CN104046869B

CN104046869B - 一种镁锂硅合金的制备方法

Info

Publication number: CN104046869B
Application number: CN201410317233.4A
Authority: CN
Inventors: 彭晓东; 刘军威; 麻毅; 谢卫东; 陈德顺
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-07-04
Also published as: CN104046869A

Abstract

本发明提供一种镁锂硅合金及其制备方法，其主要由Li 7～9 wt%、Si 0.1～3.0 wt%、Al 1～6 wt%，其余为Mg和不可避免的杂质组成，镁锂硅合金还包括RE 1～5 wt%和/或Sr 0.5～2.0 wt%。本发明所涉及的超轻高强耐热镁合金由α相和β相组成，加入的Si形成Mg₂Si及（RExSiy）高熔点硬质相，弥散的分布在α相、β相的内部及界面上，有效的提高合金的抗高温蠕变性能。本发明制备方法，利用无溶剂熔化方法和用于对所获得的铸造材料的加工和热处理的条件下，将Al‑Sr、Mg‑Si、Mg‑Re中间合金的形式添加到镁合金熔体中。

Description

一种镁锂硅合金的制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金材料技术领域，具体涉及一种镁锂硅合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前应用的最轻的金属结构材料，具有高比强度、比刚度，良好的导热、导电剂电磁屏蔽性能，在汽车、家电、通信、航空航天等领域有着广阔的应用前景。采用锂对镁合金进行合金化能进一步降低镁合金密度的同时提高密排六方镁合金的塑性。当Mg-Li合金中Li的含量低于5.5wt%时，其组织为Li固溶于Mg晶格中形成α-Mg固溶体；当Li的含量在5.5wt%-11.5wt%时，其主要组成相位hcp结构的α-Mg相和bcc结构的β-Li相；当Li的含量高于11.5wt%时，合金则完全由β-Li相组成。双相组织（α-Mg+β-Li）合金时与单相镁合金相比有效降低合金密度的同时提高合金塑性。

但由于镁锂合金的强度较低、时效稳定性和耐腐蚀性差制约了镁锂合金的发展。加入合金元素是提高镁锂合金性能的常用方法。CN101403064A公开“一种添加Ag增强的镁锂合金”，添加了Ag、Zn对合金进行强化，制备的双相镁锂合金具有较高强度、优异的塑性及耐高温性能，但Ag价格较高，且Ag、Zn密度大，加入后使合金的密度增大；CN101121981A公开“一种高强度的镁锂合金”，添加了Al、Zn、Ce合金进行强化，制备的α-Mg单相镁锂合金具有较高强度，但其Li含量在7 wt%以下，且加入了一定量的Zn，对于合金的密度降低效果不明显，即使Li含量在5.5 wt%- 7 wt%时，密排六方结构的α-Mg相占合金相组成的绝大多数，致使合金塑性较差；CN1605650A公开“一种含镁锂合金材料及其制备方法”，中加入Al、Zn、Zr、RE等作为合金元素，制备了具有较高强度和较低密度的镁锂合金，但其Li含量高于11wt%，这势必会增加合金的成本，而且造成合金耐腐蚀性及热稳定性的急剧下降。

在合金中加入的Si形成Mg₂Si及Si与RE同时添加时形成（RE_xSi_y）高熔点硬质相，弥散的分布在α相、β相的内部及界面上，有效的提高合金的强度、硬度及抗高温蠕变性能。由于Si的熔点高，熔炼时间长，而Li容易被氧化，即使在真空环境下Li也容易升华而降低合金中Li的含量，造成Li元素的损失。采用Mg-Si中间合金的形式向Mg-Li金熔体添加Si元素可有效降低Si元素的扩散到合金熔体中的温度及溶解时间。

尽管国内外学者对镁锂合金的研究做了大量工作，但是添加Si来增强镁锂合金性能的文献，目前尚未见到报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种保持超轻高强的基础上，提高合金时效稳定性、耐高温性能的一种添加Si增强的镁锂合金。

本发明还提供所述镁锂硅合金的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：一种镁锂硅合金，其特征在于，主要成分包括：Li 7～9 wt.%、Si 0.5～3.0 wt.%、Al 1～6 wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质。

进一步，还包括RE 1～5 wt.%。

进一步，还包括Sr 0.5～2.0 wt.%；其中，Al的含量为Sr的3-4倍，形成Al₄Sr高温相。

本发明还提供一种镁锂硅合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）按上述配方称取原料，然后一起放置在真空感应熔炼炉的熔炼坩埚内；

2）熔炼在真空感应熔炼炉中进行，原材料放置后迅速密封真空炉并将将炉内抽至真空状态，再冲入氩气作为保护气体，然后加热至740±10℃熔炼25～40分钟，在690±10℃保温50～70分钟进行；

