CN115537620A

CN115537620A - 一种压铸镁合金及其制备方法和应用

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Publication number: CN115537620A
Application number: CN202110743614.9A
Authority: CN
Inventors: 郭强; 李江恒; 余梦州; 胡红迪; 王亚军
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2022-12-30
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: CN115537620B

Abstract

为克服现有压铸镁合金难以兼顾导热性和力学性能的问题，本发明提供了一种压铸镁合金，包括如下质量百分比的组分：Zn含量为10.5％‑14.5％，Cu含量为0.6％‑0.9％，Sn含量为0.001％‑0.5％，Mn和/或Zr含量为0.85％‑2.5％，Al含量为5.5％‑8.5％，Ca含量为0.001％‑0.09％，Si含量为0.001％‑0.5％，La和/或Ce含量为1.6％‑3％，Sm含量为0.7％‑0.9％，Mg含量为68.41％‑80.247％，其他元素总量＜0.2％。同时，本发明还公开了上述压铸镁合金的制备方法及其应用。本发明提供的压铸镁合金具有压铸成型所需的高延率，以及较高的屈服强度、抗拉强度，能够有效保证产品的整体强度。

Description

一种压铸镁合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于镁合金技术领域，具体涉及一种压铸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，已经无法满足对承力要求较高的镁合金压铸件产品件需求。

同时，现有的一些镁合金材料中，通过元素的组合配比以达到调整镁合金的力学性能的目的，然而对于压铸结构件较为关键的几个力学性能，如屈服强度、抗拉强度和延伸率等却往往难以兼顾，单一力学性能的提升往往伴随着另一力学性能的下降，不能满足作为压铸材料以及支撑结构件的要求。

发明内容

针对现有压铸镁合金力学性能不足的问题，本发明提供了一种压铸镁合金及其制备方法和应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种压铸镁合金，包括如下质量百分比的组分：

Zn含量为10.5％-14.5％，Cu含量为0.6％-0.9％，Sn含量为0.001％-0.5％，Mn和/或Zr含量为0.85％-2.5％，Al含量为5.5％-8.5％，Ca含量为0.001％-0.09％，Si含量为0.001％-0.5％，La和/或Ce含量为1.6％-3％，Sm含量为0.7％-0.9％，Mg含量为68.41％-80.247％，其他元素总量＜0.2％。

可选的，所述压铸镁合金包括如下质量百分比的组分：

Zn含量为11％-13.5％，Cu含量为0.6％-0.7％，Sn含量为0.008％-0.2％，Mn和/或Zr含量为0.9％-1.8％，Al含量为6.5％-8.0％，Ca含量为0.008％-0.04％，Si含量为0.01％-0.3％，La和/或Ce含量为1.6％-2.2％，Sm含量为0.7％-0.9％，Mg含量为72.21％-78.674％，其他元素总量＜0.15％。

可选的，压铸镁合金中，所述La和/或Ce与所述Sm的质量比例为2-3：1。

可选的，所述其他元素包括Fe、Co和Ni中的一种或多种。

可选的，所述压铸镁合金满足以下条件：Fe含量＜0.01％或Co含量＜0.01％或Ni含量＜0.01％。

可选的，所述压铸镁合金满足以下条件：屈服强度﹥200MPa，抗拉强度﹥250MPa，延伸率﹥2.0％。

另一方面，本发明提供了如上所述的压铸镁合金的制备方法，包括以下操作步骤：

按照压铸镁合金中元素配比称取所需比例份数含锌料、含铜料、含锡料、含锰料和/或含锆料、含铝料、含钙料、含硅料、含镧料和/或含铈料、含钐料、含镁料，进行熔炼，经浇铸得到镁合金铸锭，再将镁合金铸锭熔融压铸成型。

可选的，熔炼温度为700℃-750℃，浇铸温度为710℃-720℃，压铸的给汤温度为650℃-670℃。

可选的，熔炼的过程中，在保护性气氛下，熔体中加入有覆盖剂进行保护，所述覆盖剂包括MgCl₂、KCl、NaCl和CaF₂中的一种或多种，所述保护性气氛包括氮气、六氟化硫和惰性气体中的一种或多种。

