CN111155011A - 一种高性能Mg-Al-Ca镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强度Mg‑Al‑Ca镁合金及其制备方法。所述高性能Mg‑Al‑Ca镁合金，按重量百分比计，包含以下的组分：Al 3.5～4.5wt％，Ca 1～4wt％，杂质小于0.15wt％，余量为Mg。其制备方法：通过混合熔炼、均匀化热处理和塑性变形工艺制备得到。本发明通过向Mg‑Al系合金中添加碱土元素Ca(钙)，并通过改变Mg‑Al‑Ca镁合金中Ca/Al比，调节α‑Mg基体中Laves相的数量及分布，从而提高合金的力学性能。

Description

一种高性能Mg-Al-Ca镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种镁合金及其制备方法，尤其涉及一种高强度Mg-Al-Ca镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金是目前可工业应用最轻的金属结构材料，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。由于其具有高比强度、比刚度和良好的机械加工性能等优点，近年来越来越受到人们在轻量化生产上的重视。由于β相(Mg17Al12)在α-Mg基体中的不连续析出以及高温下β在枝晶间的粗化，Mg-Al系合金力学性能差。为了提高Mg-Al系合金的力学性能，通常可以向合金中添加稀土元素，然而，稀土元素价格昂贵，用稀土元素铸造镁合金难度大。
发明内容
为了解决现有技术中镁合金的力学性能偏低的缺陷，本发明在于提供一种高强度Mg-Al-Ca镁合金及其制备方法。本发明的Mg-Al-Ca镁合金具有良好的室温力学性能。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种高性能Mg-Al-Ca镁合金，按重量百分比计，包含以下的组分：Al 3.5～4.5wt％，Ca 1～4wt％，杂质小于0.15wt％，余量为Mg。
优选地，所述Mg-Al-Ca镁合金中Ca和Al的质量比为0.1～1.1。
本发明还提供一种所述的高性能Mg-Al-Ca镁合金的制备方法，通过混合熔炼、均匀化热处理和塑性变形工艺制备得到，具体包括如下步骤：
1)配料：将纯Mg、Al及Mg-Ca中间合金按重量百分比配置，并去除氧化皮；
2)加料：将步骤1)配置好的原料全部置于熔炼装置中，封闭熔炼炉；
3)抽真空，通氩气：封闭熔炼炉之后抽真空至真空计示数为100Pa以下，然后通入氩气至炉内气氛为-30MPa；
4)二次抽真空，通氩气：继续抽真空至真空计示数为80Pa以下，然后通入氩气至炉内气氛为-30MPa；
抽真空，通氩气的操作主要是为了防止镁合金燃烧挥发，同时保证了安全实验；控制熔炼炉的真空度为-30MPa，能够有效的除氢及碱金属杂质，同时最大程度地保留了镁、铝等有效合金强化元素。本发明连续两次抽真空通氩气，可以有效提高熔炼炉里的氩气纯度，使熔炼的镁合金的性能较好。
5)熔炼：将二次通氩气后的熔炼炉先进行预热，然后再加热至原料全部熔化成合金液体；
6)铸造：将熔化后的合金液体静置，然后将熔体浇铸成铸锭；
7)均匀化处理：将步骤6)得到的铸锭于均匀化处理后水冷，得到合金锭；
8)塑性变形：将步骤7)所得合金锭进行塑性变形，得到高性能Mg-Al-Ca镁合金。
进一步地，步骤5)中所述预热为：先将熔炼炉的功率调至5kW，预热10min，然后将功率上调至10-15kW。
进一步地，步骤6)中所述浇铸时的功率为10kW。
进一步地，步骤7)中所述的均匀化处理的温度为400～420℃，保温时间为12～16小时。
