CN1614064A - 含Ca、Si高强抗蠕变变形镁合金 - Google Patents

Abstract

一种金属材料领域的含Ca、Si高强抗蠕变变形镁合金，包含的各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。本发明通过加入Ca和Si同时生成Mg₂Si相和Al₂Ca相复合增强镁合金，克服单纯以Mg₂Si相或者Al₂Ca相增强镁合金蠕变抗力不足的问题。本发明不含稀土元素，成本低廉，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。

Description

含Ca、Si高强抗蠕变变形镁合金

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、Si高强抗蠕变变形镁合金。用于金属材料领域。

背景技术

随着石油价格的上涨，国家汽车废气排放标准的严格和公民环保意识的加强，轻量化成为汽车发展的重要方向。具有高比强度，比刚度，比弹性模量的镁合金就顺应历史的被誉为21世纪的绿色金属。目前，镁合金还没有大规模地在汽车上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；镁压铸锭的90％局限于室温使用的小型结构件。而镁合金塑性变形(挤压，轧制等)后，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，但是高温强度和耐热性能较差，已经成为镁合金在汽车工业应用的主要瓶颈。

最近，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。但是，Ca的加入在镁合金中会形成粗大的Al₂Ca相，严重降低了合金的室温力学性能和铸造性能；Si的加入在镁合金中会形成粗大的汉字状Mg₂Si相，只适合冷却速度较快的压铸，而不适于砂铸及金属型铸造；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“Improvedheat resistance of Mg-Al alloys by the Ca addition”(钙对Mg-Al基镁合金抗蠕变性的提高)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Mg₂Ca和Al₂Ca耐热相，使合金在中温条件下表现出优异的抗蠕变性能，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，合金的塑韧性很低，铸造性能也很差。而且，合金中形成的粗大的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高温抗蠕变镁合金的不足，提出一种含Ca、Si高强抗蠕变变形镁合金，使其通过加入Ca和Si同时生成Mg₂Si相和Al₂Ca相复合增强镁合金，克服单纯以Mg₂Si相或者Al₂Ca增强镁合金蠕变抗力不足的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明含Ca、Si高强抗蠕变变形镁合金的各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。

本发明以3-9％Al作为基本成分，同时加入0.1-3％Ca以提高合金的耐热性能，加Si一方面是提高合金的强度，另一方面是改善Al₂Ca耐热相的形貌，弥补单纯加入Ca形成的合金耐热性能不足的问题。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。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。本发明形成的变形镁合金的高温强度及抗蠕变性能远超过目前含稀土的抗蠕变镁合金AE42和ZE41，与铸造性能、耐腐蚀性能及成本与镁合金AZ91相当。

本发明优选配方为：4～9.0％Al、0.1-2％Ca、0.05-1.0％Si、0.3％Mn，0.1％Zn，杂质元素Fe、Cu、Ni小于0.02％，其余为Mg。在本优选配方中，获得的合金具有更高的常温和高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率。

本发明通过以下工艺制备得到的：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)。

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一1Si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。

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。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。

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。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。

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。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。

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。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 (2)

1、一种含Ca、Si高强抗蠕变变形镁合金，其特征在于，各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。

2、根据权利要求1所述的含Ca、Si高强抗蠕变变形镁合金，其特征是，对重量百分比进一步限定为：4～9.0％Al、0.1-2％Ca、0.05-1.0％Si、0.3％Mn，0.1％Zn，杂质元素Fe、Cu、Ni小于0.02％，其余为Mg。