3）熔炼后的熔体浇铸在金属模具中，得到铸态合金；

4）所得到的铸态合金在300±10℃下进行均匀化处理2～6小时，然后将均匀化处理后的合金在280±10℃进行挤压加工，得到挤压变形态合金。

进一步，步骤2）的步骤为，熔炼可在密封性能较好的电阻炉中进行，熔炼前先将电阻炉加热腔内充满均匀混合、干燥的体积比为Ar ：SF₆=60%：40%的混合保护气，将纯镁、Mg-Si中间合金、Al-Sr中间合金、Mg-RE中间合金放置在熔炼坩埚内，电炉通电加热至合金熔化，去除合金液面上的浮渣，将电炉温度控制在740±10℃左右保温半小时左右，熔炼过程中不断通入均匀混合、干燥的体积比为Ar ：SF₆=60%：40%的混合保护气；

步骤3）的步骤为：将纯锂取出放置在钟罩内迅速压入合金液中缓慢搅拌至纯锂熔化，在690±10℃温度下精炼1小时左右后将熔体浇铸在金属模具中，得到铸态合金；

最后，在120～140℃下对变形合金进行18～24小时的时效处理。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明将Si加入镁锂合金中形成Mg₂Si低密度高熔点硬质相，弥散的分布在α相、β相的内部及界面上，在合金受力变形时钉扎在合金 α相、β相的内部及界面上有效降低合金内部的相界、晶界的相对滑动，提高合金的变形抗力及高温稳定性。同时Li含量在7～9wt%之间时使合金处于α + β双相区，以及合金元素的加入使得合金在保持较高强度的基础上稍微提升合金的密度，生产出低成本的耐热高强镁锂合金。

2、本发明制备方法，利用无溶剂熔化方法和用于对所获得的铸造材料的加工和热处理的条件下，将Al- Sr 、Mg-Si、Mg-Re以中间合金的形式添加到镁合金熔体中，具有添加元素分布均匀的特点。本发明利用无溶剂熔炼技术生产的合金铸锭的优点是防止金属在熔炼过程中氧化的同时获得组织纯净铸锭，排除熔剂熔炼法可能夹入的杂质元素及溶剂本身分与金属熔体离不彻底。

3、采用本发明方法制成的新型镁锂硅合金，其机械性能为：室温下抗拉强度为250～290MPa，屈服强度：180～235MPa，延伸率为：10～23%，密度在1.40～1.60g/cm³；在150℃下，抗拉强度：118～150 MPa，屈服强度：83～103MPa，延伸率为：20～40%。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和效果对本发明作进一步详细的说明。本发明合金由纯镁、纯锂、纯铝、镁硅中间合金熔炼而成，其纯度均在99.9%以上。所述的Re元素以Mg- Re中间合金的形式加入。

实施例1：

一种镁锂硅合金，其成分以及重量百分比为：Li：8%、Al：3%、Si：1%，余量为Mg。采用如下方法制备而成：

1）熔炼在真空感应熔炼炉中进行。熔炼前先将各种原材料密封在真空炉中之后迅速将炉内抽至真空状态，再冲入保护气体氩气，然后在740±10℃温度下熔炼30分钟，在690±10℃保温1小时，整个熔炼过程在氩气保护状态下；熔炼后的熔体浇铸在金属模具中，得到铸态合金。

2）所得到的铸态合金在300±10℃下进行均匀化处理2～4小时，然后将均匀化处理后的合金在280±10℃进行挤压加工，得到挤压变形态合金。

变形态的合金在电子万能试验机上进行力学性能测试，有阿基米德法测试合金的密度。

所得的镁锂合金在室温下，抗拉强度为：251 MPa，屈服强度195 MPa，延伸率为：13%，密度为1.43 g/cm³，150℃下，抗拉强度为：118 MPa，屈服强度为：88 MPa，延伸率：34%。

实施例2：

一种镁锂硅合金，其成分以及重量百分比：Li：8%、Al：3%、Si：1.5%，余量为Mg。采用如下方法制备而成：

2）所得到的铸态合金在300±10℃下进行均匀化处理2～4小时，然后将均匀化处理后的合金在280±10℃进行挤压加工，得到变形态合金。

所得的镁锂合金在室温下，抗拉强度为：260 MPa，屈服强度203 MPa，延伸率为：12.1%，密度为1.45 g/cm³，150℃下，抗拉强度为：123 MPa，屈服强度为：93 MPa，延伸率：24%。

实施例3：

一种镁锂硅合金，其成分以及重量百分比：Li：8%、Al：3%、Si：1.0%、Y：1%，余量为Mg。采用如下方法制备而成：

所得的镁锂合金在室温下，抗拉强度为：268 MPa，屈服强度212 MPa，延伸率为：14%，密度为1.49 g/cm³，150℃下，抗拉强度为：120 MPa，屈服强度为：95 MPa，延伸率：28%。

