CN102703786A

CN102703786A - 汽车发动机缸体用耐热耐蚀镁合金

Info

Publication number: CN102703786A
Application number: CN2012102194727A
Authority: CN
Inventors: 刘子利; 李健; 朱晓春; 李娟�; 刘希琴
Original assignee: Jiangsu Favour Automotive New Stuff Sci-Tech Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Favour Automotive New Stuff Sci-Tech Co Ltd
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: CN102703786B

Abstract

本发明公开了一种汽车发动机缸体用耐热耐蚀镁合金，其成分的重量百分配比为：铝3.5~5.5%，锶1.5~2.5%，锑0.2~0.4%，镉0.2~0.8%，钛0.04~0.08%，其余为镁；本发明通过Sb、Cd和Ti的合金化在改善Mg-Al-Sr合金力学和耐热性能的基础上，大幅度地提高合金的耐蚀性能。

Description

汽车发动机缸体用耐热耐蚀镁合金

技术领域

本发明涉及一种镁合金，特别是一种汽车发动机缸体用耐热耐蚀镁合金，属于轻金属材料技术领域。

背景技术

镁合金材料具有比强度、比刚度高以及阻尼减震等特点，已经成为汽车制造业的重要原材料，为满足汽车工业节能和环保的要求提供了更大的发展空间。Mg-Al系合金是铸造镁合金中应用最广的，其中的AZ系和 AM系镁合金已经在汽车工业中得到了广泛的商业化应用，这些合金不仅具有良好的铸造性还表现出优良的室温机械性能。

但由于它们的高温强度和抗蠕变性能不佳、耐腐蚀性能较差，一直以来都只是用作一些非关键性的汽车零部件，如方向盘，转向柱部件，仪表板，座椅和齿轮箱等，它们在汽车主要动力系统（变速箱和发动机壳体）中的应用受到了很大的限制。

在Mg-Al基合金中加入碱土元素Ca或Sr，会在基体相中析出熔点很高的A1-Ca相或A1-Sr相。这些相在高温下不会分解，能够对晶界起到很好的钉扎效果，因而能够有效地改善镁合金的高温力学性能，特别是抗蠕变性能。

专利CN 1637160A（压铸用镁合金及镁压铸制品）公开了一种在AZ91系基体合金中添加晶粒细化剂锑和钙中的至少一种、和锶，来完善镁合金组织，提高合金高温蠕变性能的案例，其成份质量百分配比为：6.0~11.0％铝（Al），0.1~2.5％锌（Zn），0.1~0.5％锰（Mn），0.1~1.5%锑（Sb），0.05~3.5%钙（Ca），0.1~2.5%锶（Sr），余量为镁。

又如专利CN 101643872A（一种高强度、高塑性镁合金及其制备方法）公开了一种在Mg-Sn基体合金中添加合金元素硅、锑、钇和锶中的一种或几种，来提高镁合金的强度和塑性的案例，其成份质量百分配比为：6.1~9.5％铝（Al），1.0~5.0％锡（Sn），0~3.0％硅（Si），0~2.0%锑（Sb），0~3.0%钇（Y），0~2.0%锶（Sr），余量为镁。

近年来的研究表明，Sb和Cd的合金化可以改善Mg-Al-RE合金中力学性能和耐蚀性能，如公布号为CN102134673A公开的一种高强韧耐热耐蚀稀土镁合金和公布号为CN102127669A公开的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金均是通过Sb和Cd来改善合金力学性能。

作为汽车发动机缸体用材料，需要兼具优良的室温机械性能和耐热性能的同时还需要具有良好的耐腐蚀性能。所有这些合金虽然具有较高的强度，但过多的合金合金元素导致合金中的第二相较多而降低了合金的塑性和耐蚀性能，限制了它们在汽车发动机缸体中的应用。

