CN1279199C - 含Ca高强耐热变形镁合金 - Google Patents
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Abstract
一种含Ca高强耐热变形镁合金，用于金属材料领域。成分及其重量百分比为：3-9%Al，0.5-2.5%Ca，0.1-1%Mn，0.05-1.0%Zn，杂质元素Fe＜0.005%，Cu＜0.015%，Ni＜0.002%，其余为Mg。本发明不含稀土元素，成本低廉，工艺简单，明显提高了合金的室温和高温150℃的抗拉强度、屈服强度、延伸率及高温抗蠕变性能。本发明变形镁合金的显微组织明显细化，Al2Ca形貌由粗大的汉字状转变为细小的棒条状，由连续分布变为孤立的弥散分布。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种变形镁合金，具体是一种含Ca高强耐热变形镁合金。用于金属材料领域。
背景技术
镁合金具有高比强度、比刚度、比弹性模量和高静电屏蔽性，被誉为21世纪的绿色金属。目前，镁合金还没有大规模地在汽车、军工、航空、电子电器等行业广泛应用的主要原因是：90％的镁合金产品来自压铸工艺获得，限制了产品的品种和类型；镁压铸件的90％局限于室温使用的小型结构件。常规Mg-Al基镁合金如AM50A、AZ31和AZ91D等具有优良的铸造性能，低廉的成本，但是高温强度和耐热性能较差，已经严重制约了镁合金的进一步工业应用。因此，开发出适合于飞机翼肋、导弹弹翼、舱体等部件的高强耐热变形镁合金及其制备工艺，是扩大镁合金大规模地在汽车、军工、航空、电子电器等行业广泛应用的必由之路。
目前，除了稀土可以提高镁合金的强度和耐热性外，Ca也被广泛认为是提高镁合金强度和耐热性的有益元素。Ca与Mg-Al基镁合金中Al结合形成高熔点Al2Ca相，在改善镁合金的抗拉强度和耐热性能方面显示出巨大的潜力。同时，铸态组织经塑性变形(挤压，轧制等)后，组织得到细化，铸造缺陷消除，因而，变形镁合金具有更高的强度，延展性，更多样化的力学性能。
经文献检索发现，R.Ninomiya等人在《Acta metal.mater》(材料与冶金学报，1995，43：669-674)上发表的“Improved heat resistance of Mg-Al alloysby the Ca addition”(钙对Mg-Al基镁合金耐热性的提高)一文，该文提出Mg-(3％-9％)Al-(1％-5％)Ca合金中，当Ca/Al的质量比大于0.8时，组织中存在的Al2Ca耐热相，使合金在中温条件下表现出优异的抗耐热性能，其蠕变性能与AE42相当，315℃仍然具有较高的硬度。但是，由于使用了较高含量的Ca元素，易产生热裂，合金的塑韧性很低，铸造性能也很差。而且，铸造组织中形成了粗大的Al2Ca相，严重降低了合金的室温力学性能，从而限制了该合金的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有镁合金高温强度和耐热性的不足，提出一种含Ca高强耐热变形镁合金，通过加入Ca细化铸态组织，生成高熔点的耐热相Al2Ca相，使其克服镁合金耐热性能不足的问题，同时，通过塑性变形工艺，使铸态组织破碎、细化、致密。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明含Ca高强耐热变形镁合金成分及其重量百分比为：3-9％Al，0.5-2.5％Ca，0.1-1％Mn，0.05-1.0％Zn，杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余为Mg。
本发明以3-9％Al作为基本成分，同时加入0.5-2.5％Ca以提高合金的耐热性能和细化合金组织，加入Zn是赋予合金以必要的强度与铸造性能，加入0.1-1％的Mn是为了提高合金的抗腐蚀性能。本发明形成的合金的高温强度及耐热性能远超过目前含稀土的耐热镁合金AE42，铸造性能、耐腐蚀性能及成本与镁合金AZ91相当。
本发明优选配方为：3～8％Al、0.5-2％Ca、0.3％Mn，0.1％Zn，杂质元素Fe、Cu、Ni小于0.02％，其余为Mg。本优选配方获得的合金具有较高的常温和高温150℃的抗拉强度、屈服强度和延伸率。
本发明的制备工艺如下：在气体或覆盖剂保护条件下，将工业纯镁完全熔化后，分别以工业纯铝、工业纯钙，工业纯锌、Al-Mn中间合金形式加入合金元素Al，Ca，Mn，Zn，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌使其混合均匀，捞去表面浮渣后进行铸造，铸锭在380～420℃均匀化处理3～8h，经车皮后在410℃保温30分钟，然后进行变形工艺。
本发明不含稀土元素，成本低廉，工艺简单，明显提高了合金的室温和高温抗拉强度、屈服强度、延伸率及高温抗蠕变性能。与现有技术相比，本发明变形镁合金的显微组织明显细化，Al2Ca形貌由粗大的汉字状转变为细小的棒条状，由连续分布变为孤立的弥散分布。以Mg-5Al-1Ca合金为例，晶粒尺寸由50μm锐减为15μm(挤压工艺)，合金的室温抗拉强度305Mpa、屈服强度140MPa、延伸率为8％、高温150℃的抗拉强度170Mpa、屈服强度130MPa、延伸率为40％，而目前常用的AZ91D镁合金的高温150℃的抗拉强度159Mpa，屈服强度110MPa，延伸率为6.7％，即新合金的高温综合力学性能与目前常用的AZ91D镁合金相比均显著提高，在200℃/50Mpa蠕变条件下，新合金的稳态蠕变速率为2.6×10-8％S-1，而相同条件下AZ91D镁合金的稳态蠕变速率为7.7×10-5％S-1，即新合金的抗高温抗蠕变性能比目前常用的AZ91镁合金提高近2个数量级，超过AE42耐热镁合金的水平，而新合金成本则与AZ91相当，比AE42低得多。
具体实施方式
结合本发明技术方案的内容提供以下实施例：
实施例1：
