CN103343270B - 一种高强度镁-铝-锰-锶合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度镁-铝-锰-锶合金,所述合金按质量百分比计由以下组分组成:Al:1.0~5.0%;Mn:0.1-1.5%;Sr:0.1~5%;不可避免杂质≤0.15%;其余为镁;本发明还公开了一种制备所述高强度镁-铝-锰-锶合金的方法,包括以下步骤:1)按照上述配方选择原材料并在真空感应炉中熔炼合金;2)去除步骤1)所得合金表面的氧化层;3)退火处理步骤2)所得合金;4)挤压加工步骤3)所得合金。本发明镁合金中锶元素增加了合金过冷度,使晶粒细化,锶凝固时在生长界面富集,降低晶粒的生长速度;另外,锶与铝形成Al4Sr相,能抑制晶粒再结晶长大。本发明镁合金价格低廉,制备方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金及其制备方法,特别涉及一种高强度镁-铝-锰-锶系镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金作为最轻的商用金属结构材料,常用镁合金的密度约为铝合金的2/3,钢铁的1/4。与其他金属结构材料相比,镁合金具有比强度、比刚度高了,减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强,易切削加工,易回收等优点,在汽车、电子、电器、交通、航空航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景,是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料,并被称为21世纪的绿色工程材料。
由于受到力学性能、制备条件、价格等因素的制约,现阶段镁合金的应用量远远赶不上钢铁和铝合金。目前商用高强度镁合金主要为Mg-Zn-Zr、Mg-Al–Zn和Mg-Mn系列。Mg-Zn-Zr系合金强度可以达到较高的数值,如ZK60合金的抗拉强度可以达到340MPa,但是Zr元素价格昂贵,限制了该系合金的广泛使用。不含Zr的Mg-Al-Zn和Mg-Mn系合金,典型的如AZ31和MB8合金,虽然价格低廉,但是强度不高,并不能满足工业应用的要求。因此,开发一种新型低成本、高强度镁合金具有非常深远的意义。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种强度高、制备方法简单且成本低廉的镁合金。
本发明公开了一种高强度镁-铝-锰-锶合金,所述合金按质量百分比计由以下组分组成:
Al:1.0~5.0%;
Mn:0.1-1.5%;
Sr:0.1~5%;
不可避免杂质≤0.15%;
其余为镁。
进一步;所述合金按质量百分比计由以下组分组成:
Al:2.94-3.13%;
Mn:0.69-0.72%;
Sr:0.53-1.98%;
不可避免杂质≤0.15%;
其余为镁。
进一步;所述合金按质量百分比计由以下组分组成:
Al:2.97%;
Mn:0.69%;
Sr:1.62%;
不可避免杂质≤0.15%;
其余为镁。
一种制备上述镁-铝-锰-锶合金的方法,包括以下步骤:
1)熔炼:首先按照上述配方选取原材料,然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼并搅拌均匀,最后用水冷方式冷却所得熔液;
2)机加工:去除步骤1)所得合金表面的氧化层并加工至适合挤压机挤压加工尺寸;
3)均匀化处理:加热步骤2)所得合金至380~420℃,并在此温度保温10~24小时进行均匀化退火。
4)挤压加工:加热步骤3)所得合金至330~420℃,然后挤压加工所述合金并空冷冷却。
本发明的有益效果在于:本发明的镁合金通过添加锶元素,显著增强了合金的强度。首先,加入锶元素增大了合金液的过冷度从而使晶粒细化;其次,锶在镁中的固溶度低,凝固时在生长界面前沿富集,影响了晶粒的生长速度,进一步细化晶粒;最后,本发明镁合金中锶与铝形成Al4Sr第二相,在变形过程中能抑制再结晶晶粒长大。本发明镁合金各组分价格低廉,制备工艺简单,成本低。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是对比例1及实施例1-4的X-射线衍射图谱;
图2是对比例1镁合金铸态组织金相照片;
图3是实施例1镁合金铸态组织金相照片;
图4是实施例2镁合金铸态组织金相照片;
图5是实施例3镁合金铸态组织金相照片;
图6是实施例4镁合金铸态组织金相照片;
图7是实施例3镁合金铸态微观组织扫描电子显微镜照片;
图8是实施例4镁合金铸态微观组织扫描电子显微镜照片;