专利WO 01/44529 Al公开了一种Mg-Al-Sr系合金，其成份质量百分配比为：2.0~9.0%铝（Al），0.5~7.0%锶（Sr），余量为镁。该合金成本相对较低，在150℃以上的高温具有较高的拉伸屈服强度（>100MPa）和耐蠕变性能（≤0.03%），以及较低的耐腐蚀性能（≤0.3251mm/year）。其中，AJ62合金（Mg-6Al-2.4Sr）已经成功地应用于宝马六缸发动机缸体。与AJ62合金相比，AJ52合金（Mg-5Al-2Sr）具备有更高的耐热性能，但其室温机械性能和耐腐蚀性能却低于AJ62合金（Eric Baril, Pierre Labelle, and Mihriban O. Pekguleryuz. Elevated Temperature Mg-Al-Sr: Creep Resistance, Mechanical Properties, and Microstructure. Jom-Journal of the Minerals Metals & Materials Society. 2003, 55(11): A34-A39.）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种汽车发动机缸体用耐热耐蚀镁合金，该镁合金具有优异的高温强度、塑性、抗蠕变性能和耐腐蚀性。

为了解决上述的技术问题，本发明的技术方案是：一种汽车发动机缸体用耐热耐蚀镁合金，其特征在于其成分的重量百分配比为：铝3.5~5.5%，锶1.5~2.5%，锑0.2~0.4%，镉0.2~0.8%，钛0.04~0.08%，其余为镁。

作为优选，所述成分的重量百分配比为：铝5.0~5.5%，锶2.0~2.5%，锑0.2~0.25%，镉0.2~0.25%，钛0.04~0.06%，其余为镁。

本发明的工艺步骤如下：

在熔剂和气体保护熔炼条件下，将工业纯镁和工业纯铝放入坩埚内，当炉内温度升至680~730℃，保温一段时间，待镁锭等完全熔化后，用钟罩将Mg-Sr中间合金、纯锑和纯镉压入镁合金熔体，等其熔解后取出钟罩，搅拌混合均匀并继续升温至740~760℃，加入精炼剂精炼镁合金熔液5~10分钟后加入Al-Ti中间合金，静置10~20分钟后浇注。该工艺可用于合金铸件或胚料的制造。

本发明通过Sb、Cd和Ti的合金化在改善Mg-Al-Sr合金力学性能（如提高合金的室高温拉伸屈服强度）的基础上，大幅地提高合金的耐蚀性能（降低合金的耐腐蚀速率），其实质性特点和效果为：

(1)采用低熔点和低成本的Mg-Sr中间合金实现Sr的添加，Sr可以提高镁固溶体的熔点，其具有较低的密度并且在镁合金中扩散缓慢；Sr具有细晶强化的作用，可以细化镁合金晶粒；Sr与合金中的Al结合能够生成高熔点的Al4Sr相，减少Mg17Al12相在晶界析出，提高合金的高温强度和抗蠕变性能；

(2)表面活性元素Sb能够改善合金中Al4Sr相的形态、数量和分布。Sb将取代部分Al优先与Sr结合形成高熔点弥散颗粒相SbSr2，该相在合金熔体凝固过程中可作为α-Mg基体的非均质形核的核心细化晶粒，在合金基体中还能够阻碍位错的运动，提高合金的强度。SbSr2相的形成还会导致合金中Al4Sr相的形成受到限制，使固溶于合金基体中的Al元素含量增加，提高了合金固溶强化的效果，使合金的拉伸强度和屈服强度得以提升。

(3) Cd是一种能够在镁中无限固溶的合金元素，Cd的存在能够提基体电极电位，使合金的耐蚀性能得到提高。

(4)Ti起到细化晶粒和改善晶界第二相的作用，提高合金的力学性能。

(5)一定含量的 Al能够提高镁合金的铸造性能和耐腐蚀性能，保证合金的固溶强化和时效强化效果，但Al含量较高时又降低了合金的高温性能和韧性，因此铝的质量百分数应保持在3.5%~5.5%。

