CN1300357C

CN1300357C - 高强抗蠕变变形镁合金的制备工艺

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Publication number: CN1300357C
Application number: CNB2004100667882A
Authority: CN
Inventors: 王渠东; 陈永军; 翟春泉; 丁文江
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Light Alloy Net Forming National Engineering Research Center Co., Ltd.
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2024-09-29
Also published as: CN1614063A

Abstract

一种高强抗蠕变变形镁合金的制备工艺，用于材料加工领域。合金成分及其重量百分比为：3-9%Al，0.1-1%Mn，0.1-3%Ca，0.05-1.0%Zn，0.05-1.0%Si，杂质元素小于0.02%，其余为Mg，制备工艺如下：在熔剂保护熔炼条件下，将工业纯镁完全熔化后，分别以工业纯铝、工业纯锌、工业纯钙、Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金形式加入合金元素Al，Ca，Mn，Zn，Si。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浇注铸锭。本发明成本低廉，工艺简单，生产效率高，进步显著，明显提高了合金的室温和高温抗拉强度、屈服强度、延伸率及高温蠕变性能。该工艺是集细晶强化和形变强化于一体的高强抗蠕变镁合金的制备方法，扩大了Mg-Al基镁合金的应用范围。

Description

高强抗蠕变变形镁合金的制备工艺

技术领域

本发明涉及的是一种变形镁合金的制备工艺，具体是一种高强抗蠕变变形镁合金的制备工艺，用于材料加工领域。

背景技术

随着我国航空航天业、汽车业、镁合金具有高的比强度、比刚度、比弹性摸量，日益成为材料工作者关注的焦点。目前，镁合金在实际应用方面的发展规模只有铝业的1/50，钢铁工业的1/160，其主要原因是，90％镁合金构件来自压铸方式获得，限制了产品的品种和类型；大多数镁合金结构件局限于强度要求不高的小体积零件。而镁合金热变形(如挤压，扎制等)后合金的组织得到细化，铸造缺陷消除，比铸造镁合金具有更高的强度，延展性，更多样化的力学性能。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，但是其室温力学性能明显不足，已经严重的制了其进一步的应用。

根据著名的霍尔-佩奇(Hall-Petch)公式，晶粒细化可以明显提高镁合金的强度。对Mg-Al基镁合金而言，可以加入合金元素细化铸态组织中粗大的β(Mg₁₇Al₁₂)相，获得细小，弥散的晶界强化相，也可以通过塑性变形细化铸态组织。对于抗蠕变性的提高，Si，Ca等被广泛认为是提高镁合金强度和耐热性的有益元素。

经文献检索发现，翟秋亚等人在《西安理工大学学报》(2002，18：254～257)上发表的“挤压变形对AZ31镁合金组织和性能的影响”一文中，采用AZ31铸棒，利用挤压比为16～64进行挤压，实验结果认为，挤压变形可以明显地细化镁合金的晶粒，晶粒大小由铸态的400μm减小到挤压态的35μm，抗拉强度提高到270～280MPa，延伸率在12％～16％之间。但是，由于该挤压工艺采用一次挤压成形，挤压力大，变形不均匀性和应力分布不均匀度增加，加工硬化严重，从而限制了该工艺的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有变形镁合金制备工艺的不足，提出一种高强抗蠕变变形镁合金的制备工艺，使其通过加入Ca和Si复合增强镁合金，克服单纯以Mg₂Si相或者Al₂Ca增强镁合金蠕变抗力不足的问题，同时通过变形工艺，使合金的晶粒破碎、组织更细化、成份更均匀、内部更致密。该工艺是细晶强化和形变强化于一体的高强抗蠕变镁合金的制备方法，扩大了Mg-Al基镁合金的应用范围。

本发明是通过以下技术方案实现的，所述的高强抗蠕变变形镁合金的各成分及其重量百分比为：3-9％Al，0.1-3％Ca，0.1-1％Mn，0.05-1.0％Zn，0.05-1.0％Si，杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余为Mg。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、Al-Si中间合金形式加入合金元素Al，Ca，Mn，Zn，Si，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，然后将铸锭进行塑性变形(挤压或扎制)。

以下对本发明工艺进一步说明，步骤如下：

(1)熔炼Mg：在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，加热熔炼；

(2)加Al，Mn和Zn：在680℃～700℃加入工业纯铝，工业纯锌和Al-Mn中间合金；

(3)加Ca和Si：在720℃下加入工业纯钙，Al-Si中间合金，保温20分钟后搅拌3～6分钟，以使Ca和Si充分熔化；

(4)铸造：在720℃下继续保温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℃～730℃的浇铸温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后进行铸造，铸造方法可采用压铸、低压铸造、金属型铸造或砂铸；

(5)塑性变形：铸锭在380～420℃均匀化处理3～8h，在410℃保温30～60分钟，然后采用挤压或扎制工艺进行塑性加工。

所述的挤压工艺，采用以下两种中的任意一种：

①铸态直接挤压，在模具温度为400℃时进行第一次挤压，挤压比为9～20；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9～20。

②固溶后挤压，铸锭在415℃固溶20h，在模具温度为400℃时进行第一次挤压，挤压比为9～20；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9～20。

