CN103215481A

CN103215481A - 一种中强韧稀土耐热镁合金

Info

Publication number: CN103215481A
Application number: CN2013101334471A
Authority: CN
Inventors: 戚文军; 黄正华; 周楠; 蔡畅; 徐静; 李涛
Original assignee: Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Current assignee: Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2013-07-24

Abstract

一种中强韧稀土耐热镁合金，其特征是由以下组分和重量百分比组成：Al3.0~7.0%，Sm0.5~3.0%和Zn0.3~1.0%，余量为Mg。本发明的镁合金铸态室温抗拉强度和延伸率分别为235MPa和16.0%，150℃时的抗拉强度和延伸率分别为171MPa和20.0%，相同条件下对比AZ61合金，室温抗拉强度和延伸率分别提高14.6%和190%，150℃时的抗拉强度和延伸率分别提高22.1%和207%，铸态流动性能与AZ91D合金相当。压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为275MPa和14.5%，压铸态流动性能略低于AZ91D合金。它是一种低成本中强韧稀土耐热镁合金，尤其是高温性能较优异的耐热镁合金，适用于轨道交通、汽车、运动器械、3C等行业。

Description

一种中强韧稀土耐热镁合金

技术领域

本发明涉及一种镁合金，特别涉及一种中强韧稀土耐热镁合金。

背景技术

镁合金具有密度轻、比强度和比刚度高、易回收等优点，在汽车、通讯电子、航空航天等领域具有广泛的应用前景。但镁合金的高温力学性能较差。当温度升高时，其强度和抗蠕变性能往往大幅下降，因此难以作为高温长时间使用的零部件。

目前，国内外有关耐热和高流动性镁合金的研究主要集中在Mg-Al系合金，占压铸镁合金总量的90%以上。但该系合金组织中的主要强化相β-Mg₁₇Al₁₂熔点仅为437℃，热稳定性较差，在高于120℃时开始发生软化和粗化，不能有效钉扎晶界及抑制高温晶界区滑动，导致合金高温强度低和抗蠕变性能差，其零件不适合在高于120℃的环境中工作。研究表明，在Mg-Al系合金中添加稀土RE，添加的RE元素优先与Al相结合生成高热稳定性的Al-RE相，有效抑制低熔点b-Mg₁₇Al₁₂相的析出，同时能细化组织，因此RE的添加能有效改善Mg-Al合金组织和提高高温性能及抗蠕变性能，从而开发出新型高性能Mg-Al-RE系耐热镁合金，扩大镁合金的应用范围。

CN 200810057360.X名称为“一种含Nd耐热镁合金及其制备方法”的发明专利公开了通过在Mg-Al合金中添加高稀土Nd含量（5.5~6.5%），析出高热稳定性的Al₂Nd强化相（熔点为1500℃），完全消耗过饱和的固溶Al，减少蠕变过程中析出的b-Mg₁₇Al₁₂相，从而提高其高温力学性能和抗蠕变性能。该发明的Mg-(5.5~6.5)Al-(3.5~6.5)Nd合金在175℃时的抗拉强度和延伸率分别为149~157MPa和24~28%，在150℃、70MPa和100h条件下的总蠕变量为1.9~2.4%。

CN 200810042784.9名称为“含Ca和重稀土Gd的压铸耐热镁合金及其制备方法”的发明专利公开了通过在Mg-Al合金中复合添加稀土Gd和碱土金属Ca，同时析出高热稳定性的Al₂Gd和Al₂Ca强化相（熔点分别为1523℃和1079℃），有效抑制b-Mg₁₇Al₁₂相的析出，从而提高其高温力学性能。该发明的Mg-(3~8)Al-(0.1~3.0)Gd-(0.1~3.0)Ca-(0~0.5)Mn合金的压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为225~247MPa和5.1~6.3%，在200℃时的抗拉强度和延伸率分别为183~205MPa和9.5~11.6%，在150℃、70MPa和100h条件下的总蠕变量为0.02~0.04%，在200℃、70MPa和100h条件下的总蠕变量为0.09~0.20%。

上述两专利分别通过单独添加Nd或复合添加Gd和Ca来提高Mg-Al系合金的高温力学性能，但添加的Nd价格较贵，Ca的添加将导致热裂倾向变严重。

发明内容

本发明的目的在于克服Mg-Al合金的耐热性能不足，提供一种中强韧稀土耐热镁合金。

本发明所述耐热镁合金的组分及其重量百分比为：Al 3.0~7.0%，Sm 0.5~3.0%和Zn 0.3~1.0%，余量为Mg。

本发明所述最佳的耐热镁合金的组分及其重量百分比为：Al 6.0%，Sm 1.0%和Zn 0.6%，余量为Mg。

Al是耐热镁合金中最主要的合金元素，在Mg中的最大固溶度达12.7%。当Al含量＜10%时，随着Al含量的增加，合金的抗拉强度逐渐提高，而延伸率先提高后下降。研究表明，含有5~6%Al的Mg-Al系合金具有最佳的强度和塑性组合。b-Mg₁₇Al₁₂相在高温下易发生软化和粗化，不能有效钉扎晶界，高温力学性能和抗蠕变性能较差，而b-Mg₁₇Al₁₂相随着Al含量的增加而增多，所以Al含量选择为3.0~7.0%。