具体实施方式

实施例1

合金成分（重量百分比）：3.5%Al、1.5%Sr、0.2%Sb、0.2%Cd、0.06%Ti，其余为Mg，控制杂质元素Si≤0.02%，Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%。在熔剂和气体保护熔炼条件下，将工业纯镁和工业纯铝放入坩埚内，当炉内温度升至700℃，保温一段时间，待镁锭等完全熔化后，用钟罩将Mg-Sr中间合金、纯锑和纯镉压入镁合金熔体，等其熔解后取出钟罩，搅拌混合均匀并继续升温至750℃，加入精炼剂精炼镁合金熔液10分钟后加入Al-Ti中间合金，静置20分钟后浇注。

实施例2

合金成分（重量百分比）：5.0%Al、2.0%Sr、0.25%Sb、0.25%Cd、0.04%Ti，其余为Mg，控制杂质元素Si≤0.02%，Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%。在熔剂和气体保护熔炼条件下，将工业纯镁和工业纯铝放入坩埚内，当炉内温度升至680℃，保温一段时间，待镁锭等完全熔化后，用钟罩将Mg-Sr中间合金、纯锑和纯镉压入镁合金熔体，等其熔解后取出钟罩，搅拌混合均匀并继续升温至760℃，加入精炼剂精炼镁合金熔液5分钟后加入Al-Ti中间合金，静置20分钟后浇注。

实施例3

合金成分（重量百分比）：5.5%Al、2.0%Sr、0.3%Sb，0.6%Cd、0.06%Ti，其余为Mg，控制杂质元素Si≤0.02%，Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%。在熔剂和气体保护熔炼条件下，将工业纯镁和工业纯铝放入坩埚内，当炉内温度升至730℃，保温一段时间，待镁锭等完全熔化后，用钟罩将Mg-Sr中间合金、纯锑和纯镉压入镁合金熔体，等其熔解后取出钟罩，搅拌混合均匀并继续升温至740℃，加入精炼剂精炼镁合金熔液7分钟后加入Al-Ti中间合金，静置15分钟后浇注。

实施例4

合金成分（重量百分比）：5.0%Al、2.5%Sr、0.4%Sb、0.8%Cd、0.08%Ti，其余为Mg，控制杂质元素Si≤0.02%，Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%。在熔剂和气体保护熔炼条件下，将工业纯镁和工业纯铝放入坩埚内，当炉内温度升至710℃，保温一段时间，待镁锭等完全熔化后，用钟罩将Mg-Sr中间合金、纯锑和纯镉压入镁合金熔体，等其熔解后取出钟罩，搅拌混合均匀并继续升温至750℃，加入精炼剂精炼镁合金熔液10分钟后加入Al-Ti中间合金，静置10分钟后浇注。

上述各实施例中得到的合金力学性能如表1所示。

表1

本发明耐蚀性试验方法为：

根据GB10124-1988 金属材料试验室均匀腐蚀全浸试验方法，将试样斜立放于3.5%NaCl溶液中，100小时后取出用CrO3+AgNO3 +Ba(NO3)2+蒸馏水清除试样表面的腐蚀产物，然后再用丙酮和无水酒精清洗，测腐蚀速率（mm/a）。

上述各实施例中得到的合金腐蚀速率如表2所示。

表2

编号	腐蚀速率（mm/a）
		实施例1	0.3935
实施例2	0.2342
		实施例3	0.1769
实施例4	0.2418

由表1、2可直观地看出，本发明通过Sb、Cd和Ti的合金化在改善Mg-Al-Sr合金力学和耐热性能的基础上，大幅地提高合金的耐蚀性能。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种汽车发动机缸体用耐热耐蚀镁合金，其特征在于其成分的重量百分配比为：铝3.5~5.5%，锶1.5~2.5%，锑0.2~0.4%，镉0.2~0.8%，钛0.04~0.08%，其余为镁。

2.根据权利要求1所述的汽车发动机缸体用耐热耐蚀镁合金，其特征在于其成分的重量百分配比为：铝5.0~5.5%，锶2.0~2.5%，锑0.2~0.25%，镉0.2~0.25%，钛0.04~0.06%，其余为镁。