进一步地，步骤8)中所述的塑性变形采用挤压、轧制或锻造方式进行。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过向Mg-Al系合金中添加碱土元素Ca(钙)，可以改变α-Mg基体中Laves相(Al2Ca、(Mg,Al)2Ca及Mg2Ca)的数量及分布。因为Al2Ca和Mg2Ca的最强键nA值远大于基体α-Mg的nA值，位错运动和晶界滑移不易进行，有利于合金强度的提高；同时，第二相与基体界面电子密度不连续性使基体α-Mg晶粒长大受阻，晶粒得以细化，从而也提高合金的力学性能。Ca/Al比是决定Mg-Al-Ca系合金中Laves相体积分数、分布和类型的重要因素。本发明通过改变Mg-Al-Ca镁合金中Ca/Al比，可以改变合金中第二相的成分，以及α-Mg基体中Laves相的数量及分布，从而提高合金的力学性能。
(2)本发明通过对合金锭进行塑性变形，使晶粒发生再结晶，且反应生成的高温稳定相促进了再结晶的发生，从而进一步改善合金材料的力学性能。
(3)本发明通过组分和添加比例设计，得到一种高性能镁合金，延展性好，且抗拉强度大大增强。
(4)本发明选用的合金元素少、成本度，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，下列实例中所有的仪器、材料、试剂等均可通过常规商业手段获得。
实施例1
一种高性能Mg-Al-Ca镁合金，按重量百分比计，包含以下的组分：Al 4wt％，Ca1wt％，杂质小于0.15wt％，余量为Mg。
制备方法包括如下步骤：
混合熔炼：将纯Mg、Al及Mg-Ca中间合金按重量百分比配置，并去除氧化皮封闭熔炼炉之后抽真空至真空计示数为100Pa以下，然后通入氩气至炉内至气氛为-30MPa；继续抽真空至真空计示数为80Pa以下，然后通入氩气至炉内至气氛为-30MPa。将真空炉功率调至5kW，预热10min，然后将功率上升到10～15kW至原料全部熔化。将熔化后的合金液体静置10min，然后在10kW的功率下将熔体浇铸成铸锭。
均匀化处理工艺：将通过混合熔炼得到的铸锭在400℃条件下进行均匀化处理12小时，水冷，得到合金锭。
塑性变形工艺：将完成均匀化处理的合金锭在400℃、挤压比为16的条件下进行挤压变形，即可得到高性能Mg-Al-Ca镁合金。
经检验本实施例制备的高性能Mg-Al-Ca镁合金的室温力学性能如下：抗拉强度为276MPa，延伸率为19.12％。
实施例2
一种高性能Mg-Al-Ca镁合金，按重量百分比计，包含以下的组分：Al 4wt％，Ca2.5wt％，杂质小于0.15wt％，余量为Mg。
制备方法包括如下步骤：
混合熔炼：将纯Mg、Al及Mg-Ca中间合金按重量百分比配置，并去除氧化皮封闭熔炼炉之后抽真空至真空计示数为100Pa以下，然后通入氩气至炉内至气氛为-30MPa左右。继续抽真空至至真空计示数为80Pa以下，然后通入氩气至炉内至气氛为-30MPa左右。将真空炉功率调至5kW，预热10min，然后将功率上升到10～15kW至原料全部熔化。将熔化后的合金液体静置10min，然后在10kW的功率下将熔体浇铸成铸锭。
均匀化处理工艺：将通过混合熔炼得到的铸锭在400℃条件下进行均匀化处理16小时，水冷，得到合金锭。
塑性变形工艺：将完成均匀化处理的合金锭在400℃、挤压比为16的条件下进行挤压变形，即可得到高性能Mg-Al-Ca镁合金。
经检验本实施例制备的高性能Mg-Al-Ca镁合金的室温力学性能如下：抗拉强度为303MPa，延伸率为18.43％。
实施例3
一种高性能Mg-Al-Ca镁合金，按重量百分比计，包含以下的组分：Al 4wt％，Ca4wt％，杂质小于0.15wt％，余量为Mg。
制备方法包括如下步骤：
