CN105385920A - 一种热处理强化高强度铸造镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种热处理强化高强度铸造镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热处理强化高强度铸造镁合金及其制备方法，合金各组分及其重量百分比为：Zn：8.0-10.0，Al:1.0-5.0，Sn:1.0-5.0，Cu:0.1-1.0，Mn:0.3-0.8，Ca：0.3-0.5，其余为Mg和不可避免的杂质元素。所述的高强度铸造镁合金，在室温拉伸测试下，合金抗拉强度达到320-350MPa，屈服强度达到220-260MPa。本发明镁合金的热处理工艺：在330-380℃固溶处理4-8小时，空冷，之后在150-220℃时效8-16小时，得到高强度铸造镁合金。合金热处理工艺简单易于实现，时效处理可以在合金组织中形成大量的纳米级别的强化相，可以显著提高合金强度。合金中不含有稀土等贵重金属，为一种低成本适用性广泛的合金体系。

Description

一种热处理强化高强度铸造镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料镁合金领域，特别涉及一种热处理强化高强度铸造镁合金及其制备方法。
背景技术
作为目前实际应用中最轻的金属结构材料，镁合金具有许多优良性能，如密度小、比强度和比刚度高以及良好的电磁屏蔽与减震性能，被人们誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”，面对全球性的能源危机和环境污染问题，镁合金在许多工业领域中呈现良好的发展前景。
目前，在现有应用的镁合金部件中，80％以上通过铸造成型，主要应用领域为汽车工业。目前使用量较大的商业镁合金牌号主要有AM60、AZ91D、ZK61、AS31及AE42等，主要用于制备汽车方向盘、仪表盘和变速箱壳体等对强度要求不高的普通部件。然而，随着汽车部件领域轻量化需求的不断提高，减震塔、转向架等汽车承重结构件也需要通过使用镁合金材料来降低重量。而目前使用的商业铸造镁合金的强度较低，屈服强度低于200MPa，不足以满足承重件的强度要求。因此，开发具有高强度的铸造镁合金及其制备技术是目前的热点。
镁合金强度的提高主要通过合金晶粒细化、固溶强化和时效析出强化。目前新开发的高强度铸造镁合金主要是通过添加稀土元素后产生的固溶和时效强化效果来提高合金性能，主要有Mg-Zn-Y-Nd-Zr系列和Mg-Gd-Y-Zn-Zr系列，此类铸造合金热处理强化后抗拉强度可以达到300MPa，屈服强度可以达到200MPa。但是该类合金含有大量稀土元素，成本极高，主要应用于航空航天和军工领域。
因此有必要开发低成本高强度的铸造镁合金对拓展镁合金的应用领域具有重要的意义和必要性。
发明内容
本发明提供一种高强度铸造镁合金及其制备方法，解决目前铸造镁合金强度较低的问题，所述镁合金为高强度铸造镁合金，通过铸造成型和热处理工艺获得优异的力学性能。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种高强度铸造镁合金，合金各组分及其重量百分比为：Zn：8.0-10.0％，Al:1.0-5.0％，Sn:1.0-5.0％，Cu:0.1-1.0％，Mn:0.3-0.8％，Ca：0.3-0.5％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
优选的，合金各组分及其重量百分比为：Zn：8.0-9.0％，Al:1.0-3.0％，Sn:1.0-3.0％，Cu:0.1-0.5％，Mn:0.3-0.6％，Ca：0.3-0.4％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
优选的，合金各组分及其重量百分比为：Zn：9.0-10.0％，Al:3.0-5.0％，Sn:3.0-5.0％，Cu:0.5-1.0％，Mn:0.6-0.8％，Ca：0.4-0.5％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
优选的，所述的高强度铸造镁合金，锰以镁锰中间合金的形式加入，钙以镁钙中间合金的形式加入，锌、铝、锡和铜以纯锌、纯铝、纯锡、纯铜的形式加入。
优选的，所述的高强度铸造镁合金，在室温拉伸测试下，合金抗拉强度≥320MPa，屈服强度≥220MPa。
本发明还提供了上述的高强度铸造镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)先将纯镁在150-200℃预热20-30分钟，并烘干；
