CN103849798A - 一种高强度铸造镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有色金属领域，主要涉及一种高强度铸造镁合金及其制备方法，其中镁合金的化学组成及质量百分比为：Al：4~8wt%，Zn:5~9wt%，Sn:0~2wt%，Sr：0~0.5wt%，Ca:0~2wt%，杂质元素Si≤0.02，Fe≤0.003，Ni≤0.003，Cu≤0.003，余量为Mg。具有优良的耐冲击性能，可广泛应用于制备汽车前端等需要耐冲击的部件。
Description
技术领域
本发明属于有色金属领域，特别涉及一种新型高强度耐冲击镁合金及其制备技术。
背景技术
镁及其合金是迄今在工业中应用的最轻的金属结构材料，具有重量轻、密度小、强度高、刚性好、压铸性能好、降低噪音、电磁屏蔽性和减震性好、可循环利用等特性。被材料专家誉为本世纪最具有开发和应用潜力的绿色工程材料。由轿车运动阻力方程可知，大约油耗的75%与汽车整车质量有关，滚动阻力对油耗贡献约35%，加速阻力和爬坡阻力对油耗贡献约40%，空气阻力对油耗的贡献仅为25%，空气阻力与汽车整备质量并无关联。可见，降低整车质量是降低车的油耗的十分重要的措施。由于镁的比重只有1.74kg/cm3，比铝（2.7kg/cm3）轻三分之一，因此扩大镁合金在汽车上的应用是汽车轻量化的重要途径。值得重视的是，虽然我国目前在镁工业方面拥有“资源第一、产量第一、出口量第一”的三项“世界冠军”，可是受到现有镁合金性能的约束，镁合金在汽车上的用量（平均3Kg）远没有达到人们期待的水平。镁合金在汽车上的应用主要是那些室温下强韧性要求不高且易于压铸成形的非结构件（如壳类件），而这些零件在整车中所占重量比是十分有限的。基于德国大众公司等预测，今后每台车上可达到用镁合金185公斤的目标，这就要求必须实现结构件(包括发动机支架、方向盘骨架、转向柱支架、座椅骨架、轮毂等部件)的镁合金化，由此对镁合金的性能也提出了更高要求。针对这些零件，除了要满足成形性要求外，更重要的是材料要具有高强韧性，能减震并达到零件受冲击时不会轻易断裂。可是，现有的镁合金其强韧性都不能完全满足其技术要求，且现有的AZ及AM系变形镁合金由于其强烈的各向异性及拉压不对称性，限制了其在耐冲击部件方面的应用。这使得镁合金在汽车上的用量和应用水平都受到了较大的限制，因此能否开发出新型的高性能镁合金，将是对镁合金扩大用量和提升技术水平的一项严峻的挑战。
本发明致力于研究一种新型高强度耐冲击铸造镁合金，使其具有优良的耐冲击性能，可应用于制备汽车前端等需要耐冲击的部件。
发明内容
发明目的：
本发明是一种高强度耐冲击铸造镁合金及其制备方法，其目的在于通过在镁熔体中添加Al、Zn、Mn、Sn、Sr和Ca等元素，使其强度及韧性提高，从而提高其耐冲击性能的方法研制出一种高强度的耐冲击铸造镁合金。
技术方案：
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种高强度铸造镁合金，其特征在于：镁合金的化学组成及质量百分比为：Al：4~8wt%，Zn: 5~9wt%，Sn: 0~2wt%，Sr：0~0.5wt%，Ca: 0~2wt%，杂质元素Si≤0.02，Fe≤0.003，Ni≤0.003，Cu≤0.003，余量为Mg。
合金的化学组成中Sn+Ca≤3wt%。
一种如上所述高强度铸造镁合金的制备方法，其特征在于：按上述比例配料，其熔炼及浇注过程如下：
（1）将坩埚预热至300℃，通入体积分数为（0.6%的SF6+99.4的N2）混合保护气体，将事先称量好并经过预热的的纯镁放入坩埚，调节温度至690℃，待其完全熔化后升温到 720℃；
（2）加入经过200℃预热的纯Al，纯Zn，纯Sn；
（3）加入经过200℃预热的Mg-30%Ca中间合金和Al-90%Sr中间合金；
（4）待合金全部融化后，进行机械搅拌，使合金充分熔化及均匀化；
（5）采用超声搅拌100s，细化晶粒；
（6）保温20min，断电浇铸至经过200℃预热的不锈钢模具中，得到高强度铸造镁合金；
整个熔炼过程要严格控制炉温且在保护气体中进行，避免氧化。
合金在铸造之后需要固溶+时效处理。
合金的固溶温度为380℃，固溶时间为8-12小时。
