CN112725672A - 一种低膨胀系数的车用镁合金零件及其制备方法 - Google Patents

一种低膨胀系数的车用镁合金零件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低膨胀系数的车用镁合金零件，具体涉及镁合金车用零件技术领域，包括按重量百分数计的如下元素：Fe、Si、Ni、Mo、C、Ce、Co、V，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明生产的低膨胀系数的车用镁合金零件通过加入硅元素能够与镁反应生成Mg2Si相，Mg2Si相为低膨胀相，能够有效降低镁合金的膨胀系数，而且Si在Mg中的固溶度很小，因此由Si固溶于Mg基体引起的晶格畸变对热导率的影响也较小，通过加入C和Mo，Mo能够与C形成碳化钼小颗粒均匀弥散相，而且在Fe、Ni和C体系中加入V经过热处理后由于Fe和C的析出相，能够有效降低镁合金的膨胀系数。

Description

一种低膨胀系数的车用镁合金零件及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金零件技术领域，更具体地说，本发明涉及一种低膨胀系数的车用镁合金零件及其制备方法。
背景技术
随着汽车市场竞争的日益激烈，消费者对产品品质的要求也日益增加。汽车是由大量的零件部组合而成，而镁合金零件是汽车常用材料之一。镁合金作为新型的结构材料具有密度小、比强度高、电磁屏蔽性好以及回收性好等优点，在汽车、电子、电器、通讯航空航天等领域具有广阔的前景。并且，我国是世界镁产量最多的国家，镁资源丰富。因此，如何利用好镁资源，扩宽镁合金的应用范围具有十分重要的意义。合金在电子元器件、汽车等领域的应用，不仅是轻量化的需要，而且也需要高的导热性和低的热膨胀性。随着3C电子产品内部发热元件的高度集成化，以及LED产品的高功率化，这使得电子器件的总功率密度和发热量大幅增加。如果电子器件产生的热量没有及时的散发出去，会使得电子器件周围温度升高，然而电子器件对温度又十分敏感，部分电子器件的工作效率会随着温度的升高大幅下降，甚至服役时间也会受到影响，镁合金的电器零部件等零部件也会因受热而膨胀变形、甚至断裂。
室温时纯镁的热膨胀系数(CTE)较高，约为26×10-61/K，也高于纯铝的CTE，约为23×10-61/K，而镁中加入合金元素形成镁合金时，许多常用合金元素反而使镁的热膨胀系数进一步增大，如Gd、La、Al、Zn等元素，有的添加后镁合金甚至超过30×10-61/K。现有的镁合金车用零件在许多涉及热影响的电子元器件领域的应用受到很大的限制，不能满足车用零件高导率、低膨胀系数的要求。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种低膨胀系数的车用镁合金零件及其制备方法，本发明所要解决的问题是：如何降低镁合金车用零件的热膨胀系数和导热率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低膨胀系数的车用镁合金零件，包括按重量百分数计的如下元素：Fe：1-5％、Si:1-5％、Ni：0.05-1％、Mo:0.05-0.5％、C：0.5-1.5％、Ce：0.3-1.5％、Co：0.002-0.2％、V：0.002-0.2％，余量为Mg和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，包括按重量百分数计的如下元素：Fe：2-4％、Si:2-4％、Ni：0.4-0.6％、Mo:0.2-0.3％、C：0.8-1.2％、Ce：0.6-1.2％、Co：0.08-0.12％、V：0.08-0.12％，余量为Mg和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，包括按重量百分数计的如下元素：Fe：3％、Si:3％、Ni：0.075％、Mo:0.25％、C：1％、Ce：0.9％、Co：0.1％、V：0.1％，余量为Mg和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，所述Si、Ni、Mo、Ce、Co和V的添加分别通过镁硅中间合金、镁镍中间合金、镁钼中间合金、镁铈中间合金和镁钴中间合金的方式添加。
本发明还提供一种低膨胀系数的车用镁合金零件的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一：按照上述的原料成份分别称取适量的纯镁、纯铁、碳和钒锭，并将称取的碳粉碎研磨，然后根据硅、镍、钼、铈、钴和钒的含量计算并称取需要的镁硅中间合金、镁镍中间合金、镁钼中间合金、镁铈中间合金和镁钴中间合金备用；
