CN111690859A - 一种原位生成Al8Mn4Gd相的Mg-Al-Ca镁合金改性设计及其制备方法 - Google Patents

一种原位生成Al8Mn4Gd相的Mg-Al-Ca镁合金改性设计及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于异质形核及变质处理机理，通过调控钙和钆的含量，以通过首先生成的Al8Mn4Gd相来控制Al2Ca相形核长大过程，成功开发出既适用于铸造也适合于变形工况的新型耐热高强Mg‑Al‑Ca镁合金。本发明的技术方案：将镁锭和所需加入的铝一起熔化，钆元素的加入要先于锰元素，加入镁钆中间合金引入钆，搅拌之后再加入铝‑锰或镁‑锰中间合金引入锰，进行除铁和硅杂质，再加入所需添加元素钙或镁钙中间合金引入钙，精炼处理，待静止保温后将将熔体直接浇注成铸锭；或先浇注成铸锭，然后经挤压和轧制成薄板。

Description

一种原位生成Al8Mn4Gd相的Mg-Al-Ca镁合金改性设计及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种原位生成Al8Mn4Gd相的Mg-Al-Ca镁合金改性设计及其制备方法
背景技术
镁合金是世界上最轻的金属结构材料，在汽车工业轻量化、低排放的竞 争领域中有着重要的应用价值和广泛的发展前景【Joost W J,Scripta Materialia, 2017,128:107-112.】。然而，镁合金的绝对强度较低，尤其是高温性能较差， 限制其在发动机和传动机构零部件方面的应用，然而这一类零部件对于汽车 整车减重来说起着举足轻重的作用[4]。因此，高性能耐热镁合金的开发及对 其蠕变断裂机理方面的研究具有极强的应用前景和迫切需求【文丽华,轻合金 加工技术,2016,44(9):7-11】。
通过合金化开发新型耐热镁合金是重要的发展方向。Mg-Al系镁合金具有良好的铸造性能且价格低廉。通过添加稀土元素开发的镁合金，如Mg-Al- RE等AE系镁合金，其蠕变强度高且综合性能良好，可用于汽车动力系统部件[8]。然而，AE系镁合金仅适合采用冷却速度较快的压铸法生产，这是因为较慢的冷却速度会导致粗大的Al2RE化合物形成，从而降低镁合金的力学性能【Zhang J,Zhang M,Materials Science and Engineering A 2010,527:2527- 2537】。另一方面，由于稀土金属比较昂贵，AE系镁合金在汽车行业及动力系统领域的应用受到很大限制【Pan F,Journal of Materials Science and Technology,2016,32(12):1211-1221】。由此，人们寻找其他的元素通过添加碱土元素(Ca、Sr、Ba)来开发新型的耐热镁合金，来降低成本。其中，Ca 由于价格低廉，熔点较低，密度与Mg接近(约为1.55g/cm3)，作为镁合金添加元素越来越受到人们的关注【Amberger D,Acta Materialia,2012,60(5): 2277-2289】。在常规镁合金中添加Ca元素不仅可以提高镁合金的氧化燃烧温度，而且可以细化铸造组织，提高镁合金的常温力学性能以及高温抗蠕变性能。Elamami等研究了Ca/Al变化对Mg-Al-Ca合金中相的选择及性能的影响，结果表明，Mg-Al-Ca合金中当Ca/Al在0.6～0.9之间时，(Mg/Al)2Ca相主要以C36及C14为主，而C15较少，在高温蠕变过程中对晶界滑移具有十分有效的阻碍作用,从而可显著提高镁合金的耐热性能；另一方面，(Mg/Al)2Ca呈现粗大网状或板片状，严重降低强度及韧性，相比于含稀土耐热镁合金，性能存在较大不足【Elamami H A,Journal of Alloys and Compounds,2018,764:216-225】。
由上可知，高温稳定相(Mg/Al)2Ca可有效钉扎晶界滑动，有利于耐热镁合金蠕变性能的提高，另一方面，粗大板片状或网状分布的(Mg/Al)2Ca相，分割基体，严重制约着强度及韧性，如何抑制粗大板片状(Mg/Al)2Ca相的产生，而促进均匀细小的(Mg/Al)2Ca相在凝固组织中弥散分布，成为开发高抗蠕变性能低成本耐热Mg-Al-Ca合金的重点。粗大板片状或网状分布的 (Mg/Al)2Ca相，分割基体，严重制约着强度及韧性，如何抑制粗大板片状(Mg/Al)2Ca相的产生，而促进均匀细小的(Mg/Al)2Ca相在凝固组织中弥散分布，成为开发高抗蠕变性能低成本耐热Mg-Al-Ca合金的重点。
发明内容：