混合熔炼：将纯Mg、Al及Mg-Ca中间合金按重量百分比配置，并去除氧化皮封闭熔炼炉之后抽真空至真空计示数为100Pa以下，然后通入氩气至炉内至气氛为-30MPa左右。继续抽真空至至真空计示数为80Pa以下，然后通入氩气至炉内至气氛为-30MPa左右。将真空炉功率调至5kW，预热10min，然后将功率上升到10～15kW至原料全部熔化。将熔化后的合金液体静置10min，然后在10kW的功率下将熔体浇铸成铸锭。
均匀化处理工艺：将通过混合熔炼得到的铸锭在420℃条件下进行均匀化处理12小时，水冷。
塑性变形工艺：将完成均匀化处理的合金锭在400℃、挤压比为16的条件下进行挤压变形，即可得到高性能Mg-Al-Ca镁合金。
经检验本实施例制备的高性能Mg-Al-Ca镁合金的室温力学性能如下：抗拉强度为333MPa，延伸率为16.84％。
可见，本发明可以通过改变Mg-Al-Ca镁合金中Ca/Al比，改变合金中第二相的成分，以及α-Mg基体中Laves相的数量及分布，从而提高合金的力学性能。当镁合金中Ca/Al比小于0.4时，合金中第二相主要为Al2Ca，当镁合金中Ca/Al比大于0.8时，合金中第二相主要为Mg2Ca，当镁合金中Ca/Al比为0.4-0.8时，合金中第二相主要是Al2Ca和Mg2Ca相。
以上所述Ca/Al比均指镁合金中Ca和Al的质量比。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护。

Claims (7)

1.一种高性能Mg-Al-Ca镁合金，其特征在于，按重量百分比计，包含以下的组分：Al3.5～4.5wt％，Ca 1～4wt％，杂质小于0.15wt％，余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种高性能Mg-Al-Ca镁合金，其特征在于，所述Mg-Al-Ca镁合金中Ca和Al的质量比为0.1～1.1。
3.一种权利要求1或2所述的高性能Mg-Al-Ca镁合金的制备方法，其特征在于，通过混合熔炼、均匀化热处理和塑性变形工艺制备得到，具体包括如下步骤：
1)配料：将纯Mg、Al及Mg-Ca中间合金按重量百分比配置，并去除氧化皮；
2)加料：将步骤1)配置好的原料全部置于熔炼装置中，封闭熔炼炉；
3)抽真空，通氩气：封闭熔炼炉之后抽真空至真空计示数为100Pa以下，然后通入氩气至炉内气氛为-30MPa；
4)二次抽真空，通氩气：继续抽真空至真空计示数为80Pa以下，然后通入氩气至炉内气氛为-30MPa；
5)熔炼：将二次通氩气后的熔炼炉先进行预热，然后再加热至原料全部熔化成合金液体；
6)铸造：将熔化后的合金液体静置，然后将熔体浇铸成铸锭；
7)均匀化处理：将步骤6)得到的铸锭于均匀化处理后水冷，得到合金锭；
8)塑性变形：将步骤7)所得合金锭进行塑性变形，得到高性能Mg-Al-Ca镁合金。
4.根据权利要求2所述的一种高性能Mg-Al-Ca镁合金的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述预热为：先将熔炼炉的功率调至5kW，预热10min，然后将功率上调至10-15kW。
5.根据权利要求2所述的一种高性能Mg-Al-Ca镁合金的制备方法，其特征在于，步骤6)中所述浇铸时的功率为10kW。
6.根据权利要求2所述的一种高性能Mg-Al-Ca镁合金的制备方法，其特征在于，步骤7)中所述的均匀化处理的温度为400～420℃，保温时间为12～16小时。
7.根据权利要求2所述的一种高性能Mg-Al-Ca镁合金的制备方法，其特征在于，步骤8)中所述的塑性变形采用挤压、轧制或锻造方式进行。
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