CN105039816B - 一种低成本高强耐热镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本高强耐热镁合金及其制备方法，该镁合金由以下重量百分比的组分组成：6.2～9.3％Al，3.5～5.5％Sn，1.0～1.8％Sb，0.2～0.9％Si，0.1～0.4％Sm，余量为Mg。本发明提供的低成本高强耐热镁合金，利用多元微合金化改善镁合金的显微组织，进而提高其力学性能；合理选择合金化元素，控制各合金化元素的含量，发挥了各组分的协同强化作用，提高了镁合金的力学性能和耐热性能；本发明提供的耐热镁合金，显微组织均匀，具有较高的室温和高温强度，高温抗蠕变性优良；该合金在保持较高的力学性能的基础上，极大地降低了镁合金的成本，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种低成本高强耐热镁合金及其制备方法。
背景技术
镁及镁合金作为现阶段工程应用中最轻的金属结构材料，具有低的密度、高的比强度和比刚度、优异的阻尼减震性能以及良好的散热性，在许多领域都具有非常优异的应用潜力，特别是在航空航天、汽车摩托车和高速轻轨列车以及3C产品方面具有难以替代的应用优势。
目前商用镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。MgAl系铸造镁合金由于具有室温力学性能良好、流动铸造性良好、机加工性能良好、低廉的价格和铸造工艺简单而应用最为广泛，其中AZ91和AM60/50系列应用最为广泛，但是该系列合金存在塑性较差以及高温力学性能较差的缺陷。
为了适应市场的需要，扩大镁合金的应用范围和领域，科研工作者对现有的MgAl系铸造镁合金进行了大量研究。利用合金化提高镁合金的室温和高温力学性能是主要研究方向之一，所用的合金化元素主要有稀土元素和碱土元素以及铝、锌、锡、硅、锑等其他元素，相继开发了Mg-Al-Ca、Mg-Al-Si、Mg-Al-RE、Mg-Y-Nd等系列耐热镁合金，但上述合金由于种种原因在实际中得到的应用非常少。其中，Mg-Al-Ca系列(如AX51)合金受限于铸造性能且易于形成热裂纹；Mg-Al-Si系列(如AS41和AS21)合金，其组织中存在粗大汉字状的Mg2Si相，损害了其力学性能；Mg-Al-RE系列(如AE42)合金和Mg-Y-Nd系列(如WE43和WE54)，由于合金中添加较多的稀土元素，造成合金成本较高而限制了其广泛应用；采用廉价元素提高镁合金的力学性能，对于镁合金在更广范围内的应用具有重要作用。
专利CN101871068B公开了一种低成本、含锡与铝的高强度高塑性镁合金及其制造方法，合金组分及重量百分比为3～7％Al，3～6％Sn，余量为Mg和不可避免的杂质。该合金具有高的强度和优良的塑性，不需要热处理，可直接使用的优点。但该合金组织中，Sn在枝晶间成分偏析，析出的金属间化合物Mg17Al12和Mg2Sn晶粒粗大，且分布不均匀，容易导致合金在高温下工作时，力学性能和抗蠕变性变差，从而影响镁合金的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本高强耐热镁合金，在控制合金成本的基础上，提高镁合金在室温和高温条件下的力学性能，并赋予合金在高温下的优良抗蠕变性，扩大镁合金的应用范围。
本发明的第二个目的是提供上述低成本高强耐热镁合金制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低成本高强耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：6.2～9.3％Al，3.5～5.5％Sn，1.0～1.8％Sb，0.2～0.9％Si，0.1～0.4％Sm，余量为Mg。
本发明提供的低成本高强耐热镁合金，Al是镁合金中重要的合金元素，在镁中有非常大的固溶度，具有明显的强化作用，其强化作用表面在两方面，一是通过形成Mg17Al12金属间化合物的第二相强化，二是通过Al原子在镁基体中形成固溶体的固溶强化。为避免热稳定性较差Mg17Al12相的大量生成，镁铝系合金中Al的含量一般控制在9％以下，但是过低的Al含量会损害镁合金的铸造性能特别是合金的流动性，铸造镁合金Al的含量一般不应低于6％，本发明的镁合金中的Al含量为6.2～9.3％。添加Sn元素可以提高镁合金的流动性、降低镁合金的热裂敏感性，Sn与Mg形成的Mg2Sn相具有强化作用，有助于提高合金的强韧性；原料组成中少量的钐可以净化合金液，细化合金组织，改善Mg17Al12相的形貌和分布，提高力学性能；加入适量的锑、硅合金元素，有利于在Mg-Al或Mg-Al-Sn基体的晶界处析出耐高温性能好的金属间相，这些金属间相在高温的应力条件下，阻止晶粒滑动，从而使合金表现出优良的高温抗蠕变性。
本发明提供的低成本高强耐热镁合金，合金组分为Mg-Al-Sn-Sb-Si-Sm，利用多元微合金化改善镁合金的显微组织，进而提高其力学性能；合理选择合金化元素，控制各合金化元素的含量，发挥了各组分的协同强化作用，提高了镁合金的力学性能和耐热性能。
上述低成本高强耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将原料镁、铝、锡、锑在混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；
2)将步骤1)所得合金熔液A加热至710～730℃时，加入中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si，待合金全部熔化后，升温至740～750℃，搅拌均匀，得到合金熔液B；
3)将步骤2)所得合金熔液B的温度降至680～700℃，静置，浇铸到模具中，得铸态合金；
4)将步骤3)所得铸态合金进行热处理，即得。
所述原料镁、铝、锡、锑、中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si使用前经预热处理。原料经预热处理，有助于后续熔炼铸造过程均匀稳定进行；所述预热处理的温度为170～200℃，预热时间时间不低于2h；预热条件进一步优选为，180℃预热3h。
步骤1)所述混合气体为CO2和SF6。