合金成分(重量百分比)：8.0％Al、2.0％Ca、0.3％Mn、0.1％Zn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。
含Ca高强耐热变形镁合金的制备工艺为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，同时采用FS60.5％/CO2混合气体保护；(2)待镁完全熔化后，在650℃分别加入工业纯铝、工业纯锌、工业纯钙、Al-10Mn中间合金；(3)将镁合金液升温到720℃，保温20分钟后搅拌3分钟，以使合金元素充分熔化；(4)在720℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，在720℃的浇铸温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后在低压铸造炉内采用氮气给压进行低压铸造。(5)将铸锭在380℃均匀化处理3h，经车皮后在410℃保温30分钟，然后进行铸态直接挤压工艺，在模具温度为400℃时进行第一次挤压，挤压比为14；接着，将挤压件在310℃保温30分钟，模温300℃下进行第二次挤压，挤压比为9。本实施例的合金的晶粒大小为13μm、室温抗拉强度300Mpa、屈服强度130MPa、延伸率为14％、高温150℃的抗拉强度164Mpa、屈服强度124MPa、延伸率为42％
实施例2：
合金成分(重量百分比)：3.0％Al、0.5％Ca、1.0％Mn、1.0％Zn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。
含Ca高强耐热变形镁合金的制备工艺为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，加热熔炼，同时撒少量覆盖剂(JDF)在坩埚底部；(2)待镁完全熔化后，在650℃分别加入工业纯铝、工业纯锌、工业纯钙、Al-10Mn中间合金；(3)将镁合金液升温到720℃，保温20分钟后搅拌6分钟，以使合金元素充分熔化；(4)在720℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，在720℃的浇铸温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后在低压铸造炉内采用氮气给压进行低压铸造。(5)将铸锭在400℃均匀化处理5h，经车皮后在410℃保温30分钟，采用轧制工艺循环轧制9道次，每一道次的压缩比为10％，在每一道次轧制之前加热10分钟。本实施例的合金的晶粒大小为6μm、室温抗拉强度288Mpa、屈服强度143MPa、延伸率为9％、高温150℃的抗拉强度167Mpa、屈服强度134MPa、延伸率为42％。
实施例3：
合金成分(重量百分比)：9.0％Al、2.5％Ca、0.1％Mn、0.05％Zn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。
含Ca高强耐热变形镁合金的制备工艺为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，加热熔炼，同时撒少量覆盖剂(JDF)在坩埚底部；(2)待镁完全熔化后，在700℃分别加入工业纯铝、工业纯锌、工业纯钙、Al-10Mn中间合金；(3)将镁合金液升温到720℃，保温20分钟后搅拌5分钟，以使合金元素充分熔化；(4)在720℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，在730℃的浇铸温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后在低压铸造炉内采用氮气给压进行低压铸造。(5)将铸锭在420℃均匀化处理3h，经车皮后在410℃保温60分钟，采用轧制工艺循环轧制9道次，每一道次的压缩比为10％，在每一道次轧制之前加热10分钟。本实施例的合金的晶粒大小为20μm、室温抗拉强度285Mpa、屈服强度136MPa、延伸率为8％、高温150℃的抗拉强度163Mpa、屈服强度120MPa、延伸率为38％。
实施例4：
合金成分(重量百分比)：5.0％Al、1％Ca、0.3％Mn、0.1％Zn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。
含Ca高强耐热变形镁合金的制备工艺为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，加热熔炼，同时撒少量覆盖剂(JDF)在坩埚底部；(2)待镁完全熔化后，在700℃分别加入工业纯铝、工业纯锌、工业纯钙、Al-10Mn中间合金；(3)将镁合金液升温到720℃，保温20分钟后搅拌6分钟，以使合金元素充分熔化；(4)在720℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，在730℃的浇铸温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后在低压铸造炉内采用氮气给压进行低压铸造。(5)将铸锭在400℃均匀化处理8h，经车皮后在400℃保温50分钟，然后在415℃固溶20h，在模具温度为400℃时进行第一次挤压，挤压比为14；接着，将挤压件在310℃保温30分钟，模温300℃下进行第二次挤压，挤压比为9。本实施例的合金的晶粒大小为15μm、室温抗拉强度305Mpa、屈服强度140MPa、延伸率为8％、高温150℃的抗拉强度170Mpa、屈服强度130MPa、延伸率为40％。
Claims (1)
1、一种含Ca高强耐热变形镁合金，其特征在于，成分及其重量百分比为：3-9％Al，0.5-2.5％Ca，0.1-1％Mn，0.05-1.0％Zn，杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余为Mg。
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