m²·h)以下，一般在1-5g/(m²·h)之间。

本发明的镁合金特别有利于汽车轻量化，如可以用于汽车电池托盘、汽车底盘副车架、车门立柱、车轮轮罩等关键零部件。因此，本发明还提供了所述镁合金在制备汽车零部件(如汽车电池托盘、汽车底盘副车架、车门立柱、车轮轮罩等)中的应用。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

按照表1所示的镁合金组成(以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，余量为Mg)配制合金原料。将配制好的合金原料置于熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中通入99.99％的高纯氩气，在720℃的温度下冶炼30min。将得到的熔体注入金属模具中，冷却后得到镁合金铸件。

将制备的镁合金铸件在200℃进行时效处理，持续时间为5小时。时效处理完成后，自然冷却至室温。

实施例2-3

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，按照表1给出的镁合金组成配制合金原料。其中，实施例2制备的镁合金铸件在120℃进行36小时的时效处理，实施例3制备的镁合金铸件在350℃进行6小时的时效处理。

实施例4

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，Ce和Nd的含量分别为0.25％和0.3％。

实施例5

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，Ce和Nd的含量分别为0.53％和0.02％。

对比例1

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，将Nd替换为等重量的La。

对比例2

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，将Nd替换为等重量的Gd。

对比例3

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，将Ce替换为等重量的Nd。

对比例4

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，将Nd替换为等重量的Ce。

对比例5

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，将Mn替换为等重量的Zn。

对比例6

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，Ce的含量为3％。

对比例7

采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，Nd的含量为1％。

表1

实施例编号	Al	Mn	Zn	Ce	Nd	Ce/Nd	Cu	Sr	Ca
										实施例1	10	0.3	0.5	0.5	0.05	10	0.01	0.001	0.01
实施例2	9	0.2	0.55	2	0.5	4	0.001	0.1	0.001
										实施例3	12	0.25	0.6	0.1	0.1	1	0.1	0.01	0.0001

测试例1

分别采用以下方法对实施例和对比例中制备的镁合金进行性能测试试验，结果如表2所示。

抗拉强度：通过万能试验机拉伸试验方法测得。

冲击韧性：通过冲击试验方法测得。

成型性：评价标准为压铸蚊香模，根据其长度评判流动性优劣。

硬度测试试验：采用维式硬度计，将直径为12.7mm且厚度为3mm的镁合金圆片在压入力为3kg，保压时间为15s下，测试3次以上，取得到的数据的平均值为所测的镁合金的硬度，单位为HV。

导热系数测试试验：根据ASTM E 1461-07的测试方法，采用激光闪射法对直径为12.7mm且厚度为3mm的镁合金圆片进行导热系数的测试。

拉伸性能测试试验：根据ISO 6892-1的测试方法，将冶炼完的镁合金熔体采用压力铸造设备注入到模具腔体中，得到壁厚为3mm的拉伸铸件，采用万能力学试验机进行拉伸测试，得到屈服强度和延伸率，其中，屈服强度为产生0.2％残余变形的屈服极限，延伸率为断裂延伸率。

耐腐蚀性能测试：将得到的镁合金铸造成100mm×100mm×1.5mm的薄片，将其浸泡到3.5重量％NaCl水溶液中，浸泡48小时(即，2天)，采用失重法计算腐蚀速率，计算方法如下：

V＝(m₁-m₂)/(t×s)

其中，m₁为浸泡前镁合金样品的质量，以g计；

m₂为浸泡后经蒸馏水清洗并在120℃烘干至恒重后的镁合金样品的质量，以g计；

t为浸泡时间，以小时计；

s为镁合金样品的表面积，以m²计；

V为腐蚀速率，以g/(m²·h)计。

表2

通过表2的结果可以看出，特别是实施例1与对比例的测试结果可以看出，本发明的镁合金具有较优的力学性能和物化性能。特别地，比较实施例1与实施例4-5可以看出，当控制Ce和Nd的含量在本发明所限定的优选范围内时，获得的镁合金的性能更优。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种镁合金，其特征在于，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：

Al 9-12%，

Mn 0.2-0.6%，

Zn 0.3-0.7%，

Ce 0.05-2%，

Nd 0.05-0.5%，

Cu 0.001-0.1%，

Sr 0.001-0.1%，

Ca 0.0001-0.01%，

Mg 83.99-90.4%；

所述镁合金不含La和Y；

其中，所述镁合金中Ce的含量与Nd的含量之间的比值为（4-40）:1。

2.一种镁合金，其特征在于，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金由以下元素组成：

Al 9-12%，

Mn 0.2-0.6%，

Zn 0.3-0.7%，

Ce 0.05-2%，

Nd 0.05-0.5%，

Cu 0.001-0.1%，

Sr 0.001-0.1%，

Ca 0.0001-0.01%，

余量为Mg；

其中，所述镁合金中Ce的含量与Nd的含量之间的比值为（4-40）:1。

3.根据权利要求1或2所述的镁合金，其中，所述镁合金中Ce的含量与Nd的含量之间的比值为（4-10）：1。

4.根据权利要求1或2所述的镁合金，其中，所述镁合金中Mn的含量为0.2-0.3%。

5.根据权利要求1或2所述的镁合金，其中，所述镁合金中Zn的含量为0.5-0.6%。

6.根据权利要求1或2所述的镁合金，其中，所述镁合金不含Pr、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Sc。

7.一种制备镁合金的方法，其特征在于，该方法包括将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到镁合金，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的镁合金为权利要求1-6中任意一项所述的镁合金。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，该方法还包括将得到的镁合金进行时效处理，所述时效处理在120-350℃的温度下进行。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述时效处理的持续时间为0.5小时以上。

10.权利要求1-6中任意一项所述的镁合金在制备汽车零部件中的应用。