步骤3)所述模具在浇铸前经预热处理。所述模具预热处理的温度为280～320℃；进一步优选模具预热温度为300℃。
步骤4)所述热处理为将铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。
所述固溶处理的温度为415～430℃，处理时间为10～14h；固溶处理条件进一步优选为，温度425℃，处理时间为11h；固溶处理后热水淬火至室温。所用热水温度为75～90℃。
所述时效处理的温度为200～250℃，处理时间为14～18h；时效处理条件进一步优选为，温度220℃，处理时间为16h；时效处理后空冷至室温。
所述固溶处理是在氧化镁粉末覆盖下进行。
本发明提供的低成本高强耐热镁合金的制备方法，以镁、铝、锡、锑、中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si为原料熔炼铸造并经热处理，所得镁合金显微组织均匀，具有较高的室温和高温强度，且高温条件下，抗蠕变性优良；所用原料廉价易得，熔炼和铸造的难度低，过程易于控制，极大地降低了成产成本，工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。
由该方法制备得到的耐热镁合金，显微组织均匀，室温抗拉强度可达到285MPa，200℃的抗拉强度达到192MPa，具有较高的室温和高温强度；该合金在200℃和70MPa条件下蠕变100小时，应变量最低为0.36％，稳态蠕变速率低至1.21×10-8s-1，具有良好的高温抗蠕变性；该合金主要组分均为廉价元素，在保持较高的力学性能的基础上，极大地降低了镁合金的成本，适合推广应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。各实施例中涉及的原料镁(Mg)，铝(Al)，锡(Sn)，锑(Sb)，中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si均为市售产品。
实施例1
本实施例的低成本高强耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：6.2％Al，4.9％Sn，1.8％Sb，0.7％Si，0.4％Sm，余量为Mg。
本实施例的低成本高强耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将原料纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒、纯锑、Mg-Sm中间合金和Mg-Si中间合金放置于干燥箱中进行干燥预热，预热温度为180℃，预热时间为3小时；将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒、纯锑在CO2+SF6混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；
2)将步骤1)所得合金熔液A加热至720℃时，加入中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si，保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，继续升温至740℃后停止升温，搅拌均匀，得到合金熔液B；
3)将步骤2)所得合金熔液B的温度降至700℃，静置5分钟，然后浇铸到经预热的金属型模具中(金属型模具的预热温度为300℃)，得铸态合金；
4)对步骤3)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，处理温度为425℃，处理时间为11h，80℃热水淬火至室温；时效处理的温度为220℃，处理时间为16h，空冷至室温，即得。
实施例2
本实施例的低成本高强耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：7.4％Al，5.5％Sn，1.5％Sb，0.9％Si，0.2％Sm，余量为Mg。
本实施例的低成本高强耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将原料纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒、纯锑、Mg-Sm中间合金和Mg-Si中间合金放置于干燥箱中进行干燥预热，预热温度为170℃，预热时间为4小时；将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒、纯锑在CO2+SF6混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；
2)将步骤1)所得合金熔液A加热至730℃时，加入中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si，保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，继续升温至740℃后停止升温，搅拌均匀，得到合金熔液B；
3)将步骤2)所得合金熔液B的温度降至690℃，静置5分钟，然后浇铸到经预热的金属型模具中(金属型模具的预热温度为300℃)，得铸态合金；
4)对步骤3)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，处理温度为420℃，处理时间为13h，85℃热水淬火至室温；时效处理的温度为220℃，处理时间为16h，空冷至室温，即得。
实施例3
本实施例的低成本高强耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：8.6％Al，4.4％Sn，1.6％Sb，0.2％Si，0.3％Sm，余量为Mg。
本实施例的低成本高强耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将原料纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒、纯锑、Mg-Sm中间合金和Mg-Si中间合金放置于干燥箱中进行干燥预热，预热温度为200℃，预热时间为2小时；将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒、纯锑在CO2+SF6混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；
