CN107058837A - 一种高强度多元复合镁锡铝银合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度多元复合镁锡铝银合金及其制备方法，该合金的组分由镁、锡、铝、银四种元素组成；各组分的质量百分比为：锡：4～6％、铝：4～6％、银：0.5～2％，其余为镁。该合金制备方法包括熔炼、均匀化及固溶热处理、时效热处理三个步骤。本发明合金组织由晶内均匀弥散析出的沉淀相及基体中过饱和固溶的溶质原子进行复合强化，强化效果明显且制备工艺简单。本发明合金在160℃下时效峰值时晶内基体硬度可达到76HV，时效1000小时维氏硬度仍保持在67HV左右，高温组织稳定，具备一定的商用潜力。

Description

一种高强度多元复合镁锡铝银合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属结构材料及制备技术领域，特别是一种晶内弥散分布的沉淀相与基体中固溶原子共同强化的新型高强度多元复合镁锡铝银合金及其熔炼和热处理工艺。
背景技术
镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、交通运输、军事工业及电子制造等领域都有巨大的应用前景。特别是近年来交通工具轻量化的迫切需求，为扩大镁合金的工程应用，其成分的开发及制备加工工艺的优化成为当前研究的主要热点之一。设法将镁合金更广泛应用在交通工具或者航天器的相关零部件中已成为世界上开发新型镁合金的一个重要目标。镁合金目前的主要弱点在于其强度相比于铝合金还有一定的差距，同时耐高温性能较差。强化镁合金的方法主要分为沉淀强化、固溶强化、细晶强化、加工硬化以及向镁合金中添加特殊的第二相（如准晶、陶瓷颗粒等）形成弥散强化的复合材料等手段。其中细晶强化主要利用铸造过程中加入晶粒细化剂或者对合金进行剧烈塑性变形的方法获得。添加晶粒细化剂的手段提高强度的能力有限，而且不一定适用于所有的镁合金；而剧烈塑性变形的方法由于受设备的限制不能制成大尺寸的构件，而且其成本较高。加工硬化和制备镁基复合材料往往也需要比较高的成本。相比而言，沉淀强化和固溶强化是成本较低、而且对多数镁合金都适用、应用最广泛的合金强化手段。例如，常见的镁铝合金系、镁锌合金系、镁锡合金系以及镁稀土合金系都可以通过第二相沉淀而获得明显的强化效果。然而，在过于强调沉淀强化效果的同时，很少有人注意采用沉淀强化和固溶强化相结合的方法进行复合强化。
近年来人们开发的镁合金体系，多数是以一种合金元素为主，再添加其它少量的微合金元素作为第三、第四组元等。镁铝（Mg-Al）合金系是目前应用最广泛的合金系，但由于该合金在晶界形成的不连续沉淀相Mg17Al12熔点低，在高温下（超过135℃）容易产生晶界和相界面滑移，热力学组织不稳定而导致合金蠕变性能差，因而只能用在较低温度的场合，这极大限制了Mg-Al合金的应用。镁锡（Mg-Sn）合金系是一种近年来开发的合金系，镁锡二元合金的共晶温度为561℃，而且起强化作用的化合物Mg2Sn熔点为770.5℃，这些都明显高于镁铝系对应的温度，显示其具有良好的高温应用潜力。在Mg-7Sn合金中加入少量的微合金元素如Ag、Cu等元素，可以明显提高其沉淀相的密度和弥散度，从而提高其沉淀强化效果。不过，这些合金中Sn含量较高，对镁合金的减重以及成本的降低不利。
发明内容
本发明的目的是为克服已有合金特别是镁锡合金中锡（Sn）含量较高而且强化方式比较单一的缺点，提供一种高强的多元复合镁锡铝银合金及其制备方法。通过在镁中添加适当且数量相当的Sn元素与Al元素，使经过固溶和时效的合金含有晶内弥散分布的沉淀相以及基体中大量的过饱和固溶原子，从而得到沉淀强化和固溶强化相结合的复合强化效果。同时在合金中加入少量的银（Ag）元素，进一步增强沉淀强化效果，得到兼具有良好强化效果和耐热性，又具有较低成本的新型镁合金。