图9是实施例4镁合金挤压态微观组织扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面用具体实施方式对本发明做进一步说明,以下实施例中的百分比均为质量百分比。
实施例1
本实施例中制备高强度镁-铝-锰-锶合金的方法,包括以下步骤:
1)熔炼:首先按照表1实施例1的配方选取原材料,其中原材料为工业纯镁锭、工业纯铝、Mg-5%Mn中间合金和Mg-5%Sr中间合金;然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼,当全部溶化后搅拌2-5分钟,使成分均匀;最后关闭感应炉,取出坩埚并用水冷方式冷却。
2)机加工:车削加工去除步骤1)所得合金表面的氧化层,并且使加工后的镁合金的尺寸适合于挤压机加工;
3)均匀化处理:随炉加热步骤2)所得合金至420℃,并在此温度保温10小时进行均匀化化退火;
4)挤压加工:在挤压机将步骤3)所得合金挤压成棒材并空冷至室温,其中挤压加工时主要工艺参数见表2。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例按照表1实施例2的配方选取原材料。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例按照表1实施例3的配方选取原材料。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例按照表1实施例4的配方选取原材料。
对比例1
本实施例中制备镁合金的方法,包括以下步骤:
1)熔炼:首先按照表1对比例1的配方选取原材料,其中原材料为工业纯镁锭、工业纯铝和Mg-5%Mn中间合金;然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼,当全部溶化后搅拌2-5分钟,使成分均匀;最后关闭感应炉,取出坩埚并用水冷方式冷却。
2)机加工:车削加工去除步骤1)所得合金表面的氧化层,并且使加工后的镁合金的尺寸适合于挤压机加工;
3)均匀化处理:随炉加热步骤2)所得合金至420℃,并在此温度保温10小时进行均匀化化退火;
4)挤压加工:在挤压机将步骤3)所得合金挤压成棒材并空冷至室温,其中挤压加工时主要工艺参数见表2。
表1本发明实施例镁合金化学组成
实施例 | Mg(%) | Al(%) | Mn(%) | Sr(%) | 杂质总量(%) |
实施例1 | 95.50 | 3.11 | 0.71 | 0.53 | 0.15 |
实施例2 | 94.89 | 3.13 | 0.72 | 1.11 | 0.15 |
实施例3 | 94.57 | 2.97 | 0.69 | 1.62 | 0.15 |
实施例4 | 94.22 | 2.94 | 0.71 | 1.98 | 0.15 |
对比例1 | 95.89 | 3.27 | 0.69 | 0 | 0.15 |
表2本发明镁合金挤压加工主要参数
下面结合实验数据对对比例1及实施例1-4的制备方法相同、配比不同的高强度镁-铝-锰-锶合金的性能进行分析。
1、微观组织表征
组织观察的样品其制备过程如下:采用400-1000号碳化硅水磨砂纸磨平表面。
(1)取实施例1-4及对比例1的铸态镁-铝-锰-锶合金样品用X-射线衍射进行物相分析;
图1为实施例1-4及对比例1铸态镁-铝-锰-锶合金的X-射线衍射图谱,从图中可以看到,合金中相组成主要为α-Mg、Al4Sr、Mg17Sr2、Al11Mn14、Mn;其中Al4Sr相所对应的强度值随着锶含量的增加而增大,表明该相含量随着锶含量的增加而增加,而对比例1中Al4Sr相对应的强度值为零,表明不含该相。
(2)取对比例1及实施例1-4的铸态镁-铝-锰-锶合金样品,用金相显微镜进行金相分析。
图2~6分别是对比例1及实施例1-4的铸态镁-铝-锰-锶合金的金相照片,从中可以看出合金中枝晶形貌随着锶的添加量的变化而变化。这是因为锶与基体在枝晶间形成Al4Sr和Mg17Sr2等化合物,使二次枝晶平均间距明显降低。随着锶含量的增加,枝晶间化合物数量增加并变得粗化连续,在高锶含量的合金中,枝晶间化合物呈连续网状分布,可以显著抑制枝晶的生长,改变枝晶的形貌。
(3)、取实施例3的挤压态镁-铝-锰-锶合金样品,用扫描电子显微镜(型号为TESCANVEGAⅡ)进行微观组织形貌分析。
图7是实施例3镁合金铸态微观组织扫描电子显微镜照片,其中右图是左图黑框区域的放大图。采用扫描显微镜及X-射线衍射仪测试分析可知,其中a是Al-Sr化合物Al4Sr,该相大量分布于晶界处,b是Al-Mn化合物Al11Mn14。由于Al4Sr相热稳定性高,并且分布在晶界上,在热加工过程中能够抑制晶粒再结晶长大,显著强化本发明镁-铝-锰-锶合金。