2)将步骤1)所得合金熔液A加热至720℃时，加入中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si，保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，继续升温至740℃后停止升温，搅拌均匀，得到合金熔液B；
3)将步骤2)所得合金熔液B的温度降至700℃，静置5分钟，然后浇铸到经预热的金属型模具中(金属型模具的预热温度为300℃)，得铸态合金；
4)对步骤3)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，处理温度为430℃，处理时间为10h，90℃热水淬火至室温；时效处理的温度为250℃，处理时间为15h，空冷至室温，即得。
实施例4
本实施例的低成本高强耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：9.3％Al，3.5％Sn，1.2％Sb，0.4％Si，0.1％Sm，余量为Mg。
本实施例的低成本高强耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将原料纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒、纯锑、Mg-Sm中间合金和Mg-Si中间合金放置于干燥箱中进行干燥预热，预热温度为180℃，预热时间为3小时；将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒、纯锑在CO2+SF6混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；
2)将步骤1)所得合金熔液A加热至720℃时，加入中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si，保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，继续升温至740℃后停止升温，搅拌均匀，得到合金熔液B；
3)将步骤2)所得合金熔液B的温度降至700℃，静置5分钟，然后浇铸到经预热的金属型模具中(金属型模具的预热温度为300℃)，得铸态合金；
4)对步骤3)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，处理温度为425℃，处理时间为11h，90℃热水淬火至室温；时效处理的温度为220℃，处理时间为16h，空冷至室温，即得。
试验例
本试验例对实施例1～4所得低成本高强耐热镁合金的抗拉强度、屈服强度、高温抗蠕变性进行检测，其中蠕变试验测试条件为，蠕变温度200℃，应力70MPa条件下100小时。试验结果列于表1中。由表1的试验结果可知，本发明所制备的低成本高强耐热镁合金在室温～200℃范围内具有高的抗拉强度、屈服强度和抗蠕变性能，适合大规模推广应用。
表1实施例1～4低成本高强耐热镁合金的性能检测结果
Claims (10)
1.一种低成本高强耐热镁合金，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：6.2～9.3％Al，3.5～5.5％Sn，1.0～1.8％Sb，0.2～0.9％Si，0.1～0.4％Sm，余量为Mg。
2.一种如权利要求1所述低成本高强耐热镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将原料镁、铝、锡、锑在混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；
2)将步骤1)所得合金熔液A加热至710～730℃时，加入中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si，待合金全部熔化后，升温至740～750℃，搅拌均匀，得到合金熔液B；
3)将步骤2)所得合金熔液B的温度降至680～700℃，静置，浇铸到模具中，得铸态合金；
4)将步骤3)所得铸态合金进行热处理，即得。
3.如权利要求2所述低成本高强耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述原料镁、铝、锡、锑、中间合金Mg-Sm和中间合金Mg-Si使用前经预热处理。
4.如权利要求3所述低成本高强耐热镁合金的制备方法，其特征在于，预热处理的温度为170～200℃，预热时间不低于2h。
5.如权利要求2所述低成本高强耐热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤3)所述模具在浇铸前进行预热处理。
6.如权利要求5所述低成本高强耐热镁合金的制备方法，其特征在于，模具的预热温度为280～320℃。
7.如权利要求2所述低成本高强耐热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤4)所述热处理为将铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。
8.如权利要求7所述低成本高强耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为415～430℃，处理时间为10～14h，热水淬火至室温；所用热水温度为75～90℃。
9.如权利要求7所述低成本高强耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为200～250℃，处理时间为14～18h，空冷至室温。
10.如权利要求7或8所述低成本高强耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理是在氧化镁粉末覆盖下进行。
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