该高强度多元复合镁合金的组分由镁、锡、铝、银四种元素组成；各组分含量的质量百分比为：
锡(Sn)：4～6％
铝(Al)：4～6％
银(Ag)：0.5～2％
其余为镁(Mg)；
所述高强度多元复合镁锡铝银合金的制备方法，包括熔炼，均匀化及固溶热处理，时效热处理；具体包括以下步骤：
步骤一：熔炼
按下列组分及质量百分比含量配料：锡(Sn)：4～6％、铝(Al)：4～6％、银(Ag)：0.5～2％，其余为镁(Mg)；原料中各组分的纯度均超过99.9％，在坩埚中依次放入纯镁、纯锡、纯铝、纯银，加热至800～850℃，搅拌，静置10～20分钟成合金液体，将合金液体浇注到铸造用金属冷模具中形成镁锡铝银合金坯料；
步骤二：均匀化及固溶热处理
将镁锡铝银合金坯料放入常规电阻炉，在空气或真空气氛下进行分步加热：首先在320℃～360℃保温10～20小时，然后再缓慢升温至440～460℃，保温24～36小时，再升温至470～480℃，保温2小时，最后冷水淬火得到均匀化的镁锡铝银固溶合金；
步骤三：时效热处理
将均匀化的镁锡铝银固溶合金在常规电阻炉中空气气氛下进行时效热处理，加热温度为150～250℃，保温时间为50～400小时，冷水淬火得到高强度多元复合强化镁锡铝银合金。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明的镁锡铝银合金具备良好的强度，合金在固溶和160℃时效处理工艺下，时效峰值时合金维氏硬度可达76HV，时效1000小时硬度仍保持在67HV左右，高温组织稳定，强度和耐高温性能良好，具备一定的商用潜力。
2、相对于以往的Mg-Sn及Mg-Al合金系，本发明提出的这种多元复合镁锡铝银合金的特征在于，其兼具了Mg-Al合金高强度和Mg-Sn合金较高热稳定性的优点，同时以成本较低的Al元素替代部分Sn元素，适当降低了Mg-Sn合金的成本，因而具有更大的市场应用潜力。
具体实施方式
通过如下实施例对本发明提供的一种高强度多元复合镁锡铝银合金做进一步说明。应当注意的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明但不用于限定本发明。
实施例1：镁锡铝银合金的组分由镁、锡、铝和银四种元素组成；各组分含量的质量百分比为：
锡(Sn)：6％
铝(Al)：6％
银(Ag)：0.5％
其余为镁(Mg)。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：熔炼
（1）按下列组分原料及质量百分比含量配料：6％锡，6％铝，0.5％银，其余为镁坯料；原料中各组分的纯度均超过99.9％，然后将配制好的配料放在烘箱中预热至150℃，同时将占所制备镁锡铝银合金总重量2％的RJ-2覆盖剂放入烘箱中烘烤；将浇铸用模具在另外的箱式炉中预热至300℃；
（2）加热坩埚至300℃时，在坩埚底部加入1/2左右的已烘烤的覆盖剂，再将预热好的镁坯料放入坩埚内；
（3）当镁坯料熔化并且坩埚温度稳定在800℃后，根据熔点由高到低依次加入预热的其余各种配料，然后熔体进行搅拌约15分钟；此过程中，酌情加入剩余的已烘烤的覆盖剂，以表面不燃为准；
（4）坩埚温度稳定在800℃后，熔体静置15分钟，按体积百分比，在99％CO2+1％SF6混合气体保护下掏渣；
（5）掏渣完毕后，维持坩埚温度稳定在800℃，按体积百分比，在99％CO2+1％SF6混合气体保护下浇铸成镁锡铝银合金坯料；
步骤二：均匀化及固溶热处理
将镁锡铝银合金坯料放入常规电阻炉，在空气气氛下进行加热，在320℃保温20小时，然后再缓慢升温至440℃，保温36小时，再升温至470℃，保温2小时，然后冷水淬火得到均匀化的镁锡铝银固溶合金；