所述的扎制工艺，铸锭在380～420℃均匀化处理3～8h，在410℃保温30～60分钟，然后循环轧制9道次，每一道次的压缩比为15％，在每一道次轧制之前加热10分钟。

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颗粒状，由连续分布变为孤立的弥散分布。以Mg-5Al-1Ca-1Si合金为例，晶粒尺寸由40μm锐减为10μm(扎制工艺)，常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到302MPa，146MPa，16％。高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为179MPa，136MPa，32％。冲击韧性提高45％以上。200℃/50Mpa蠕变条件下，合金的稳态蠕变速率为2.6×10^-8％S^-1，而相同条件下AZ91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，而合金成本则与AZ91相当，比AE42和ZE41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)：3.0％Al、3.0％Ca、0.05％Si、0.1％Mn、1％Zn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

变形镁合金的制备工艺具体步骤为：(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680℃加入工业纯铝、工业纯锌、Al-10Mn中间合金；(3)在720℃加入Al-20Si中间合金、工业纯钙，保温20分钟后搅拌3分钟，以使Ca和Si充分熔化；(4)在720℃下继续保温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)铸锭在420℃均匀化处理3h，在410℃下保温30分钟，采用铸态直接挤压工艺，在模具温度为400℃时进行第一次挤压，挤压比为20；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、常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到290MPa，135MPa，11％。高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为172MPa，125MPa，28％。

实施例2：

合金成分(重量百分比)：9.0％Al、0.1％Ca、1％Si、0.3％Mn、0.1％Zn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

变形镁合金的制备工艺具体步骤为：(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700℃加入工业纯铝、工业纯锌、Al-10Mn中间合金；(3)在720℃加入Al-20Si中间合金、工业纯钙，保温20分钟后搅拌6分钟，以使Ca和Si充分熔化；(4)在720℃下继续保温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)铸锭在380℃均匀化处理5h，然后采用固溶后挤压工艺，铸锭在415℃固溶20h，然后在410℃下保温60分钟，在模具温度为400℃时进行第一次挤压，挤压比为9；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20。本实施例的合金的晶粒大小为10μm、常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到300MPa，145MPa，15％。高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为180MPa，130MPa，35％。

实施例3：

合金成分(重量百分比)：4.0％Al、2％Ca、0.1％Si、1％Mn、0.05％Zn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

变形镁合金的制备工艺具体步骤为：(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690℃加入工业纯铝、工业纯锌、Al-10Mn中间合金；(3)在720℃加入Al-20Si中间合金、工业纯钙，保温20分钟后搅拌4分钟，以使Ca和Si充分熔化；(4)在720℃下继续保温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)铸锭在400℃均匀化处理8h，在410℃下保温40分钟，然后循环轧制9道次，每一道次的压缩比为15％，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8μm、常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到292MPa，147MPa，14％。高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为178MPa，131MPa，36％。

实施例4：

合金成分(重量百分比)：5.0％Al、1.0％Ca、1％Si、0.3％Mn、0.1％Zn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

变形镁合金的制备工艺具体步骤为：(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，同时采用FS₆0.5％/CO₂混合气体保护；(2)待镁完全熔化后，在700℃加入工业纯铝、工业纯锌、Al-10Mn中间合金；(3)在720℃加入Al-20Si中间合金、工业纯钙，保温20分钟后搅拌6分钟，以使Ca和Si充分熔化；(4)在720℃下继续保温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)铸锭在400℃均匀化处理3h，在410℃下保温60分钟，采用铸态直接挤压工艺，在模具温度为400℃时进行第一次挤压，挤压比为16；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13。本实施例的合金的晶粒大小为10μm、常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到302MPa，146MPa，16％。高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为179MPa，136MPa，32％。

Claims

1、一种高强抗蠕变变形镁合金的制备工艺，其特征在于，所述的镁合金组分及其重量百分比为：3-9％Al，0.1-1％Mn，0.1-3％Ca，0.05-1.0％Zn，0.05-1.0％Si，杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余为Mg，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中间合金和Al-Si中间合金形式加入合金元素Al，Ca，Mn，Zn，Si，制备工艺具体步骤如下：

(1)熔炼Mg：在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，加热熔炼；

(4)铸造：在720℃下继续保温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℃～730℃的浇铸温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后进行铸造；

(5)变形：铸锭在380～420℃均匀化处理3～8h，在410℃保温30～60分钟，采用挤压工艺或扎制工艺塑性加工。

2、根据权利要求1所述的高强抗蠕变变形镁合金的制备工艺，其特征是，所述的挤压工艺，采用以下两种中的任意一种：

①铸态直接挤压，在模具温度为400℃时进行第一次挤压，挤压比为9～20，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9～20；

②固溶后挤压，铸锭在415℃固溶20h，在模具温度为400℃时进行第一次挤压，挤压比为9～20，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9～20。

3、根据权利要求1所述的高强抗蠕变变形镁合金的制备工艺，其特征是，所述的扎制工艺，循环轧制9道次，每一道次的压缩比为15％，在每一道次轧制之前加热10分钟。