合金在固溶之后需要时效，时效温度为180℃，固溶时间为10-15小时。
优点及效果：
本发明是一种高强度铸造镁合金及其制备方法，具有如下优点：
镁合金室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为220~250MPa、120~140 MPa、6~9%。
本发明合金的热处理在很大程度上影响合金的力学性能。本发明的合金经过固溶+时效处理之后力学性能得到了进一步提高。
本发明的热处理步骤为：将铸态合金在380℃固溶8-12小时，然后在180℃时效10-15小时。
本发明的合金经过固溶+时效处理之后的力学性能为：抗拉强度≥260MPa，屈服强度≥140MPa，延伸率≥7%。
具体实施方式：
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的限制。
本发明提出了一种高强度铸造镁合金，其特征在于：镁合金的化学组成及质量百分比为：Al：4~8wt%，Zn: 5~9wt%，Sn: 0~2wt%，Sr：0~0.5wt%，Ca: 0~2wt%，杂质元素Si≤0.02，Fe≤0.003，Ni≤0.003，Cu≤0.003，余量为Mg。
合金的化学组成中含有Sn或Ca元素，或者Sn和Ca都有，且Sn+Ca≤3wt%。
一种如上所述高强度铸造镁合金的制备方法，其特征在于：按上述比例配料，其熔炼及浇注过程如下：
（1）将坩埚预热至300℃，通入体积分数为（0.6%的SF6+99.4的N2）混合保护气体，将事先称量好并经过预热的的纯镁放入坩埚，调节温度至690℃，待其完全熔化后升温到 720℃；
（2）加入经过200℃预热的纯Al，纯Zn，纯Sn；
（3）加入经过200℃预热的Mg-30%Ca（重量百分比）中间合金和Al-90%Sr（重量百分比）中间合金；
（4）待合金全部融化后，进行机械搅拌，使合金充分熔化及均匀化；
（5）采用超声搅拌100s，目的是细化晶粒；
（6）保温20min，断电浇铸至经过200℃预热的不锈钢模具中，得到高强度铸造镁合金；
整个熔炼过程要严格控制炉温且在保护气体中进行，避免氧化。
合金在铸造之后需要固溶+时效处理，经过固溶+时效处理之后的力学性能得到了进一步提高：抗拉强度≥260MPa，屈服强度≥140MPa，延伸率≥7%。
合金的固溶温度为380℃，固溶时间为8-12小时。
合金在固溶之后需要时效，时效温度为180℃，固溶时间为10-15小时。
实施例1
将坩埚预热至300℃，通入体积分数为（0.6%的SF6+99.4的N2）混合保护气体，将事先称量好并经过预热的的纯镁放入坩埚，调节温度至690℃，待其完全熔化后升温到 720℃。加入经过200℃预热的纯Al，纯Zn，纯Sn。加入经过200℃预热的Mg-30%Ca（重量百分比）中间合金和Al-90%Sr（重量百分比）中间合金。待合金全部融化后，进行机械搅拌，使合金充分熔化及均匀化。采用超声搅拌100s，目的是细化晶粒。保温20min，断电浇铸至经过200℃预热的不锈钢模具中，得到高强度铸造镁合金。
整个熔炼过程要严格控制炉温且在保护气体中进行，避免氧化。
获得的铸件成分如下表所示（按质量百分比）：
| Al Zn Sn Ca Sr Mg |
| 5.5 5.2 1.2 1.7 0.3 余量 |
将铸态试样在380℃固溶处理10小时之后在180℃时效出来10小时。铸态以及经过固溶和时效之后试样的力学性能如下表所示：
| 热处理状态 屈服强度（Mpa） 抗拉强度（Mpa） 延伸率(%) |
| 铸态 221 120 6.5 |
| 固溶+时效 265 150 7 |
实施例2
将坩埚预热至300℃，通入体积分数为（0.6%的SF6+99.4的N2）混合保护气体，将事先称量好并经过预热的的纯镁放入坩埚，调节温度至690℃，待其完全熔化后升温到 720℃。加入经过200℃预热的纯Al，纯Zn，纯Sn。加入经过200℃预热的Mg-30%Ca（重量百分比）中间合金和Al-90%Sr（重量百分比）中间合金。待合金全部融化后，进行机械搅拌，使合金充分熔化及均匀化。采用超声搅拌100s，目的是细化晶粒。保温20min，断电浇铸至经过200℃预热的不锈钢模具中，得到高强度铸造镁合金。
整个熔炼过程要严格控制炉温且在保护气体中进行，避免氧化。