步骤二：将步骤一中称取的纯镁、纯铁、碳和钒锭分别进行预热，预热完成后将纯镁和碳投入到真空熔炼炉中进行加热熔化，真空熔炼炉内部的熔炼温度为710-720℃，压强为30-50MPa，纯镁熔化完全后向真空熔炼炉中投入纯铁和钒锭，将真空熔炼炉升温至1050-1180℃，对纯铁和钒锭进行加热熔化，全部熔化完全后进行搅拌，使得各熔体混合均匀；
步骤三：将步骤一中称取的镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合，将镁铈中间合金和镁钴中间合金混合，并对混合物进行预热处理，将真空熔炼炉内部的温度降温至780-850℃，然后通过保护气体将镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合物投入到真空熔炼炉中加热熔化，全部熔化后再通过保护气体将镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物投入到真空熔炼炉中加热熔化，混合均匀后得到镁合金液；
步骤四：对镁合金液降温后通过氮气将精炼剂吹入至镁合金液面2/3处进行搅拌精炼，精炼后静置15-20min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣得到镁合金熔体；
步骤五：将步骤四中得到的镁合金熔体浇注到零件的铸造成型模具中进行凝固成铸坯，将铸坯升温加热到420℃后保温12小时，出炉空冷，进行均匀化退火处理；
步骤六：将步骤五中得到的产品进行冷轧形处理，压下量为6-8％，然后进行低温时效处理，时效处理完成后得到低膨胀系数的车用镁合金零件。
在一个优选的实施方式中，所述步骤二中纯镁、纯铁、碳和钒锭的预热温度为200-250℃，所述步骤三中镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合物的预热温度为220-260℃，所述镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物的预热温度为200-250℃。
在一个优选的实施方式中，所述步骤三中保护气体为氮气和六氟化硫的混合气体，其中六氟化硫的体积分数为0.5％-1.5％，所述镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物分三次投入到真空熔炼炉中，每次的投入量相同，且每次投入的时间间隔为20-30min。
在一个优选的实施方式中，所述步骤四中对镁合金液降温时温度下降至710-750℃，所述步骤四中精炼剂为RJ-5号溶剂，精炼时间为8-12min，所述精炼剂的添加量为熔体重量的0.8-1.5％。
在一个优选的实施方式中，所述步骤五中镁合金熔体浇注时，车用零件的成型模具提前进行预热，且所述预热温度到300-350℃。
在一个优选的实施方式中，所述步骤六中低温时效处理的温度为150-180℃，处理时间为25-35h，时效处理后进行空冷至室温。
本发明的技术效果和优点：
1、采用本发明的原料配方所制备出的低膨胀系数的车用镁合金零件，通过加入硅元素能够与镁反应生成Mg2Si相，Mg2Si相为低膨胀相，能够有效降低镁合金的膨胀系数，而且Si在Mg中的固溶度很小，因此由Si固溶于Mg基体引起的晶格畸变对热导率的影响也较小，通过加入C和Mo，Mo能够与C形成碳化钼小颗粒均匀弥散相，而且在Fe、Ni和C体系中加入V经过热处理后由于Fe和C的析出相，能够有效降低镁合金的膨胀系数，加入的V能够提高镁合金腐蚀电位，降低了腐蚀电流密度，明显减小了镁合金的腐蚀速率，通过加入Co能够使镁合金内的晶粒细化，能够改善镁合金的性能；
2、本发明通过熔炼的方法将镁硅中间合金、镁镍中间合金、镁钼中间合金、镁铈中间合金和镁钴中间合金加入到Mg-Fe-C系合金中，对合金进行改性，并将得到的铸态合金进行热处理，所得镁合金显微组织均匀，析出相分布均匀弥散，能够有效降低镁合金的膨胀系数，而且通过选用镁铈中间合金作为原料，其中添加的铈元素目的在于对Mg2Si相进行变质处理，在降低镁合金膨胀系数的同时能够保证镁合金的导热率。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种低膨胀系数的车用镁合金零件，包括按重量百分数计的如下元素：Fe：1％、Si:1％、Ni：0.05％、Mo:0.05％、C：0.5％、Ce：0.3％、Co：0.002％、V：0.002％，余量为Mg和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，所述Si、Ni、Mo、Ce、Co和V的添加分别通过镁硅中间合金、镁镍中间合金、镁钼中间合金、镁铈中间合金和镁钴中间合金的方式添加。
