CN1644739A

CN1644739A - 原位合成准晶及其近似相增强高性能耐热镁合金

Info

Publication number: CN1644739A
Application number: CN 200510023281
Authority: CN
Inventors: 袁广银; 丁文江
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Erdos Tian Xu Light Alloy Co., Ltd.
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-13
Also published as: CN100441718C

Abstract

一种原位合成准晶及其近似相增强高性能耐热镁合金，组分及其重量百分比为：5－10％Zn，1－5％Cu，2－6％Gd，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。本发明合金具有一种特殊强化相——准晶及其近似相，它们以一种骨架结构围绕着基体起强化作用；同时通过时效处理工艺，使基体析出MgZn相，从而进一步增强该合金的力学性能。本发明合金具有优异的耐热性能，其蠕变性能(200℃，50MPa拉伸蠕变条件下)要比AE42耐热镁合金提高1－2个数量级。本发明高性能耐热镁合金将大大提高镁合金的应用温度范围。

Description

原位合成准晶及其近似相增强高性能耐热镁合金

技术领域

本发明涉及的是一种高性能耐热镁合金，具体是一种原位合成准晶及其近似相增强高性能耐热镁合金。属于金属材料领域。

背景技术

镁合金结构件目前在汽车上的应用只限于仪表盘、方向盘、阀门盖等附属件，在较高温度(120℃-200℃)下工作的部件应用上还十分有限，镁合金高温力学性能差是阻碍其在汽车工业应用范围的关键因素。现有商业化的镁合金如AM和AZ系列，它们在室温下拥有一定的屈服强度，但在120℃-200℃温度范围下的蠕变强度非常低，只有不到20Mpa，不能满足汽车高温部件应用性能要求。导致Mg-Al基合金蠕变性能低的根本原因就是基体内的强化相为Mg₁₇Al₁₂相，该相在晶界以非连续性形式析出，由于该相的熔点只有437℃，高温下原子扩散的加剧导致其易于软化和粗化，从而失去对基体的强化作用。准晶是一种不同于晶体的新的物质形态，它具有五次、十次等特殊的旋转对称性。由于准晶独特的原子结构，从而使准晶具有特殊的物理和机械性能。研究表明，准晶具有很高的压缩强度、高的显微硬度和弹性模量、低的热膨胀系数和表面张力等性能，同时凝固过程中形成的稳定准晶还具有较高的耐热、耐蚀和耐磨等性能。鉴于准晶的上述特性，最近人们努力尝试引入准晶颗粒作为第二相来强化Mg合金，提高镁合金的力学性能。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利申请号：20030029526，专利名称为：Quasicrystalline phase-reinforced Mg-based metallic alloy with highwarm and hot formability and method of making the same(具有高热变形能力的准晶增强镁基合金及其制备方法)，该专利是一种具有较好热变形能力的准晶增强的Mg-Zn-Y三元合金，其合金组成为1-10at％Zn，0.1-3at％Y，余量为Mg。该合金给出了室温力学性能，没有提供高温力学性能，而且主要是作为变形镁合金使用，合金铸造后，还需进一步的热变形加工，不能直接用于铸造汽车发动机等工作温度要求较高(120℃-200℃)的零部件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有耐热镁合金蠕变性能低的缺陷，提供一种原位合成准晶及其近似相增强高性能耐热镁合金，使其在镁基体中引入一种新的强化相-准晶及其近似相，来大幅度地提高镁合金的高温蠕变性能，从而大大提高镁合金在汽车工业中的应用范围。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的组分及其重量百分比为：5-10％Zn，1-5％Cu，2-6％Gd，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

根据合金的性能价格比，本发明的组分及其重量百分比进一步限定为：6-8％Zn，2-4％Cu，3-5％Gd，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。以Mg-7Zn-3Cu-4Gd合金为例，常温压缩强度及压缩延伸率分别达到486MPa，17％。200℃、50MPa条件下高温拉伸蠕变性能：稳态蠕变速率5.7×10^-8％/S，100小时后的蠕变应变为0.17％。而相同条件下商业用耐热镁合金AE42的稳态蠕变速率为4.2×10^-6％/S，100小时后的蠕变应变为2.67％。该发明合金的高温蠕变性能比AE42(目前评价镁合金耐热性能的基准合金)提高1-2个数量级。