可选的，在熔炼的过程中，往熔体中通入惰性气体。

可选的，压铸成型后，对压铸镁合金进行人工时效处理，处理温度为180℃-280℃，处理时间为0.5h～7d。

另一方面，本发明提供了如上所述的压铸镁合金在电子产品结构件及汽车结构件上的应用。

以兼顾优良的屈服强度、抗拉强度和延伸率等力学性能为目的，发明人对镁合金中不同添加元素的选用以及各元素的添加量进行了大量的筛选，进而得到了本发明提供的压铸镁合金的组成，基于该组成中各元素的配比控制，均衡了压铸镁合金的各种性能，得到一种综合性能优异的压铸镁合金，具有较好的压铸成型性，同时能够有效保证产品的整体强度，特别适合应用于对支撑强度要求较高的电子产品壳体或汽车领域的结构件，有效提高电子产品或汽车结构的承压性和结构强度。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种压铸镁合金，包括如下质量百分比的组分：

在本发明的描述中，“Mn和/或Zr含量为0.85％-2.5％”指代的是：当压铸镁合金中含有Mn或Zr中的一种时，Mn或Zr的含量为0.85％-2.5％；当压铸镁合金中同时含有Mn和Zr，Mn和Zr的总含量为0.85％-2.5％，可以依照该定义理解其他相关描述。

本发明提供的压铸镁合金兼顾有优良的力学强度和压铸成型性，这是由于本发明采用了特定含量的各添加元素组合，均衡了合金的各项性能，满足压铸所需的高延伸率，同时具有优良的屈服强度、抗拉强度，能够避免压铸过程中裂纹的产生，同时压铸后的镁合金具有较好的力学性能，满足作为结构件的使用。

在优选的实施例中，所述压铸镁合金包括如下质量百分比的组分：

在一些具体的实施例中，所述Zn的含量为10.5％、11％、11.2％、11.6％、12％、12.5％、13.1％、13.5％、14％或14.5％；所述Cu的含量为0.6％、0.62％、0.65％、0.69％、0.72％、0.76％、0.79％、0.8％、0.83％、0.88％或0.9％；所述Sn的含量为0.001％、0.005％、0.01％、0.02％、0.05％、0.09％、0.1％、0.15％、0.2％、0.24％、0.3％、0.36％、0.4％、0.45％或0.5％；所述Mn和/或Zr的含量为0.85％、0.89％、1％、1.1％、1.3％、1.5％、1.9％、2.0％、2.2％、2.4％或2.5％；所述Al的含量为5.5％、6％、6.5％、7.2％、7.9％、8％或8.5％；所述Ca的含量为0.001％、0.005％、0.01％、0.02％、0.05％、0.07％或0.09％；所述Si的含量为0.001％、0.005％、0.01％、0.02％、0.05％、0.09％、0.1％、0.15％、0.2％、0.24％、0.3％、0.36％、0.4％、0.45％或0.5％；所述La和/或Ce的含量为1.6％、1.9％、2％、2.2％、2.4％、2.7％、2.9％或3％；所述Sm的含量为0.7％、0.72％、0.76％、0.79％、0.8％、0.83％、0.88％或0.9％；所述Mg的含量为69％、71％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％或80％。

需要说明的是，在本发明涉及的元素中，其对应的含量是通过具体实验测试以及原理分析获得，在各元素的含量处于上述范围时，能够得到一种综合性能优异的压铸镁合金，其具有压铸成型所需的高延率，同时也具有较高的屈服强度、抗拉强度，能够有效保证产品的整体强度。

具体的，各元素及其作用分析如下：

Zn：采用上述含量范围的Zn，使得压铸镁合金具有优异流动性和抗热裂性，压铸成型性较好，并且，Zn能在镁基体中与添加的其他元素作用，以形成MgAlZn相、MgZn₂相和MgZnCu相，进而提高压铸镁合金的力学性能。若本发明的压铸镁合金中Zn含量过低，会使合金流动性差、力学性能降低、热裂纹增多；若Zn含量过高，则会导致合金明显脆化，延伸率显著降低，不利于作为结构件使用。