本发明还提供一种低膨胀系数的车用镁合金零件的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一：按照上述的原料成份分别称取适量的纯镁、纯铁、碳和钒锭，并将称取的碳粉碎研磨，然后根据硅、镍、钼、铈、钴和钒的含量计算并称取需要的镁硅中间合金、镁镍中间合金、镁钼中间合金、镁铈中间合金和镁钴中间合金备用；
步骤二：将步骤一中称取的纯镁、纯铁、碳和钒锭分别进行预热，预热完成后将纯镁和碳投入到真空熔炼炉中进行加热熔化，真空熔炼炉内部的熔炼温度为715℃，压强为40MPa，纯镁熔化完全后向真空熔炼炉中投入纯铁和钒锭，将真空熔炼炉升温至1100℃，对纯铁和钒锭进行加热熔化，全部熔化完全后进行搅拌，使得各熔体混合均匀；
步骤三：将步骤一中称取的镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合，将镁铈中间合金和镁钴中间合金混合，并对混合物进行预热处理，将真空熔炼炉内部的温度降温至815℃，然后通过保护气体将镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合物投入到真空熔炼炉中加热熔化，全部熔化后再通过保护气体将镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物投入到真空熔炼炉中加热熔化，混合均匀后得到镁合金液；
步骤四：对镁合金液降温后通过氮气将精炼剂吹入至镁合金液面2/3处进行搅拌精炼，精炼后静置18min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣得到镁合金熔体；
步骤五：将步骤四中得到的镁合金熔体浇注到零件的铸造成型模具中进行凝固成铸坯，将铸坯升温加热到420℃后保温12小时，出炉空冷，进行均匀化退火处理；
步骤六：将步骤五中得到的产品进行冷轧形处理，压下量为8％，然后进行低温时效处理，时效处理完成后得到低膨胀系数的车用镁合金零件。
在一个优选的实施方式中，所述步骤二中纯镁、纯铁、碳和钒锭的预热温度为225℃，所述步骤三中镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合物的预热温度为240℃，所述镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物的预热温度为225℃。
在一个优选的实施方式中，所述步骤三中保护气体为氮气和六氟化硫的混合气体，其中六氟化硫的体积分数为1％，所述镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物分三次投入到真空熔炼炉中，每次的投入量相同，且每次投入的时间间隔为25min。
在一个优选的实施方式中，所述步骤四中对镁合金液降温时温度下降至730℃，所述步骤四中精炼剂为RJ-5号溶剂，精炼时间为10min，所述精炼剂的添加量为熔体重量的1.2％。
在一个优选的实施方式中，所述步骤五中镁合金熔体浇注时，车用零件的成型模具提前进行预热，且所述预热温度到325℃。
在一个优选的实施方式中，所述步骤六中低温时效处理的温度为165℃，处理时间为30h，时效处理后进行空冷至室温。
实施例2：
与实施例1不同的是，所述低膨胀系数的车用镁合金零件包括按重量百分数计的如下元素：Fe：3％、Si:3％、Ni：0.075％、Mo:0.25％、C：1％、Ce：0.9％、Co：0.1％、V：0.1％，余量为Mg和不可避免的杂质。
实施例3：
与实施例1-2均不同的是，所述低膨胀系数的车用镁合金零件包括按重量百分数计的如下元素：Fe：5％、Si:5％、Ni：1％、Mo:0.5％、C：1.5％、Ce：1.5％、Co：0.2％、V：0.2％，余量为Mg和不可避免的杂质。
分别选取上述实施例1、实施例2和实施例3生产的镁合金车用零件分别作为实验组1、实验组2和实验组3，利用传统的镁合金车用零件作为对照组，分别测量车用零件在90℃和250℃条件下的热导率，并测量镁合金车用零件的热膨胀系数和腐蚀速度。测量结果如表一：
Figure BDA0002847235580000071
表一
由表一可知，本发明生产的镁合金车用零件热导率由于优于传统的镁合金车用零件，热膨胀系数低于传统的镁合金车用零件,耐腐蚀性能较好，本发明采用实施例2配料比例生产的镁合金车用零件性能较好，本发明生产的镁合金车用零件通过加入硅元素能够与镁反应生成Mg2Si相，Mg2Si相为低膨胀相，能够有效降低镁合金的膨胀系数，而且Si在Mg中的固溶度很小，因此由Si固溶于Mg基体引起的晶格畸变对热导率的影响也较小，通过加入C和Mo，Mo能够与C形成碳化钼小颗粒均匀弥散相，而且在Fe、Ni和C体系中加入V经过热处理后由于Fe和C的析出相，能够有效降低镁合金的膨胀系数，加入的V能够提高镁合金腐蚀电位，降低了腐蚀电流密度，明显减小了镁合金的腐蚀速率，通过加入Co能够使镁合金内的晶粒细化，能够改善镁合金的性能。