本发明镁合金通过以下工艺制备得到：

(1)配料：按照配方质量百分比进行高纯镁、高纯锌、高纯铜、镁-钆中间合金等原材料进行配料，

(2)熔炼：熔炼前将所有配料在200℃左右进行烘干1小时，而后放入常规电阻炉(中频感应炉)内，在熔剂(气体)保护熔炼条件下进行熔炼。

(3)浇铸：将熔化了的金属液浇入铸型中得到铸件，铸造方法可以采用砂型铸造、低压铸造、金属型铸造或压铸。

(4)时效处理：将铸件进行加热到100-400℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品。

本发明含有一种特殊强化相-准晶及其近似相，所获得的准晶及其近似相组织具有封闭型骨架形貌结构，对镁基体能很好地起到加固增强作用；同时所获得的准晶及其近似相具有很高的热稳定性能，高温强化作用能保持到200℃以上。通过对本发明材料进行时效处理工艺，使基体析出MgZn强化相，可以进一步强化基体，提高镁合金的力学性能。

与背景技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，本发明是一种基于Mg-Zn-Cu-Gd的能原位合成准晶及其近似相的四元合金组分，合金除具有良好的室温力学性能外，尤其具有优异的抗高温蠕变性能。200℃，50Mpa拉伸蠕变条件下的最小稳态蠕变速率为5.2×10^-8％/S，100小时后的蠕变应变为0.15％；而相同条件下AE42镁合金的稳态蠕变速率为4.2×10^-6％/S，100小时后的蠕变应变为2.67％。即本发明的新合金的抗高温蠕变性能要比AE42耐热镁合金(目前评价镁合金耐热性能的基准合金)提高近2个数量级。而且因为是铸造用镁合金，不需热变形加工，可直接用于铸造汽车发动机等工作温度要求较高(120℃-200℃)的零部件，制备工艺更为简单。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

实施例1：

合金成分重量百分比：5.0％Zn、1％Cu、2％Gd，杂质元素Fe≤0.005％、Ni≤0.002％，其余为Mg。

按照上述成分配置合金，在电阻炉中加入工业纯镁8.6Kg，工业纯铜0.1Kg，工业纯锌0.5Kg，Mg-25Gd中间合金0.8Kg，在气体(或溶剂)保护下熔炼，待合金元素全部溶解后，继续升高温度至720℃-740℃，然后保温静置30分钟，捞去表面浮渣后即可用浇包进行砂型浇铸，浇铸过程中在熔体上方通保护气体进行保护。本发明合金的常温压缩强度及压缩延伸率分别达到408MPa，18％。200℃、50MPa条件下高温拉伸蠕变性能：稳态蠕变速率3.1×10^-7％/S，100小时后的蠕变应变为0.30％。而相同条件下商业用耐热镁合金AE42的稳态蠕变速率为4.2×10^-6％/S，100小时后的蠕变应变为2.67％。该发明合金的高温蠕变性能比AE42提高1个数量级。

实施例2：

合金成分重量百分比：6.0％Zn、2％Cu、3％Gd，杂质元素Fe≤0.005％，Ni≤0.002％，其余为Mg。

按照上述成分配置合金，在中频感应炉中加入工业纯镁8Kg，工业纯铜0.2Kg，工业纯锌0.6Kg，Mg-25Gd中间合金1.2Kg，在气体保护下熔炼，待合金元素全部溶解后，继续升高温度至720℃-740℃，然后保温静置10分钟，捞去表面浮渣后在进行金属型浇铸。本发明合金的常温压缩强度及压缩延伸率分别达到438MPa，18％。200℃、50MPa条件下高温拉伸蠕变性能：稳态蠕变速率9.1×10^-8％/S，100小时后的蠕变应变为0.25％。而相同条件下商业用耐热镁合金AE42的稳态蠕变速率为4.2×10^-6％/S，100小时后的蠕变应变为2.67％。该发明合金的高温蠕变性能比AE42提高1个数量级以上。