(2)将纯镁在气体保护下熔化，熔化后待熔体温度为700-720℃时，向熔体中加入锌、铝、锡、铜和锰，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至730-750℃，在730-750℃保温20-30分钟后降温至680-730℃；
(3)在气体保护下进行铸造成型。
(4)将步骤(3)得到的合金在在330-380℃固溶处理6-12小时，空冷，之后在150-220℃时效8-16小时，得到高强度铸造镁合金。
优选的，所述的高强度铸造镁合金的制备方法，铸造成型时，铸造方法采用压铸、金属型、砂型铸造或者半连续铸造。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种制备工艺简单、低成本、易于推广使用的可以应用于汽车部件的高强度铸造镁合金合金及其制备方法。
1、所述的高强度铸造镁合金，在室温拉伸测试下，合金抗拉强度达到320-350MPa，屈服强度达到220-260MPa。
2、所述的高强度镁合金中Zn元素含量为8-12％，Zn含量超过8％后，对压铸、金属型等冷速较高的铸造工艺，合金的热烈性能降低，达到可应用水平；在合金时效过程中Zn元素在镁基体中会形成Mg-Zn强化相，具有显著的时效强化效果，高含量的Zn确保了在时效过程中大量强化相的析出，对合金强度的提升具有重要作用。Al元素的加入可以对合金起到固溶强化的作用和提高合金熔体流动性的效果；合金中Sn元素具有晶粒细化、固溶强化及时效强化的作用，同时可以有效的降低合金由于高Zn含量带来的热烈性的影响；Cu元素可以在合金时效过程中形成GP区，增强合金时效强化的能力；Mn元素在合金熔体中与Fe元素形成沉淀相，提高合金耐蚀性能；Ca元素在合金熔炼和铸造过程中可以有效的提高合金的燃点和耐氧化能力，减少组织中氧化夹杂物含量，提高合金纯净度，同时具有晶粒细化的作用。
3、本发明镁合金的热处理工艺：在330-380℃固溶处理4-8小时，空冷，之后在150-220℃时效8-16小时，得到高强度铸造镁合金。合金热处理工艺简单易于实现，时效处理可以在合金组织中形成大量的纳米级别的强化相，可以显著提高合金强度。
4、合金中不含有稀土等贵重金属，为一种低成本适用性广泛的合金体系。
附图说明
图1为实施例1中合金显微组织照片；
图2为实施例2中合金拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
合金成分(重量分数)为：8.0％Zn，3.0％Al，2.0％Sn，1.0％Cu，0.5％Mn，0.5％Ca，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
(1)先将纯镁、纯锌、纯铝、纯锡和镁锰中间合金在100-150℃预热20-30分钟，并烘干；
(2)将纯镁在气体保护下熔化，熔化后待熔体温度为700-720℃时，向熔体中加入纯锌、纯铝、纯锡和镁锰中间合金，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至730-750℃保温20-30分钟，后降温至680-730℃；
(3)在气体保护下将熔体平稳浇注入金属型铸造成型，得到铸锭。
(4)将步骤(3)得到的合金在在360℃固溶处理12小时，空冷，之后在200℃时效16小时，得到高强度铸造镁合金。
得到的Mg-8Zn-3Al-2Sn-1Cu-0.5Mn-0.5Ca合金抗拉强度为336.5MPa，屈服强度为223.8MPa。
如图1所示，从本实例制得的Mg-8Zn-3Al-2Sn-1Cu-0.5Mn-0.5Ca合金铸态显微组织照片，可以看出，合金在铸态下，组织中存在大量的块状和网格状的第二相。
入图2所示，从本实例制得的Mg-8Zn-3Al-1Sn-1Cu-0.5Mn-0.5Ca合金在时效处理后的拉伸应力应变曲线，可以看出该合金试样的抗拉强度为336.5MPa，屈服强度为223.8MPa。
实施例2：
合金成分(重量分数)为：10.0％Zn，1.0％Al，1.0％Sn，0.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Ca，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
(1)先将纯镁、纯锌、纯铝、纯锡和镁锰中间合金在100-150℃预热20-30分钟，并烘干；
(2)将纯镁在气体保护下熔化，熔化后待熔体温度为700-720℃时，向熔体中加入纯锌、纯铝、纯锡和镁锰中间合金，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至730-750℃保温20-30分钟，后降温至680-730℃；
(3)在气体保护下将熔体平稳浇注入金属型铸造成型，得到铸锭。
(4)将步骤(3)得到的合金在在380℃固溶处理10小时，空冷，之后在175℃时效16小时，得到高强度铸造镁合金。