本发明基于异质形核及变质处理机理，通过调控钙和钆的含量，以通过首先生成的Al8Mn4Gd相来控制Al2Ca相形核长大过程，成功开发出既适用于铸造也适合于变形工况的新型耐热高强Mg-Al-Ca-Gd镁合金。
本发明的技术方案：
将镁锭和所需加入的铝一起熔化，钆元素的加入要先于锰元素，加入镁钆中间合金引入钆，搅拌之后再加入铝-锰或镁-锰中间合金引入锰，进行除铁和硅杂质，再加入所需添加元素钙或镁钙中间合金引入钙，精炼处理，待静止保温后将将熔体直接浇注成铸锭；或先浇注成铸锭，然后经挤压和轧制成薄板。
本发明的合金成分如下：
一种耐热高塑性镁合金，其特征在于，
其特征在于，改性的镁合金中含有Al8Mn4Gd和Al2Ca颗粒且镁基体晶粒细小，比未改性的Mg-Al-Ca镁合金更容易进行热加工，如热轧制。
根据权利要求1所述的耐热高强镁合金，其特征在于，通过控制合金的添加顺序，首先原位形成Al8Mn4Gd相，对镁基体和后续生成的Al2Ca相进行细化，一种用于权利要求1所述的含Al8Mn4Gd相的耐热高塑性Mg-Al-Ca 镁合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，按照上述的镁合金成分进行配料，包括纯镁、纯铝、铝-锰或镁-锰中间合金、铝-钆或镁-钆中间合金、纯钙或镁-钙中间合金、纯锑，所采用的中间合金为商业标准中间合金；
步骤2，坩埚底部涂上氮化硼，加入纯镁锭，然后在镁锭上边加入所需铝锭，在受CO2和SF6混合气体保护下加热熔化；
步骤3，将预热的镁-钆中间合金加入熔体中；
步骤4，将预热的加入铝-锰或镁-锰中间合金加入熔体中，均匀搅拌，进行除铁和硅杂质；
步骤5，加入元素钙或镁-钙中间合金到熔体中，温度保持在800℃以下，均匀搅拌；
步骤6，静止处理，待温度降至720℃以下，将熔体直接进行浇注可获得铸锭；或者先浇注成铸锭，然后将铸锭在270-470℃挤压成型材或厚板，再轧制成薄板。
本发明与目前现有技术相比具有以下特点：
1.本发明的合金既适用于铸造工况，有适用于变形工况，如轧制和挤压等；
2.本发明镁合金铸态抗拉强度可达，延展率可达，轧制变形率可达；
3.本发明合金不含具有毒性的铅元素和脆性的硅元素；
4.本发明合金种添加了钆，可形成新的Al8Mn4Gd相，合金中的Al2Ca 相细化，有利于提高合金的性能；
5.本专利在制备方法上的特点为：先将镁锭和铝锭同时熔化，然后加入所需元素钆，搅拌之后加入锰元素，最后加入钙元素。
附图说明：
图1：含Al8Mn4Gd生成相的Mg-Al-Ca合金铸态的扫描电镜图
图2：改性合金经50％轧制量后的扫描电镜图
图3：热力学计算各相先后生成顺序。
具体实施方式
实施例1
1.按合金元素的质量百分比：铝：5.919％锰：0.527％，钙：4.008％，钆： 0.377％，其余为镁，称取所需的纯镁、纯铝、铝-10％锰或镁-10％锰中间合金、铝-5％钆或镁-5％钆中间合金、纯钙或镁-10％钙中间合金、纯锑；坩埚底部涂上氮化硼，加入纯镁锭，然后在镁锭上边加入所需铝锭，在受CO2和SF6混合气体保护下加热熔化；将上述含量的并经过预热的镁-5％钆中间合金加入熔体中；将预热的加入铝-锰中间合金加入熔体中，均匀搅拌，进行除铁和硅杂质；将上述含量并预热的镁-10％钙中间合金加入到熔体中，温度保持在800℃以下，均匀搅拌，并从底部进行吹氩气进行精炼；静置处理，待温度降至 720℃以下，将熔体直接进行浇注可获得铸锭；或者先浇注成铸锭，铸态拉伸强度可达170MPa。然后将铸锭在270-470℃挤压成型材或厚板，再轧制成薄板。该合金的延展率可达10％，拉伸强度可达270MPa。
实施例2
1.按合金元素的质量百分比：铝：5.919％锰：0.527％，钙：4.008％，钆： 0.377％，锌：0.9％，其余为镁，称取所需的纯锌、纯镁、纯铝、铝-10％锰或镁-10％锰中间合金、铝-5％钆或镁-5％钆中间合金、纯钙或镁-10％钙中间合金、纯锑；坩埚底部涂上氮化硼，加入纯镁锭，然后在镁锭上边加入所需铝锭，在受CO2和SF6混合气体保护下加热熔化；将上述含量的并经过预热的镁-5％钆中间合金加入熔体中；将预热的加入纯锌和铝-锰中间合金加入熔体中，均匀搅拌，进行除铁和硅杂质；将上述含量并预热的镁-10％钙中间合金加入到熔体中，温度保持在800℃以下，均匀搅拌，并从底部进行吹氩气进行精炼；静置处理，待温度降至720℃以下，将熔体直接进行浇注可获得铸锭；或者先浇注成铸锭，铸态拉伸强度可达170MPa。然后将铸锭在270-470℃挤压成型材或厚板，再轧制成薄板。该合金的延展率可达8％，拉伸强度可达 280MPa。