实施例3：

合金成分重量百分比：7.0％Zn、3％Cu、4％Gd，杂质元素Fe≤0.005％，Ni≤0.002％，其余为Mg。

按照上述成分配置合金，在中频感应炉中加入工业纯镁7.4Kg，工业纯铜0.3Kg，工业纯锌0.7Kg，Mg-25Gd中间合金1.6Kg，在气体保护下熔炼，待合金元素全部溶解后，继续升高温度至720℃-740℃，然后保温静置10分钟，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。本发明合金的常温压缩强度及压缩延伸率分别达到486MPa，17％。200℃、50MPa条件下高温拉伸蠕变性能：稳态蠕变速率5.7×10^-8％/S，100小时后的蠕变应变为0.17％。而相同条件下商业用耐热镁合金AE42的稳态蠕变速率为4.2×10^-6％/S，100小时后的蠕变应变为2.67％。该发明合金的高温蠕变性能比AE42提高1-2个数量级。

实施例4：

合金成分重量百分比：8.0％Zn、4％Cu、5％Gd，杂质元素Fe≤0.005％，Ni≤0.002％，其余为Mg。

按照上述成分配置合金，在中频感应炉中加入工业纯镁6.8Kg，工业纯铜0.4Kg，工业纯锌0.8Kg，Mg-25Gd中间合金2.0Kg，在气体保护下熔炼，待合金元素全部溶解后，继续升高温度至720℃-740℃，然后保温静置10分钟，捞去表面浮渣后进行金属型浇铸。本发明合金的常温压缩强度及压缩延伸率分别达到480MPa，16％。200℃、50MPa条件下高温拉伸蠕变性能：稳态蠕变速率5.4×10^-8％/S，100小时后的蠕变应变为0.16％。而相同条件下商业用耐热镁合金AE42的稳态蠕变速率为4.2×10^-6％/S，100小时后的蠕变应变为2.67％。该发明合金的高温蠕变性能比AE42提高1-2个数量级。

实施例5：

合金成分重量百分比：10.0％Zn、5％Cu、6％Gd，杂质元素Fe≤0.005％，Ni≤0.002％，其余为Mg。

按照上述成分配置合金，在中频感应炉中加入工业纯镁6.1Kg，工业纯铜0.5Kg，工业纯锌1.0Kg，Mg-25Gd中间合金2.4Kg，在气体保护下熔炼，待合金元素全部溶解后，继续升高温度至720℃-740℃，然后保温静置20分钟，捞去表面浮渣后即可进行金属型浇铸。本发明合金的常温压缩强度及压缩延伸率分别达到450MPa，11％。200℃、50MPa条件下高温拉伸蠕变性能：最小稳态蠕变速率为5.2×10^-8％/S，100小时后的蠕变应变为0.15％。而相同条件下AE42镁合金的稳态蠕变速率为4.2×10^-6％/S，100小时后的蠕变应变为2.67％。该发明合金的高温蠕变性能比AE42提高近2个数量级。

在上述5个实施例中，实施例2，3，4中合金具有较好的综合性能价格比。而实施例3中合金除了具有最好的压缩强度外，同时兼有优异的高温蠕变性能。此外，与实施例4、5相比，实施例3含有较低含量的Gd，合金成本相对较低，因而具有最好的综合性能价格比。

Claims

1、一种原位合成准晶及其近似相增强高性能耐热镁合金，其特征在于，组分及其重量百分比为：5-10％Zn，1-5％Cu，2-6％Gd，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

2、根据权利要求1所述的原位合成准晶及其近似相增强高性能耐热镁合金，其特征是，对其重量百分比进一步限定为：6-8％Zn，2-4％Cu，3-5％Gd，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。