获得的铸件成分如下表所示（按质量百分比）：
| Al Zn Sn Ca Sr Mg |
| 7.2 5.6 1.7 1.3 0.4 余量 |
将铸态试样在380℃固溶处理8小时之后在180℃时效出来12小时。铸态试样以及铸态经过固溶和时效之后力学性能如下表所示：
| 热处理状态 屈服强度（Mpa） 抗拉强度（Mpa） 延伸率(%) |
| 铸态 231 125 8.1 |
| 固溶+时效 275 152 7.3 |
实施例3
将坩埚预热至300℃，通入体积分数为（0.6%的SF6+99.4的N2）混合保护气体，将事先称量好并经过预热的的纯镁放入坩埚，调节温度至690℃，待其完全熔化后升温到 720℃。加入经过200℃预热的纯Al，纯Zn，纯Sn。加入经过200℃预热的Mg-30%Ca（重量百分比）中间合金和Al-90%Sr（重量百分比）中间合金。待合金全部融化后，进行机械搅拌，使合金充分熔化及均匀化。采用超声搅拌100s，目的是细化晶粒。保温20min，断电浇铸至经过200℃预热的不锈钢模具中，得到高强度铸造镁合金。
整个熔炼过程要严格控制炉温且在保护气体中进行，避免氧化。
获得的铸件成分如下表所示（按质量百分比）：
| Al Zn Sn Ca Sr Mg |
| 6.3 6.4 2.0 0.8 0.5 余量 |
将铸态试样在380℃固溶处理12小时之后在180℃时效出来15小时。铸态试样以及铸态经过固溶和时效之后力学性能如下表所示：
| 热处理状态 屈服强度（Mpa） 抗拉强度（Mpa） 延伸率(%) |
| 铸态 245 130 7.0 |
| 固溶+时效 271 148 7.2 |
实施例4
加入经过200℃预热的纯Al，纯Zn，其它条件同实施例3。
，获得的铸件成分如下表所示（按质量百分比）：
| Al Zn Sn Ca Sr Mg |
| 4.0 5.0 0 2.0 0.1 余量 |
实施例5
加入经过200℃预热的纯Al，纯Zn，纯Sn，其它条件同实施例2。
获得的铸件成分如下表所示（按质量百分比）：
| Al Zn Sn Ca Sr Mg |
| 8.0 9.0 1.0 1.0 0.2 余量 |
结论：
本发明提出了一种新型高强度铸造镁合金及其制备方法，通过在镁熔体中添加Al、Zn、Mn、Sn、Sr和Ca等元素，使其强度及韧性提高，从而提高其耐冲击性能，可应用于制备汽车前端等需要耐冲击的部件。
Claims (6)
1.一种高强度铸造镁合金，其特征在于：镁合金的化学组成及质量百分比为：Al：4~8wt%，Zn: 5~9wt%，Sn: 0~2wt%，Sr：0~0.5wt%，Ca: 0~2wt%，杂质元素Si≤0.02，Fe≤0.003，Ni≤0.003，Cu≤0.003，余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种高强度铸造镁合金，其特征在于：合金的化学组成中Sn+Ca≤3wt%。
3.一种如权利要求1所述高强度铸造镁合金的制备方法，其特征在于：按上述比例配料，其熔炼及浇注过程如下：
（1）将坩埚预热至300℃，通入体积分数为（0.6%的SF6+99.4的N2）混合保护气体，将事先称量好并经过预热的的纯镁放入坩埚，调节温度至690℃，待其完全熔化后升温到 720℃；
（2）加入经过200℃预热的纯Al，纯Zn，纯Sn；
（3）加入经过200℃预热的Mg-30%Ca中间合金和Al-90%Sr中间合金；
（4）待合金全部融化后，进行机械搅拌，使合金充分熔化及均匀化；
（5）采用超声搅拌100s，细化晶粒；
（6）保温20min，断电浇铸至经过200℃预热的不锈钢模具中，得到高强度铸造镁合金；
整个熔炼过程要严格控制炉温且在保护气体中进行，避免氧化。
4.根据权利要求3所述的一种高强度铸造镁合金的制备方法，其特征在于：合金在铸造之后需要固溶+时效处理。
5.根据权利要求4所述的一种高强度铸造镁合金的制备方法，其特征在于：合金的固溶温度为380℃，固溶时间为8-12小时。
6.根据权利要求3或4所述的一种高强度铸造镁合金的制备方法，其特征在于：合金在固溶之后需要时效，时效温度为180℃，固溶时间为10-15小时。
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