得到的Mg-10Zn-1Al-1Sn-0.5Cu-0.5Mn-0.5Ca合金抗拉强度为331.5MPa，屈服强度为241.5MPa。
实施例3：
合金成分(重量分数)为：9.0％Zn，1.0％Al，3.0％Sn，0.5％Cu，0.5％Mn，0.3％Ca，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
(1)先将纯镁、纯锌、纯铝、纯锡和镁锰中间合金在100-150℃预热20-30分钟，并烘干；
(2)将纯镁在气体保护下熔化，熔化后待熔体温度为700-720℃时，向熔体中加入纯锌、纯铝、纯锡和镁锰中间合金，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至730-750℃保温20-30分钟，后降温至680-730℃；
(3)在气体保护下将熔体平稳浇注入金属型铸造成型，得到铸锭。
(4)将步骤(3)得到的合金在在360℃固溶处理12小时，空冷，之后在200℃时效16小时，得到高强度铸造镁合金。
得到的Mg-9Zn-1Al-3Sn-0.5Cu-0.5Mn-0.3Ca合金抗拉强度为326.5MPa，屈服强度为221.2MPa。
实施例4
例采用实施例1的镁合金半连续铸造坯料(规格为：Φ210mm，长度大于5000mm)，挤压后板材规格为：宽150mm，厚20mm，长度为3000mm，挤压筒内径为205mm。
首先将镁合金坯料进行455℃/5h+545℃/15h的均匀化处理，快速冷却后去皮；接着加热挤压模具及挤压筒，其温度为450℃，然后将镁合金坯料加热至460℃保温2h后放入挤压筒中，在3600吨卧式油压机上进行挤压，挤压比为11；通过挤压纵截面光学显微组织可以看出，在挤压过程中发生了完全动态再结晶，且晶粒细小，晶粒尺寸约为13.5μm；挤压产品经220℃/20h等温时效处理后根据GB/T228-2002进行力学性能测试，结果见下：
挤压后板材尺寸：150mm×20mm，合金抗拉强度467MPa，屈服强度＞387MPa，延伸率＞4.29％。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种热处理强化高强度铸造镁合金，其特征在于，合金各组分及其重量百分比为：Zn：8.0-10.0％，Al:1.0-5.0％，Sn:1.0-5.0％，Cu:0.1-1.0％，Mn:0.3-0.8％，Ca：0.3-0.5％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的镁合金，其特征在于，合金各组分及其重量百分比为：Zn：8.0-9.0％，Al:1.0-3.0％，Sn:1.0-3.0％，Cu:0.1-0.5％，Mn:0.3-0.6％，Ca：0.3-0.4％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
3.如权利要求1所述的镁合金，其特征在于，合金各组分及其重量百分比为：Zn：9.0-10.0％，Al:3.0-5.0％，Sn:3.0-5.0％，Cu:0.5-1.0％，Mn:0.6-0.8％，Ca：0.4-0.5％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求1所述的高强度铸造镁合金，其特征在于，锰以镁锰中间合金的形式加入，钙以镁钙中间合金的形式加入，锌、铝、锡和铜以纯锌、纯铝、纯锡、纯铜的形式加入。
5.根据权利要求1所述的高强度铸造镁合金，其特征在于，在室温拉伸测试下，合金抗拉强度达到320-350MPa，屈服强度达到220-260MPa。
6.权利要求1-5任一项所述的高强度铸造镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)先将纯镁在150-200℃预热20-30分钟，并烘干；
(2)将纯镁在气体保护下熔化，熔化后待熔体温度为700-720℃时，向熔体中加入锌、铝、锡、铜、镁锰中间合金和镁钙中间合金，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至730-750℃，在730-750℃保温20-30分钟后降温至680-730℃；
(3)在气体保护下进行铸造成型；
(4)将步骤(3)得到的合金在330-380℃固溶处理6-12小时，空冷，之后在150-220℃时效8-16小时，得到高强度铸造镁合金。
7.根据权利要求4所述的高强度铸造镁合金的制备方法，其特征在于，铸造成型时，铸造方法采用压铸、金属型、砂型铸造或半连续铸造。
8.权利要求1-5任一项所述的镁合金在制备减震塔、转向架、厚合金板中的应用。
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