Cu：Cu可与Mg、Al形成Al-Cu及Mg-Al-Cu两类强化相，并减少了沿晶界连续分布的Mg-Al相，从而改善镁合金塑性。但Cu的添加量不能过高，含量过高的Cu会大幅降低合金耐腐蚀性，导致含Cu相粗大，使合金变脆，不利于作为压铸材料。

Sn、Ca：Sn和Ca可协同发挥固溶强化、第二相强化以及细晶强化的作用。另外，Sn和Ca与Mg形成细小分散的短棒状CaMgSn三元相和球状Mg₂Sn相，第二相强化作用得到加强，同时变质Mg-Zn第二相，打断聚集态Mg-Zn相连续性，提升合金强韧性。但需要说明的是，上述压铸镁合金的性能提升是基于Sn和Ca的一定含量下产生的，若Sn和Ca的含量变化则会导致压铸镁合金的性能下降，例如：若Sn含量过高，则会导致Mg₂Sn相粗大，进而损害合金力学性能。

Mn、Zr：Mn和Zr在该压铸镁合金中起到的作用类似，在以上添加范围内能增强压铸镁合金的耐蚀性，细化晶粒，改善合金热裂，其中，Mn可与Al形成短棒状Mn-Al化合物强化合金。若所述压铸镁合金中Mn和/或Zr含量过低，会降低压铸镁合金的力学性能、压铸性能；若Mn和/或Zr含量过高，则会降低压铸镁合金的韧性。

Al：Al起固溶强化作用，同时可形成Mg₁₇Al₁₂、Al-Mn强化相，提升合金力学性能，另外，Al降低合金熔点，提高合金流动性及降低压铸粘模。若Al含量过高，则会导致Mg₁₇Al₁₂相聚集粗大，合金变脆。

Si：在压铸镁合金中加入适量的Si，一方面可改善合金流动性，利于压铸操作；另一方面可与Mg形成Mg₂Si相强化合金，提升合金强度。

La和/或Ce：上述含量范围内的La和/或Ce能细化晶粒，形成细小弥散的镁稀土相，增强压铸镁合金的力学性能，改善合金热裂。

Sm：Sm在所述压铸镁合金中与La和/或Ce配合起到细化晶粒，改善镁合金力学性能的效果。

需要说明的是，以上仅是各元素作用的简化分析，不可否认的是，在压铸镁合金中，各元素存在相关联的作用，任一元素的增加或减少均可能导致其他元素作用效果的改变，进而导致压铸镁合金整体性能的变化，在一些情况下，需要通过具体的试验获得具体元素配比下的压铸镁合金，以知晓其配比下的真实力学性能。

在一些实施例中，压铸镁合金中，所述La和/或Ce与所述Sm的质量比例为2-3：1。

发明人通过大量实验验证发现，压铸镁合金中，所述La和/或Ce与所述Sm之间具有明显的配合效果，尤其是，当所述La和/或Ce与所述Sm的质量比例为2-3：1时，对压铸镁合金的力学性能具有更优的强化效果。

在一些实施例中，压铸镁合金中，当Mn和Zr同时存在时，两者易结合形成难溶相，影响其元素效果的发挥，因此，在优选的实施例中，压铸镁合金中仅存在Mn和Zr中的一种。

在本发明的描述中，“其他元素”指代除了本发明提供的压铸镁合金组分中的元素外的其他元素，可以是金属元素或非金属元素，通常情况下，“其他元素”作为杂质存在，一般来源于制备压铸镁合金时原料中含有的杂质，本发明提供的压铸镁合金中允许在一定量的其他元素存在下保持有较高的力学性能，例如其他元素的总量＜0.2％，优选的，其他元素的总量＜0.15％。过多的其他元素容易导致压铸镁合金出现延伸率下降、产品开裂、耐腐蚀性差等问题。

