CN100408716C - 用于变质Mg－Al－Si系镁合金中汉字状Mg2Si相的等温热处理方法 - Google Patents

用于变质Mg－Al－Si系镁合金中汉字状Mg2Si相的等温热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于变质Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg2Si相的等温热处理方法。它是将一定成分的Mg-Al-Si系镁合金按成分配比熔化后升温到720～740℃，捞去合金液表面浮渣，然后进行重力铸造或砂型铸造，在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的固溶处理温度后，将合金放入箱式电阻炉中，在保护气氛下保温12～24小时，然后取出快速淬入水中。本方法采用等温热处理方式使Mg2Si相的汉字状形貌变质，可以对Mg-Al-Si系镁合金进行有效变质的同时，又避免传统方法加入Ca、Sr、P或Sb等合金元素带来的问题，使Mg-Al-Si系镁合金可用于重力铸造和砂型铸造等工艺，扩大Mg-Al-Si系镁合金的应用范围。

Description

用于变质Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg2Si相的等温热处理方法
技术领域：
本发明涉及的是一种变质Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg2Si相的方法，属于金属材料类及冶金领域。
背景技术：
Mg-Al-Si系镁合金由于具有高温性能较好和成本较低等方面的优势，被认为是一种适合150℃以下有发展前途的高温抗蠕变镁合金。与Mg-Al-RE系等镁合金相比，Mg-Al-Si系镁合金的耐热强化机理主要在于通过引入低成本合金元素Si在晶界处形成细小弥散的Mg2Si相来实现。由于Mg2Si相具有高熔点(1085℃)、与基体相近的低密度(1.99g/cm-3)、高弹性模量及低热膨胀系数(7.5×10-6K-1)等特点，其在300℃以下相当稳定，从而使得Mg-Al-Si系镁合金具有较高的高温抗蠕变性能。实际上早在上世纪70年代，人们就已经开始了Mg-Al-Si系耐热镁合金的研究，并先后开发出了AS41、AS31、AS21和AS21X等耐热镁合金，其中AS41合金在175℃时的蠕变强度高于AZ91和AM60合金，且具有良好的韧性、抗拉强度和屈服强度，而AS21合金的蠕变强度和抗蠕变温度甚至比AS41合金还高。尽管目前这些已开发出的Mg-Al-Si系镁合金有较高的高温性能，但其推广应用仍因其综合力学性能较差等原因而受到一定程度的限制。正如前面说述，Mg-Al-Si系镁合金的耐热强化机理主要在于通过引入低成本合金元素Si在晶界处形成Mg2Si相来实现，但由于Si在Mg-Al-Si系镁合金中形成的Mg2Si相多以粗大汉字状形貌出现，而汉字状形貌的Mg2Si相周围存在很大的应力集中，会促进合金组织中显微空洞的萌生和扩展，并且随着温度升高，空洞会随之增大，导致合金力学性能大幅度降低，尤其是延伸率，并且冷却速度越慢越容易导致粗大汉字块形态的Mg2Si相生成，使得Mg-Al-Si系镁合金目前仅适用于冷却速率较快的压铸件，而无法用于重力铸造和砂型铸造等工艺。因此，如何加强Mg-Al-Si系镁合金中Mg2Si相形貌的变质研究，使Mg2Si相由粗大汉字状形貌转变为细小弥散分布的多边形状和/或球状，对于提高和改善Mg-Al-Si系镁合金的综合力学性能并进而扩大其工业化应用就显得尤为关键。
近10多年来，国内外从合金化和/或微合金化角度出发，围绕合金元素变质Mg-Al-Si系耐热镁合金中Mg2Si相的汉字状形貌开展了大量的研究工作，并先后报道了添加适量Ca、Sr、P或Sb等合金元素可以改善Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg2Si相的研究结果。基于这些研究结果，虽然适量添加这些合金元素可以在一定程度上变质Mg-Al-Si系镁合金中Mg2Si相的汉字状形貌，但同时又由于这些合金元素添加带来各自的问题而使得通过合金化和/或微合金化来变质Mg2Si相形貌这一方法受到一定的限制，如添加Sb带来的成分偏析和变质效果不佳、添加Ca带来的铸造热裂以及添加Sr和P带来的加入方式和变质效果等问题。也正是由于这些存在的问题，使得通过合金化和/或微合金化变质Mg2Si相形貌这一方法目前还难以满足Mg-Al-Si系镁合金工业化应用的要求。
发明内容：
本发明的目的在于避开现有采用合金化和/或微合金化变质Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg2Si相这一传统方法，提出采用等温热处理变质Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg2Si相的新方法，使Mg2Si相的汉字状形貌变质，以便Mg-Al-Si系镁合金可用于冷却速率较慢的重力铸造和砂型铸造等工艺，扩大Mg-Al-Si系镁合金的应用范围。
