CN109112374A - 一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高强度镁‑锡‑锌‑锂‑钠合金的制备方法。该合金包含以重量百分比计的下列组分：3～9wt％的Sn，1～2wt％的Zn，0.5～1.5wt％的Li，0.5～1.5wt％的Na，余量为Mg以及杂质元素Si、Fe、Cu和Ni，并且杂质元素的总量小于0.02wt％。包括以下步骤：(1)配料；(2)熔炼；(3)热处理。有益效果：通过向镁‑锡合金中加入Zn元素，促进了时效过程中强化相的析出，提高了峰值时效硬度；加入Li和Na元素，利用锂和钠两种元素之间的协同作用，加快了时效硬化过程，提高了该高强度镁‑锡‑锌‑锂‑钠合金的性能，并降低了合金的密度。

Description

一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种镁合金的制备方法，尤其涉及一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法。
背景技术
镁(Mg)合金具有密度低、来源广泛、比强度和比刚度高等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，在航空航天、汽车、轨道交通、电子行业等对轻量化要求较高的领域具有广泛的应用前景。目前，限制镁合金应用的一大难题在于强度偏低，难以满足工程应用的要求。因此，开发新型高强度镁合金具有非常重要的应用价值。
锡(Sn)元素是镁合金中常用的合金元素，镁锡合金中的主要强化相是Mg2Sn相，该相的熔点高达770.5℃，因此，镁锡合金被认为是一类有潜力的低成本高强度耐热镁合金材料。但由于Sn元素在镁合金基体中的扩散速率很慢，该合金在200℃下达到峰值时效的时间长达100小时左右，过长的时效时间对能耗、设备和生产效率等均产生不利影响。
锌(Zn)元素是镁锡合金中常用的合金元素，Zn元素的加入能够促进热处理过程中Mg2Sn相的形核，提高时效硬化效果，但锌元素的加入并不能加快时效硬化过程。
锂(Li)元素会与Mg元素形成置换固溶体。当少量Li元素固溶于镁合金中时，由于Li原子的原子半径较小，对第二相沉淀析出的阻力较小，能够显著加快时效硬化过程。钠(Na)元素同样会与Mg元素形成置换固溶体，少量Na元素固溶于镁合金中所起的作用于Li元素类似。当同时添加Li和Na两种元素时，由于两种元素同时固溶进入镁基体后，不稳定性高于单一元素固溶后的效果，在时效处理过程中更快析出，这种协同作用，使得其促进强化相析出的效果更加显著。
因此，向镁-锡合金中加入一定量的Zn、Li和Na元素，能够促进时效过程中强化相的析出，缩短时效处理所需时间，获得一种新型高强度镁-锡-锌-锂-钠合金。与此同时，由于Li和Na的密度低，因此Li和Na的加入还能够进一步降低镁合金的密度。
发明内容
针对现有技术中存在的时效时间过长，强度偏低及生产效率较低的不足，本发明的目的在于提供一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法。通过向镁-锡合金中加入一定量的Zn、Li和Na元素，促进了时效过程中强化相的析出，缩短了时效处理所需时间，提高了合金性能，并降低了合金密度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金，其中包含以重量百分比计的下列组分：3～9wt％的Sn，1～2wt％的Zn，0.5～1.5wt％的Li，0.5～1.5wt％的Na，余量为Mg以及杂质元素Si、Fe、Cu和Ni，并且杂质元素的总量小于0.02wt％。
一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料：按照配方量分别称取镁、锡、锌、锂和钠；
(2)熔炼：将合金原料放入中频感应炉的坩埚中，抽真空后充入氩气作为保护气体；开启中频感应炉，待合金原料完全熔化后进行保温，随后浇入已预热完成的钢制模具中，待冷却后，得到合金锭；
(3)热处理：将合金锭进行固溶处理，水淬后再进行时效处理，即可得到高强度镁-锡-锌-锂-钠合金。
优选地，步骤(2)中所述的熔化温度为680～720℃，所述的保温时间为10min。
优选地，步骤(2)中所述的预热温度为200℃。
优选地，步骤(3)中所述固溶处理的温度为460～500℃，所述固溶处理的时间为8～24h。
优选地，步骤(3)中所述时效处理的温度为200℃，所述时效处理的时间为10～24h。
有益效果：
(1)本发明通过向镁-锡合金中添加Zn元素，促进了时效过程中强化相的析出，提高了峰值时效硬度和合金性能；
(2)本发明通过向镁-锡-锌合金中同时添加Li和Na元素，由于两种元素同时固溶进入镁基体后，不稳定性高于单一元素固溶后的效果，在时效处理过程中更快析出，这种协同作用，显著加快了时效硬化过程，缩短了达到峰值时效所需的时间；
(3)本发明通过向镁-锡-锌合金中添加Li和Na元素，降低了合金的密度；
(4)本发明的加工工艺操作简单、方便，易于工业化生产。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。除非另有说明，下列实施例中所使用的仪器、材料、试剂等均可通过常规商业手段获得。
对比例1：高强度镁-锡-锌-锂合金的制备
本实施例的高强度镁-锡-锌-锂合金包含以重量百分比计的下列组分：3wt％的Sn，1wt％的Zn，0.5wt％的Li，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt％。
该高强度镁-锡-锌-锂合金的制备方法如下：
(1)配料：按照配方量分别称取纯Mg、Sn、Zn和Li；
(2)熔炼：将合金原料放入中频感应炉的坩埚中，抽真空后充入氩气作为保护气体；开启中频感应炉，待合金原料完全熔化后，保温10min，随后浇入预热至200℃的钢制模具中，冷却后得到合金锭；
(3)热处理：将合金锭于460℃进行固溶处理8h，水淬后于200℃进行时效处理16h，即可得到高强度镁-锡-锌-锂合金。
经检测，该高强度镁-锡-锌-锂合金T6态的室温力学性能如下：维氏硬度63HV，屈服强度为112MPa，抗拉强度为165MPa，延伸率为16.4％。
实施例1：高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备
本实施例的高强度镁-锡-锌-锂-钠合金包含以重量百分比计的下列组分：3wt％的Sn，1wt％的Zn，0.5wt％的Li，0.5wt％的Na，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt％。