步骤三：时效热处理
将均匀化的镁锡铝银固溶合金在常规电阻炉中空气气氛下进行时效热处理，时效过程中使用的温度为150℃，保温时间为300小时，冷水淬火得到时效强化的镁锡铝银合金。
实施例2：镁锡铝银合金的组分由镁、锡、铝、银四种元素组成；各组分含量的质量百分比为：
锡(Sn)：4％
铝(Al)：4％
银(Ag)：2％
其余为镁(Mg)。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：熔炼
（1）按下列组分及质量百分比含量配料：4％锡，4％铝，2％银，其余为镁坯料；原料中各组分的纯度均超过99.9％，然后将配制好的配料放在烘箱中预热至150℃，同时将占所制备镁锡铝银合金总重量2％的RJ-2覆盖剂放入烘箱中烘烤；将浇铸用模具在另外的箱式炉中预热至300℃；
（2）加热坩埚至300℃时，在坩埚底部加入1/2左右的已烘烤的覆盖剂，再将预热好的镁坯料放入坩埚内；
（3）当纯镁熔化并且坩埚温度稳定在850℃后，根据熔点由高到低依次加入预热的其它各种配料，然后熔体进行搅拌约15分钟；此过程中，酌情加入剩余的已烘烤的覆盖剂，以表面不燃为准；
（4）坩埚温度稳定在850℃后，熔体静置10分钟，按体积百分比，在99％CO2+1％SF6混合气体保护下掏渣；
（5）掏渣完毕后，维持坩埚温度稳定在850℃，按体积百分比，在99％CO2+ 1％SF6混合气体保护下浇铸成镁锡铝银合金坯料；
步骤二：均匀化及固溶热处理
将镁锡铝银合金坯料放入常规电阻炉，在空气气氛下进行加热，在360℃保温10小时，然后再缓慢升温至460℃，保温24小时，再升温至480℃，保温2小时，然后冷水淬火得到均匀化的镁锡铝银固溶合金；
步骤三：时效热处理
将均匀化的镁锡铝银固溶合金在常规电阻炉中空气气氛下进行时效热处理，时效过程中使用的温度为250℃，保温时间为50小时，冷水淬火得到时效强化的镁锡铝银合金。
经过以上实施例得到的镁锡铝银合金，含有晶内基体上均匀弥散分布的沉淀相和基体内过饱和固溶的溶质原子，在160℃下时效峰值时晶内基体硬度可达到76HV，并且长时间时效硬度并不发生显著下降。合金强度高，组织、性能热稳定性较好且具有一定的成本优势，具备良好的商用潜力。

Claims (1)

1.一种高强度多元复合镁锡铝银合金，其特征在于，该合金的组分由镁、锡、铝、银四种元素组成；各组分含量的质量百分比为：
锡(Sn)：4～6％
铝(Al)：4～6％
银(Ag)：0.5～2％
其余为镁(Mg)；
所述高强度多元复合镁锡铝银合金的制备方法，包括熔炼，均匀化及固溶热处理，时效热处理；具体包括以下步骤：
步骤一：熔炼
按下列组分及质量百分比含量配料：锡(Sn)：4～6％、铝(Al)：4～6％、银(Ag)：0.5～2％，其余为镁(Mg)；原料中各组分的纯度均超过99.9％，在坩埚中依次放入纯镁、纯银、纯铝、纯锡，加热至800-850℃，搅拌，静置10-20分钟成合金液体，将合金液体浇注到铸造用金属冷模具中形成镁锡铝银合金坯料；
步骤二：均匀化及固溶热处理
将镁锡铝银合金坯料放入常规电阻炉，在空气或真空气氛下进行分步加热：首先在320℃～360℃保温10～20小时，然后再缓慢升温至440～460℃，保温24～36小时，再升温至470～480℃，保温2小时，最后冷水淬火得到均匀化的镁锡铝银固溶合金；
步骤三：时效热处理
将均匀化的镁锡铝银固溶合金在常规电阻炉中空气气氛下进行时效热处理，加热温度为150～250℃，保温时间为50～400小时，冷水淬火得到高强度多元复合镁锡铝银合金。
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