为了实现上述目的，本发明提出一种用于变质Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg2Si相的等温热处理方法。从图1可以看到，本方法是将一定成分的Mg-Al-Si系镁合金按成分配比熔化后升温到720～740℃，捞去合金液表面浮渣，然后进行重力铸造或砂型铸造，在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的固溶处理温度后，将合金放入箱式电阻炉中，在保护气氛下保温12～24小时，然后取出快速淬入水中。
采用本方法变质汉字状Mg2Si相的机理在于：Mg2Si/Mg界面处存在位错和空位等缺陷，点阵畸变较大、原子处于较高能量状态，且这些地方原子排列一般不规则、比较开阔，原子运动阻力小，从而为Si原子扩散提供了通道，因此在固溶温度进行等温热处理时，粗大的汉字状Mg2Si相表面凹坑和凸起处的Si原子有可能在界面张力作用下逐渐脱离Mg2Si点阵，然后沿Mg2Si/Mg界面扩散进入Mg点阵，并在新的位置形成Mg2Si颗粒，且最终使Mg2Si相凹坑越来越深，直至断裂，而凸起则变平，从而使得Mg2Si相形貌从汉字状变为粒状和/或球状，实现汉字状Mg2Si相形貌的变质。此外，由于合金凝固冷却和等温热处理处于连续过程之中，使得合金一直处于温度较高的状态，Si原子在Mg2Si/Mg界面处的扩散能力得到大大加强，使上述过程发生的时间大大缩短，更易导致汉字状Mg2Si相形貌的变质。
因此，采用本方法进行变质Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg2Si相处理，可以对Mg-Al-Si系镁合金进行有效变质的同时，又避免了传统方法加入Ca、Sr、P或Sb等合金元素带来的问题，使Mg-Al-Si系镁合金可用于重力铸造和砂型铸造等工艺，扩大了Mg-Al-Si系镁合金的应用范围。
附图说明
图1是本发明提出的等温热处理方法的温度-时间关系示意图；
图2是实施例1得到的合金的金相组织图；
图3是实施例2得到的合金的金相组织图；
图4是实施例3得到的合金的金相组织图。
具体实施方式：
以下通过具体的三个实施例对本发明的实施工艺和效果作进一步的阐述。
实施例1：Mg-4Al-1Si合金
实施过程：按Mg-4Al-1Si合金成分配置合金并将其熔化，当温度升到740℃时，捞去合金液表面浮渣，然后进行重力铸造，在重力铸造过程中当合金冷却到415℃时，将合金放入已升至415℃且有保护气氛的箱式电阻炉中保温20小时，然后快速从电阻炉中取出淬入水中。对采用本发明提出方法得到的合金作金相组织分析，结果如图2所示。从图中可以看到，采用本发明提出方法处理合金后，合金组织中的汉字状Mg2Si相已不十分明显，说明采用本发明提出的方法处理重力铸造Mg-4Al-1Si合金，可以使合金组织中的汉字状Mg2Si相变质。
实施例2：Mg-6Al-1Si合金
实施过程：按Mg-6Al-1Si合金成分配置合金并将其熔化，当温度升到720℃时，捞去合金液表面浮渣，然后进行重力铸造，在砂型铸造过程中当合金冷却到420℃时，将合金放入已升至420℃且有保护气氛的的箱式电阻炉中保温16小时，然后快速从电阻炉中取出淬入水中。对采用本发明提出方法得到的合金作金相组织分析，结果如图3所示。从图中可以看到，采用本发明提出方法处理合金后，合金组织中的汉字状Mg2Si相已不十分明显，说明采用本发明提出的方法处理砂型铸造Mg-6Al-1Si合金，可以使合金组织中的汉字状Mg2Si相变质。
实施例3：Mg-6Al-1Si-1Zn合金
实施过程：按Mg-6Al-1Si-1Zn合金成分配置合金并将其熔化，当温度升到730℃时，捞去合金液表面浮渣，然后进行重力铸造，在重力铸造过程中当合金冷却到425℃时，将合金放入已升至425℃且有保护气氛的的箱式电阻炉中保温14小时，然后快速从电阻炉中取出淬入水中。对采用本发明提出方法得到的合金作金相组织分析，结果如图4所示。从图中可以看到，采用本发明提出方法处理合金后，合金组织中的汉字状Mg2Si相已不十分明显，说明采用本发明提出的方法处理重力铸造Mg-6Al-1Si-1Zn合金，可以使合金组织中的汉字状Mg2Si相变质。

Claims (1)

1. 用于变质Mg-Al-Si系镁合金中汉字状Mg2Si相的等温热处理方法，其特征在于：将Mg-Al-Si系镁合金按成分配比熔化后升温到720～740℃，捞去合金液表面浮渣，然后进行重力铸造或砂型铸造，在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的固溶处理温度后，将合金在保护气氛下保温12-24小时，然后取出快速淬入水中。
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