(4)、取实施例4的铸态和挤压态镁-铝-锰-锶合金样品,用扫描电子显微镜(型号为TESCANVEGAⅡ)进行微观组织形貌分析。
图8和图9分别为实施例4的铸态和挤压态镁-铝-锰-锶合金样品的微观组织形貌,可以看出挤压前后化合物的分布变化明显。挤压前枝晶间相呈连续网状分布,挤压后第二相成弥散状均匀分布,挤压加工进一步提高了合金的强度。
2、力学性能测试
根据国标GB228-2002的标准,将实施例1-4及对比例1的挤压态合金样品加工成标准拉伸试样进行拉伸试样,拉伸样品为圆棒状,试样圆棒的轴线方向与材料的挤压流线方向相同,得出本发明所制备的镁合金的力学性能数据(见表3)。
表3本发明镁合金挤压棒材力学性能
实施例 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(Mpa) | 延伸率(%) |
实施例1 | 229 | 349 | 13.2 |
实施例2 | 264 | 355 | 7.1 |
实施例3 | 285 | 379 | 3.5 |
实施例4 | 264 | 379 | 2.9 |
对比例1 | 224 | 323 | 22.5 |
从表3可以看出本发明实施例1-4的镁-铝-锰-锶合金屈服强度和抗拉强度明显高于对比例1没有加锶的镁合金,并且其强度值随着锶元素加入量的增加而增加。
取AZ31、ZM61、ZK60和AM30型镁合金作为本发明对比组,AZ31、ZM61、ZK60和AM30型镁合金力学性能数据(见表4)。
表4对比组镁合金挤压棒材的室温力学性能
合金 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(Mpa) | 延伸率(%) |
AZ31 | 200 | 270 | 12 |
ZM61 | 207 | 303 | 11 |
ZK60 | 230 | 320 | 11 |
AM30 | 210 | 274 | 9.4 |
实施例3 | 285 | 379 | 3.5 |
从表4可以看出本发明的镁合金材料与传统的变形镁合金AZ31相比,抗拉强度和屈服强度分别提高40%和42.5%;与ZM61、AM30合金相比,抗拉强度分别提高25%和38%,屈服强度也提高38%和36%;与目前高强度的商用镁合金ZK60相比,抗拉强度和屈服强度分别提高了18%和24%。
本发明镁合金通过添加锶元素,显著增强了合金的强度。首先,加入锶元素增大了合金液的过冷度从而使晶粒细化;其次,锶在镁中的固溶度低,凝固时在生长界面前沿富集,影响了晶粒的生长速度,进一步细化晶粒;最后,本发明镁合金中锶与铝形成Al4Sr第二相,在变形过程中能抑制再结晶晶粒长大。本发明镁合金各组分价格低廉,制备工艺简单,成本低。
最后,需要指出的是,本实施例只是用于说明本发明而非限制,事实上,当高强度镁-铝-锰-锶合金各组分质量百分含量分别为:Al:1.0~5.0%;Mn:0.1-1.5%;Sr:0.1~5%;不可避免杂质≤0.15%;其余为镁时,合金都具有较好的综合力学性能,仍属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种高强度镁-铝-锰-锶合金,其特征在于:所述合金按质量百分比计由以下组分组成:
Al:2.97%;
Mn:0.69%;
Sr:1.62%;
不可避免杂质≤0.15%;
其余为镁;
所述合金按如下步骤制备:
1)熔炼:首先按照上述配方选取原材料,然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼并搅拌均匀,最后用水冷方式冷却所得熔液;
2)机加工:去除步骤1)所得合金表面的氧化层并加工至适合挤压机挤压加工尺寸;
3)均匀化处理:加热步骤2)所得合金至420℃,并在此温度保温10小时进行均匀化退火;
4)挤压加工:加热步骤3)所得合金至350℃,然后挤压加工所述合金并空冷冷却。
2.一种制备如权利要求1所述高强度镁-铝-锰-锶合金的方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)熔炼:首先按照上述配方选取原材料,然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼并搅拌均匀,最后用水冷方式冷却所得熔液;
2)机加工:去除步骤1)所得合金表面的氧化层并加工至适合挤压机挤压加工尺寸;
3)均匀化处理:加热步骤2)所得合金至420℃,并在此温度保温10小时进行均匀化退火;
4)挤压加工:加热步骤3)所得合金至350℃,然后挤压加工所述合金并空冷冷却。
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