实施例4：

一种镁锂硅合金，其成分以及重量百分比：Li：8%、Al：3%、Si：1.0%、Sr：0.8%，余量为Mg。采用如下方法制备而成：

所得的镁锂合金在室温下，抗拉强度为：276 MPa，屈服强度221 MPa，延伸率为：11.7%，密度为1.47 g/cm³，150℃下，抗拉强度为：127 MPa，屈服强度为： 97 MPa，延伸率：25%。

实施例5：

一种镁锂硅合金，其成分以及重量百分比：Li：8%、Al：3%、Si：1.0%、Sr：0.6%、 Y：1%，余量为Mg。采用如下方法制备而成：

所得的镁锂合金在室温下，抗拉强度为：287 MPa，屈服强度226 MPa，延伸率为：13%，密度为1.49 g/cm³，150℃下，抗拉强度为：131 MPa，屈服强度为：98 MPa，延伸率：27%。

实施例6：

一种镁锂硅合金，其成分以及重量百分比：Li：7%、Al：6%、Si：2.0%、Sr：1.5%、 Y：1%，余量为Mg。采用如下方法制备而成：

所得的镁锂合金在室温下，抗拉强度为：290 MPa，屈服强度231 MPa，延伸率为：11.3%，密度为1.59 g/cm³，150℃下，抗拉强度为：137 MPa，屈服强度为：100 MPa，延伸率：25%。

实施例7：

一种镁锂硅合金，其成分以及重量百分比：Li：9%、Al：4%、Si：3.0%、Sr：0.6%、 Y：4%，余量为Mg。采用如下方法制备而成：

所得的镁锂合金在室温下，抗拉强度为：279 MPa，屈服强度228 MPa，延伸率为：11.5%，密度为1.58 g/cm³，150℃下，抗拉强度为：150 MPa，屈服强度为：103MPa，延伸率：23.8%。

实施例8：

一种镁锂硅合金，其成分以及重量百分比：Li：9%、Al：2%、Si：1.2%、Sr：0.6%、 Y：1%，余量为Mg。采用如下方法制备而成：

所得的镁锂合金在室温下，抗拉强度为：266 MPa，屈服强度211 MPa，延伸率为：14.3%，密度为1.41 g/cm³，150℃下，抗拉强度为：141 MPa，屈服强度为：98 MPa，延伸率：27%。

实施例 9：

一种镁锂硅合金，其成分以及重量百分比：Li：8%、Al：3%、Si：0.8%、Sr：1%、 Y：1%，余量为Mg。采用如下方法制备而成：

1）熔炼在密封性能较好的电阻炉中进行，熔炼前先将电阻炉加热腔内充满均匀混合、干燥的体积比为Ar ：SF₆=60%：40%的混合保护气，将称量好的纯镁、Mg-Si中间合金、Al-Sr中间合金、Mg-RE中间合金放置在熔炼坩埚内，电炉通电加热至合金熔化，去除合金液面上的浮渣，将电炉温度控制在740±10℃左右保温1小时，熔炼过程中不断通入均匀混合、干燥的体积比为Ar ：SF₆=60%：40%的混合保护气；

2）将纯锂取出放置在钟罩内迅速压入合金液中缓慢搅拌至纯锂熔化，在690±10℃温度下精炼半小时后将熔体浇铸在金属模具中，得到铸态合金；

3）在320±10℃对铸态合金进行2～4小时均匀化处理，使铸态合金形成坯料；

4）在280±10℃下对坯料进行1～2小时的预加热；并且对坯料进行挤压加工，从而形成挤压变形合金；

5）在120~140℃下对变形合金进行18～24小时的时效处理。

所得的镁锂合金在室温下，抗拉强度为：268 MPa，屈服强度197 MPa，延伸率为：10.8%，密度为1.49 g/cm³，150℃下，抗拉强度为：128 MPa，屈服强度为：83 MPa，延伸率：27%。

具体实施例及测试效果由表1可以看出，该镁合金材料在室温条件下，抗拉强度大于200MPa，屈服强度大于180MPa，延伸率大于10%。本发明镁合金为超轻高强镁合金。可以用作为电子产品、航空航天、汽车等的轻质结构材料。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种镁锂硅合金的制备方法，其特征在于，采用如下步骤：

1）按配方准备原料，熔炼在真空感应熔炼炉中进行；熔炼前先将各种原材料密封在真空炉中之后迅速将炉内抽至真空状态，再冲入保护气体氩气，然后在740±10℃温度下熔炼30分钟，在690±10℃保温1小时，整个熔炼过程在氩气保护状态下；熔炼后的熔体浇铸在金属模具中，得到铸态合金；

其中配方的重量比为：Li：8%、Al：3%、Si：1.0%、Sr：0.6%、 Y：1%，余量为Mg；

2）所得到的铸态合金在300±10℃下进行均匀化处理2～4小时，然后将均匀化处理后的合金在280±10℃进行挤压加工，得到变形态合金；

变形态的合金在电子万能试验机上进行力学性能测试，有阿基米德法测试合金的密度；

硅元素的加入是以Mg-8～15 wt% Si中间合金的形式加入。