实施例4：
本发明提供了一种低膨胀系数的车用镁合金零件，包括按重量百分数计的如下元素：Fe：3％、Si:3％、Ni：0.075％、Mo:0.25％、C：1％、Ce：0.9％、Co：0.1％，余量为Mg和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，所述Si、Ni、Mo、Ce和Co的添加分别通过镁硅中间合金、镁镍中间合金、镁钼中间合金、镁铈中间合金和镁钴中间合金的方式添加。
本发明还提供一种低膨胀系数的车用镁合金零件的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一：按照上述的原料成份分别称取适量的纯镁、纯铁、碳，并将称取的碳粉碎研磨，然后根据硅、镍、钼、铈、钴和钒的含量计算并称取需要的镁硅中间合金、镁镍中间合金、镁钼中间合金、镁铈中间合金和镁钴中间合金备用；
步骤二：将步骤一中称取的纯镁、纯铁、碳分别进行预热，预热完成后将纯镁和碳投入到真空熔炼炉中进行加热熔化，真空熔炼炉内部的熔炼温度为715℃，压强为40MPa，纯镁熔化完全后向真空熔炼炉中投入纯铁，将真空熔炼炉升温至1100℃，对纯铁进行加热熔化，全部熔化完全后进行搅拌，使得各熔体混合均匀；
步骤三：将步骤一中称取的镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合，将镁铈中间合金和镁钴中间合金混合，并对混合物进行预热处理，将真空熔炼炉内部的温度降温至815℃，然后通过保护气体将镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合物投入到真空熔炼炉中加热熔化，全部熔化后再通过保护气体将镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物投入到真空熔炼炉中加热熔化，混合均匀后得到镁合金液；
步骤四：对镁合金液降温后通过氮气将精炼剂吹入至镁合金液面2/3处进行搅拌精炼，精炼后静置18min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣得到镁合金熔体；
步骤五：将步骤四中得到的镁合金熔体浇注到零件的铸造成型模具中进行凝固成铸坯，将铸坯升温加热到420℃后保温12小时，出炉空冷，进行均匀化退火处理；
步骤六：将步骤五中得到的产品进行冷轧形处理，压下量为8％，然后进行低温时效处理，时效处理完成后得到低膨胀系数的车用镁合金零件。
在一个优选的实施方式中，所述步骤二中纯镁、纯铁、碳的预热温度为225℃，所述步骤三中镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合物的预热温度为240℃，所述镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物的预热温度为225℃。
在一个优选的实施方式中，所述步骤三中保护气体为氮气和六氟化硫的混合气体，其中六氟化硫的体积分数为1％，所述镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物分三次投入到真空熔炼炉中，每次的投入量相同，且每次投入的时间间隔为25min。
在一个优选的实施方式中，所述步骤四中对镁合金液降温时温度下降至730℃，所述步骤四中精炼剂为RJ-5号溶剂，精炼时间为10min，所述精炼剂的添加量为熔体重量的1.2％。
在一个优选的实施方式中，所述步骤五中镁合金熔体浇注时，车用零件的成型模具提前进行预热，且所述预热温度到325℃。
在一个优选的实施方式中，所述步骤六中低温时效处理的温度为165℃，处理时间为30h，时效处理后进行空冷至室温。
选取实施例2和实施例4生产的镁合金车用零件分别测量其力学性能和耐腐蚀速度，测量结果如表二：
表二
Figure BDA0002847235580000101