Sm属于轻稀土元素，价格较Nd便宜，是耐热镁合金中常用的合金元素之一，在Mg中的最大固溶度达5.88%。加入Mg-Al合金中生成高热稳定性的Al₂Sm相（熔点为1500℃），有效抑制低熔点b-Mg₁₇Al₁₂相的析出，从而提高其高温力学性能和抗蠕变性能。研究表明，Mg-Al系合金加入1.5%Sm后的组织与力学性能达到最好。所以Sm含量选择为0.5~3.0%。

Zn也是镁合金中常用的特征元素，其对镁合金的影响仅次于Al。Zn通常与Al结合用于增加Al在Mg中的固溶度，提高Al的固溶强化作用，有较强的沉淀强化作用。在合金中，Al/Zn比是值得重视的一个参数。研究表明，当Al含量<8%时，随着Zn含量的增加，抗拉强度提高，但是延伸率下降；当Zn含量<1%时，合金处于可铸造区，所以Zn含量选择为0.3~1.0%。

本发明以3.0~7.0%Al作为基本成分，加入0.5~3.0%Sm形成小块状高热稳定性Al₂Sm相，有效抑制低熔点b-Mg₁₇Al₁₂相的析出，且成弥散分布，提高其高温力学性能；加入0.3~1.0%Zn后，添加的Zn主要固溶于a-Mg基体和b-Mg₁₇Al₁₂相中，提高其高温力学性能（见图1和2）。合理的熔铸方法可有效地保证稀土元素的溶解和减少其烧损。通过合理的压铸方法（模具温度、压射时间等），在较快的冷却速度条件下，晶粒明显细化，第二相颗粒被有效地破碎、细化（见图4和5），起到弥散强化合金基体和钉扎晶界的作用，有效阻碍高温晶界滑移。因此本发明的Mg-Al-Sm-Zn合金呈现中等强韧性和优良的流动性能，可拓宽Mg-Al系耐热镁合金在轨道交通、汽车、运动器械、3C等领域的应用。

附图说明

图1是实施例2的铸态光学显微组织照片。

图2是实施例2的铸态扫描显微组织照片。

图3是实施例2的铸态XRD谱。

图4是实施例2的压铸态光学显微组织照片。

图5是实施例2的压铸态扫描显微组织照片。

具体实施方式

本发明所述耐热镁合金的熔铸方法：在CO₂和0.2vol%SF₆混合气体保护下，待工业纯Mg熔化后升温至730℃，每隔5min依次将工业纯Al、Mg-30%Sm中间合金和工业纯Bi加入熔体中；在1h内搅拌熔体两次；然后加入JDMJ型精炼剂搅拌后升温至750℃，静置30min；最后待熔体温度冷却至715℃，除渣后浇入预热温度为250℃的Y型金属型模具中，凝固成铸态试样。熔体浇入预热温度为350℃的螺旋型金属型模具（型腔截面10′8mm²）中，凝固成铸态流动性试样。熔体分别快速压入预热温度为250℃的压铸力学性能模具和压铸流动性模具（型腔截面R5mm的半圆）中，凝固成压铸态力学性能试样和流动性试样。

结合本发明技术方案的内容提供以下三个实施例和两个对比例，但本发明的保护范围不限于下述三个实施例。

实施例1

合金成分的重量百分比为：Al 3.0%，Sm 0.5%和Zn 0.3%，余量为Mg。

实施例1的铸态室温抗拉强度和延伸率分别为205MPa和10.0%，150℃的抗拉强度和延伸率分别为168MPa和18.5%，铸态流动长度为300mm。

实施例2

合金成分的重量百分比为：Al 6.0%，Sm 1.0%和Zn 0.6%，余量为Mg。

实施例2的铸态室温抗拉强度和延伸率分别为235MPa和16.0%，150℃的抗拉强度和延伸率分别为171MPa和20.0%，铸态流动长度为320mm；压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为275MPa和14.0%，压铸态流动长度为2300mm。

实施例3

合金成分的重量百分比为：Al 7.0%，Sm 3.0%和Zn 1.0%，余量为Mg。

实施例3的铸态室温抗拉强度和延伸率分别为225MPa和9.5%，150℃的抗拉强度和延伸率分别为168MPa和23.0%，铸态流动长度为290mm。

对比例1

AZ61合金，合金成分的重量百分比为：Al 6.0%和Zn 1.0%，余量为Mg。

对比例1的铸态室温抗拉强度和延伸率分别为205MPa和5.5%，150℃的抗拉强度和延伸率分别为140MPa和6.5%，铸态流动长度为165mm。

对比例2

AZ91D合金，合金成分的重量百分比为：Al 9.0%和Zn 1.0%，余量为Mg。

对比例2的铸态流动长度为330mm，压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为210MPa和2.5%，压铸态流动长度为2450mm。

本发明的实施例和对比例的流动性能和拉伸力学性能列于表1中。

表1 实施例和对比例的流动性能和拉伸力学性能

表1表明：相同条件下，实施例2的Mg-6.0Al-1.0Sm-0.6Zn合金铸态室温抗拉强度和延伸率比对比例1的AZ61合金分别提高14.6%和190%；150℃时抗拉强度和延伸率分别提高22.1%和207%。铸态流动性能与对比例2的AZ91D合金相当。压铸态室温抗拉强度和延伸率分别为275MPa和14.5%，压铸态流动性能略低于AZ91D合金。

Claims

1.一种中强韧稀土耐热镁合金，其特征是由以下组分和重量百分比组成：Al 3.0~7.0%，Sm 0.5~3.0%和Zn 0.3~1.0%，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的耐热镁合金，其特征是由以下组分和重量百分比组成：Al 6.0%，Sm 1.0%和Zn 0.6%，余量为Mg。