该高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法如下：
(1)配料：按照配方量分别称取纯Mg、Sn、Zn、Li和Na；
(2)熔炼：将合金原料放入中频感应炉的坩埚中，抽真空后充入氩气作为保护气体；开启中频感应炉，待合金原料完全熔化后，保温10min，随后浇入预热至200℃的钢制模具中，冷却后得到合金锭；
(3)热处理：将合金锭于460℃进行固溶处理8h，水淬后于200℃进行时效处理16h，即可得到高强度镁-锡-锌-锂-钠合金。
经检测，该高强度镁-锡-锌-锂-钠合金T6态的室温力学性能如下：维氏硬度75HV，屈服强度为135MPa，抗拉强度为189MPa，延伸率为11.2％。与对比例1相比，在相同热处理条件下，合金的维氏硬度、屈服强度和抗拉强度均有明显提高。
实施例2：高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备
本实施例的高强度镁-锡-锌-锂-钠合金包含以重量百分比计的下列组分：3wt％的Sn，1wt％的Zn，0.5wt％的Li，0.5wt％的Na，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt％。
该高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法如下：
(1)配料：按照配方量分别称取纯Mg、Sn、Zn、Li和Na；
(2)熔炼：将合金原料放入中频感应炉的坩埚中，抽真空后充入氩气作为保护气体；开启中频感应炉，待合金原料完全熔化后，保温10min，随后浇入预热至200℃的钢制模具中，冷却后得到合金锭；
(3)热处理：将合金锭于460℃进行固溶处理8h，水淬后于200℃进行时效处理10h，即可得到高强度镁-锡-锌-锂-钠合金。
经检测，该高强度镁-锡-锌-锂-钠合金T6态的室温力学性能如下：维氏硬度65HV，屈服强度为115MPa，抗拉强度为169MPa，延伸率为16.0％。在相对对比例1较短的时效处理时间内，实施例2制备的合金的维氏硬度、屈服强度和抗拉强度是相当的，说明Li和Na的协同作用确实是加快了时效硬化过程，且没有影响合金的性能。
实施例3：高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备
本实施例的高强度镁-锡-锌-锂-钠合金包含以重量百分比计的下列组分：6wt％的Sn，1.5wt％的Zn，1wt％的Li，1wt％的Na，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt％。
该高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法如下：
(1)配料：按照配方量分别称取纯Mg、Sn、Zn、Li和Na；
(2)熔炼：将合金原料放入中频感应炉的坩埚中，抽真空后充入氩气作为保护气体；开启中频感应炉，待合金原料完全熔化后，保温10min，随后浇入预热至200℃的钢制模具中，冷却后得到合金锭；
(3)热处理：将合金锭于480℃进行固溶处理16h，水淬后于200℃进行时效处理20h，即可得到高强度镁-锡-锌-锂-钠合金。
经检测，该高强度镁-锡-锌-锂-钠合金T6态的室温力学性能如下：屈服强度为197MPa，抗拉强度为265MPa，延伸率为6.4％。
实施例4：高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备
本实施例的高强度镁-锡-锌-锂-钠合金包含以重量百分比计的下列组分：9wt％的Sn，2wt％的Zn，1.5wt％的Li，1.5wt％的Na，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt％。
该高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法如下：
(1)配料：按照配方量分别称取纯Mg、Sn、Zn、Li和Na；
(2)熔炼：将合金原料放入中频感应炉的坩埚中，抽真空后充入氩气作为保护气体；开启中频感应炉，待合金原料完全熔化后，保温10min，随后浇入预热至200℃的钢制模具中，冷却后得到合金锭；
(3)热处理：将合金锭于500℃进行固溶处理24h，水淬后于200℃进行时效处理24h，即可得到高强度镁-锡-锌-锂-钠合金。
经检测，该高强度镁-锡-锌-锂合金T6态的室温力学性能如下：屈服强度为253MPa，抗拉强度为289MPa，延伸率为5.1％。

Claims (6)

1.一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金，其中包含以重量百分比计的下列组分：3～9wt％的Sn，1～2wt％的Zn，0.5～1.5wt％的Li，0.5～1.5wt％的Na，余量为Mg以及杂质元素Si、Fe、Cu和Ni，并且杂质元素的总量小于0.02wt％。
2.根据权利要求1所述的一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料：按照配方量分别称取镁、锡、锌、锂和钠；
(2)熔炼：将合金原料放入中频感应炉的坩埚中，抽真空后充入氩气作为保护气体；开启中频感应炉，待合金原料完全熔化后进行保温，随后浇入已预热完成的钢制模具中，待冷却后，得到合金锭；
(3)热处理：将合金锭进行固溶处理，水淬后再进行时效处理，即可得到高强度镁-锡-锌-锂-钠合金。
3.根据权利要求2所述的一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的熔化温度为680～720℃，所述保温的时间为10min。
4.根据权利要求2所述的一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述预热的温度为200℃。
5.根据权利要求2所述的一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述固溶处理的温度为460～500℃，所述固溶处理的时间为8～24h。
6.根据权利要求2所述的一种高强度镁-锡-锌-锂-钠合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述时效处理的温度为200℃，所述时效处理的时间为10～24h。
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