在一些实施例中，所述其他元素包括Fe、Co和Ni中的一种或多种。

在试验中，发明人发现，在本发明提供的压铸镁合金中，Fe、Co和Ni对于压铸镁合金的性能劣化较为显著，因此，需要进一步对其杂质含量进行控制，以保证所述压铸镁合金具有较好的性能。

在优选的实施例中，Fe含量＜0.01％，更优选的，Fe含量＜0.005％。

在优选的实施例中，Co含量＜0.01％，更优选的，Co含量＜0.005％。

在优选的实施例中，Ni含量＜0.01％，更优选的，Ni含量＜0.005％。

在一些实施例中，所述压铸镁合金通过压铸成型，并经过人工时效处理，处理温度为180℃-280℃，处理时间为0.5h～7d。

通过人工时效处理能够消除压铸后镁合金中的内应力，提升压铸镁合金的力学性能。

在一些实施例中，所述压铸镁合金满足以下条件：屈服强度﹥200MPa，抗拉强度﹥250MPa，延伸率﹥2.0％。

在优选实施例中，所述压铸镁合金满足以下条件：屈服强度为220-250MPa，抗拉强度为265-330MPa，延伸率为2.0-5.0％。

需要说明的是，以上压铸镁合金的性能参数范围是在压铸镁合金经人工时效处理后测定的。

本发明的另一实施例提供了如上所述的压铸镁合金的制备方法，包括以下操作步骤：

所述含锌料、含铜料、含锡料、含锰料和/或含锆料、含铝料、含钙料、含硅料、含镧料和/或含铈料、含钐料、含镁料可以是能够提供制备本发明的压铸镁合金所需各种元素的物料，可以是含上述元素的合金或纯金属，只要加入的镁合金原料熔炼后得到的压铸镁合金中的组成成分在上述范围内即可。优选地，所述压铸镁合金的原料可以包括纯Mg或Mg合金、纯Al或Al合金、纯Zn或Zn合金、纯Mn或Mn合金、纯Zr或Zr合金、纯稀土或稀土合金、纯Ca或Ca合金、纯Cu或Cu合金、纯Si或Si合金、纯Sn或Sn合金、纯Ag或Ag合金。更优选地，所述压铸镁合金的原料包括纯Mg、纯Al、纯Zn、Mg-Mn合金、Mg-Zr合金、Mg-稀土合金、Mg-Ca合金、Mg-Cu合金、Mg-Si合金、纯Sn。

在一些实施例中，熔炼温度为700℃-750℃，浇铸温度为710℃-720℃，压铸的给汤温度为650℃-670℃。

在优选的实施例中，熔炼含镁料的温度为720℃-740℃，加入含铝料、含锌料、含锰料或含锆料、含镧料和/或含铈料、含钙料、含铜料、含硅料、含锡料、含钐料后的熔炼温度为740-750℃。

在一些实施例中，熔炼的过程中，在保护性气氛下，熔体中加入有覆盖剂进行保护，所述覆盖剂包括MgCl₂、KCl、NaCl和CaF₂中的一种或多种，所述保护性气氛包括氮气、六氟化硫和惰性气体中的一种或多种。