由表二可知，实施例4中并添加钒元素，生产的镁合金车用零件腐蚀速度明显增加，而抗拉强度和延伸率小幅度降低，添加的钒元素能够提高镁合金腐蚀电位，降低了腐蚀电流密度，明显减小了镁合金的腐蚀速率。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低膨胀系数的车用镁合金零件，其特征在于：包括按重量百分数计的如下元素：Fe：1-5％、Si:1-5％、Ni：0.05-1％、Mo:0.05-0.5％、C：0.5-1.5％、Ce：0.3-1.5％、Co：0.002-0.2％、V：0.002-0.2％，余量为Mg和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种低膨胀系数的车用镁合金零件，其特征在于：包括按重量百分数计的如下元素：Fe：2-4％、Si:2-4％、Ni：0.4-0.6％、Mo:0.2-0.3％、C：0.8-1.2％、Ce：0.6-1.2％、Co：0.08-0.12％、V：0.08-0.12％，余量为Mg和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种低膨胀系数的车用镁合金零件，其特征在于：包括按重量百分数计的如下元素：Fe：3％、Si:3％、Ni：0.075％、Mo:0.25％、C：1％、Ce：0.9％、Co：0.1％、V：0.1％，余量为Mg和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种低膨胀系数的车用镁合金零件，其特征在于：所述Si、Ni、Mo、Ce、Co和V的添加分别通过镁硅中间合金、镁镍中间合金、镁钼中间合金、镁铈中间合金和镁钴中间合金的方式添加。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种低膨胀系数的车用镁合金零件的制备方法，其特征在于：具体制备步骤如下：
步骤一：按照上述的原料成份分别称取适量的纯镁、纯铁、碳和钒锭，并将称取的碳粉碎研磨，然后根据硅、镍、钼、铈、钴和钒的含量计算并称取需要的镁硅中间合金、镁镍中间合金、镁钼中间合金、镁铈中间合金和镁钴中间合金备用；
步骤二：将步骤一中称取的纯镁、纯铁、碳和钒锭分别进行预热，预热完成后将纯镁和碳投入到真空熔炼炉中进行加热熔化，真空熔炼炉内部的熔炼温度为710-720℃，压强为30-50MPa，纯镁熔化完全后向真空熔炼炉中投入纯铁和钒锭，将真空熔炼炉升温至1050-1180℃，对纯铁和钒锭进行加热熔化，全部熔化完全后进行搅拌，使得各熔体混合均匀；
步骤三：将步骤一中称取的镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合，将镁铈中间合金和镁钴中间合金混合，并对混合物进行预热处理，将真空熔炼炉内部的温度降温至780-850℃，然后通过保护气体将镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合物投入到真空熔炼炉中加热熔化，全部熔化后再通过保护气体将镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物投入到真空熔炼炉中加热熔化，混合均匀后得到镁合金液；
步骤四：对镁合金液降温后通过氮气将精炼剂吹入至镁合金液面2/3处进行搅拌精炼，精炼后静置15-20min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣得到镁合金熔体；
步骤五：将步骤四中得到的镁合金熔体浇注到零件的铸造成型模具中进行凝固成铸坯，将铸坯升温加热到420℃后保温12小时，出炉空冷，进行均匀化退火处理；
步骤六：将步骤五中得到的产品进行冷轧形处理，压下量为6-8％，然后进行低温时效处理，时效处理完成后得到低膨胀系数的车用镁合金零件。
6.根据权利要求5所述的一种低膨胀系数的车用镁合金零件的制备方法，其特征在于：所述步骤二中纯镁、纯铁、碳和钒锭的预热温度为200-250℃，所述步骤三中镁硅中间合金、镁镍中间合金和镁钼中间合金混合物的预热温度为220-260℃，所述镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物的预热温度为200-250℃。
7.根据权利要求5所述的一种低膨胀系数的车用镁合金零件的制备方法，其特征在于：所述步骤三中保护气体为氮气和六氟化硫的混合气体，其中六氟化硫的体积分数为0.5％-1.5％，所述镁铈中间合金和镁钴中间合金混合物分三次投入到真空熔炼炉中，每次的投入量相同，且每次投入的时间间隔为20-30min。
8.根据权利要求5所述的一种低膨胀系数的车用镁合金零件的制备方法，其特征在于：所述步骤四中对镁合金液降温时温度下降至710-750℃，所述步骤四中精炼剂为RJ-5号溶剂，精炼时间为8-12min，所述精炼剂的添加量为熔体重量的0.8-1.5％。
9.根据权利要求5所述的一种低膨胀系数的车用镁合金零件的制备方法，其特征在于：所述步骤五中镁合金熔体浇注时，车用零件的成型模具提前进行预热，且所述预热温度到300-350℃。
10.根据权利要求5所述的一种低膨胀系数的车用镁合金零件的制备方法，其特征在于：所述步骤六中低温时效处理的温度为150-180℃，处理时间为25-35h，时效处理后进行空冷至室温。
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