Claims (2)

1.一种原位生成Al8Mn4Gd相的Mg-Al-Ca镁合金改性设计，其特征在于，调控设计原位生成Al8Mn4Gd相对Mg-Al-Ca镁合金改性，合金中的Al2Ca颗粒和镁基体晶粒都得到充分细化，改性的比未改性的Mg-Al-Ca镁合金更容易进行热加工，如热轧制。
2.一种用于权利要求1所述原位生成Al8Mn4Gd相的改性Mg-Al-Ca镁合金设计的制备方法，其特征在于，通过控制合金的添加顺序，首先原位形成Al8Mn4Gd相，对镁基体和后续生成的Al2Ca相进行细化，具体步骤如下：(1)按照上述的镁合金成分进行配料，包括纯镁、纯铝、铝-锰或镁-锰中间合金、铝-钆或镁-钆中间合金、纯钙或镁-钙中间合金、纯锑，所采用的中间合金为商业标准中间合金；(2)坩埚底部涂上氮化硼，加入纯镁锭，然后在镁锭上边加入所需铝锭，在受CO2和SF6混合气体保护下加热熔化；(3)将预热的镁-钆中间合金加入熔体中；(4)将预热的加入铝-锰或镁-锰中间合金加入熔体中，均匀搅拌，进行除铁和硅杂质；(5)加入元素钙或镁-钙中间合金到熔体中，温度保持在800℃以下，均匀搅拌；(6)静止处理，待温度降至720℃以下，将熔体直接进行浇注可获得铸锭；或者先浇注成铸锭，然后将铸锭在270-470℃挤压成型材或厚板，再轧制成薄板。
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