镁在高温下化学性质活泼，通过在保护性气氛和覆盖剂的作用下，能够避免镁合金在熔炼的过程中与空气接触氧化。

在一些实施例中，在熔炼的过程中，往熔体中通入惰性气体。

通过控制通入惰性气体的压力和时间，使镁合金熔体沸腾精炼，达到均匀化学成分和温度，加快化学反应，去除有害气体和夹杂物，净化熔体的目的。

在一些实施例中，压铸成型后，对压铸镁合金进行人工时效处理，处理温度为180℃-280℃，处理时间为0.5h～7d。

通过人工时效处理能够消除压铸后镁合金中的内应力，提升压铸镁合金的力学性能和导热性。

在一些实施例中，所述人工时效处理完成后，将压铸镁合金置于室温下自然冷却。

本发明的另一实施例提供了如上所述的压铸镁合金在电子产品结构件及汽车结构件上的应用。

以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。

表1

表2

实施例1

本实施例用于说明本发明公开的压铸镁合金及其制备方法，包括以下操作步骤：

按照表1实施例1所示的压铸镁合金组成，配制含有各种元素的单质和合金原料；

将纯Mg加入熔炼炉，在720-740℃下进行熔炼；纯Mg熔化后，加入纯Al、纯Zn、Mg-Mn合金和/或Mg-Zr合金、Mg-稀土合金、Mg-Ca合金、Mg-Cu合金、Mg-Si合金、纯Sn，并加入占合金原料总量的3重量％的MgCl₂，在740-750℃下进行熔炼，并在熔炼过程中吹入99.99％的高纯氩气进行搅拌并搅拌均匀，得到合金熔液；将合金熔液浇铸得到镁合金铸锭；将镁合金铸锭熔融压铸，压铸的给汤温度650-670℃；压铸成型后对压铸镁合金进行200℃时效处理，持续时间为1h，时效处理完成后，自然冷却至室温，得到压铸镁合金。

实施例2～30

实施例2～30用于说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：

按照表1中实施例2～30所示的压铸镁合金各元素组分计算各元素的单质和合金原料，将各元素的单质和合金原料加入熔炼炉进行熔炼。

其他操作与实施例1一致，得到压铸镁合金。

对比例1～23

对比例1～23用于对比说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：

按照表1中对比例1～21以及表2中对比例22、23所示的压铸镁合金各元素组分计算各元素的单质和合金原料，将各元素的单质和合金原料加入熔炼炉进行熔炼。

其他操作与实施例1一致，得到压铸镁合金。

性能测试

对上述实施例1～30和对比例1～23制备得到的压铸镁合金进行如下性能测试：

镁合金拉伸测试：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、抗拉强度和延伸率，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。

压铸成型性：压铸过程中，通过观察合金压铸0.5mm薄壁件成型情况进行评判，主要关注成型是否完整，是否有裂纹。

得到的测试结果填入表3。

表3

从表3的测试结果可以看出，相对于本发明提供元素范围外的压铸镁合金，本发明提供的压铸镁合金具有较好的力学强度，能够满足压铸工艺的要求，同时兼顾较好的延伸率和压铸成型性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种压铸镁合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：

2.根据权利要求1所述的压铸镁合金，其特征在于，所述压铸镁合金包括如下质量百分比的组分：

3.根据权利要求1所述的压铸镁合金，其特征在于，压铸镁合金中，所述La和/或Ce与所述Sm的质量比例为2-3：1。

4.根据权利要求1所述的压铸镁合金，其特征在于，所述其他元素包括Fe、Co和Ni中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的压铸镁合金，其特征在于，所述压铸镁合金满足以下条件：Fe含量＜0.01％或Co含量＜0.01％或Ni含量＜0.01％。

6.根据权利要求1所述的压铸镁合金，其特征在于，所述压铸镁合金满足以下条件：屈服强度﹥200MPa，抗拉强度﹥250MPa，延伸率﹥2.0％。

7.如权利要求1～6任意一项所述的压铸镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

8.根据权利要求7所述的压铸镁合金的制备方法，其特征在于，熔炼温度为700℃-750℃，浇铸温度为710℃-720℃，压铸的给汤温度为650℃-670℃。

9.根据权利要求7所述的压铸镁合金的制备方法，其特征在于，熔炼的过程中，在保护性气氛下，熔体中加入有覆盖剂进行保护，所述覆盖剂包括MgCl₂、KCl、NaCl和CaF₂中的一种或多种，所述保护性气氛包括氮气、六氟化硫和惰性气体中的一种或多种。

10.根据权利要求7所述的压铸镁合金的制备方法，其特征在于，在熔炼的过程中，往熔体中通入惰性气体。

11.根据权利要求7所述的压铸镁合金的制备方法，其特征在于，压铸成型后，对压铸镁合金进行人工时效处理，处理温度为180℃-280℃，处理时间为0.5h～7d。

12.如权利要求1～6任意一项所述的压铸镁合金在电子产品结构件及汽车结构件上的应用。