一种高强度高韧性铸造镁合金的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强度高韧性铸造镁合金及其制备方法。按重量百分比计，镁含量为平衡余量；铝含量为３～９％；锌含量为３．５～９％；锰含量为０．１５～１．０％；锑含量为０～２％；稀土元素为０～２％。先将各种配料、覆盖剂、模具预热，然后设定坩埚目标温度后开始加热，将预热好的纯镁配料放入坩埚内，在ＣＯ↓［２］＋ＳＦ↓［６］混合气体保护下，依次加入纯铝、铝锰中间合金、镁稀土中间合金以及纯锌配料，最后加入用铝箔纸包好的锑粉，经搅拌、掏渣、浇铸成型。本发明专利技术合金在固溶＋时效（Ｔ６）处理后，其抗拉强度度σ↓［ｂ］达到２６０～２８０ＭＰａ，屈服强度σ↓［０．２］≥１４０ＭＰａ，延伸率δ↓［５］≥６％，冲击功α↓［ｋ］≥１４Ｊ，布氏硬度ＨＢ≥７０。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铸造镁合金技术，具体地说是一种低成本、高强度高韧性铸造镁合金以及通过合金化和热处理，同时提高铸造镁合金强度和韧性的制备方法。本专利技术不仅适用于金属型和砂型铸造，同样适用于压力铸造、挤压铸造等工艺。
技术介绍
镁合金作为一种新型金属材料，以其密度小、比强度和比刚度高等优点，在航空航天、汽车、3C(计算机、通信、消费类电子)等领域获得了广泛应用。以汽车工业为例一方面，汽车尾气排放量约占全球性大气污染的65％左右；另一方面，能源紧张、油价上涨等问题日益严重。汽车减重是解决这些问题的有效措施。据计算，汽车自重每减轻10％，其燃油效率可提高5.5％左右。再如，镁合金还以其良好的导电导热性及易于回收利用等优点，在3C类产品的壳体结构件等处，替代塑料，获得广泛使用。因此，镁合金也获得了“二十一世纪的绿色工程材料”的美誉。目前，商用镁合金大体上可以分为铸造镁合金和变形镁合金两大类，其消耗量的比例大约是35∶1，可见铸造镁合金的市场份额最大。在铸造镁合金中，AZ91系列和AM60/50系列应用最广泛。其中，AZ91系列强度虽高(典型压铸AZ91D的抗拉强度σb为230MPa，屈服强度σ0.2为160MPa)，但是塑性较差(典型压铸AZ91D的延伸率δ5为3％)；而AM60/50系列塑性虽好(典型压铸AM60/50的延伸率δ5为8～10％)，但是强度偏弱(典型压铸AM60/50的抗拉强度σb为200～220MPa，屈服强度σ0.2为110～130MPa)。为了适应市场要求，进一步扩大铸造镁合金的应用范围，在低成本前提下，同时提高强度和韧性是关键所在。尽管许多研究者基于AZ91系列和AM60/50系列进行了微合金化、晶粒细化等工作，但是其结果收效不大或者成本过高。因此，开发一种低成本、高强高韧的铸造镁合金是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低成本、高强度高韧性铸造镁合金，并且通过合理选择合金化元素以及采用合适的热处理手段，得到了一种低成本、高强高韧的铸造镁合金制备方法。本专利技术的技术方案是本专利技术通过在镁中加入高含量铝、高含量锌，构成了高铝高锌的新型镁合金体系；在高铝高锌镁合金基础上，通过加入锑、稀土等元素而产生的微合金化作用，达到了镁合金的增强增韧之目的。该专利技术的具体组成如下按重量百分比计，镁(Mg)含量为平衡余量；铝(Al)含量为3.5～9％；锌(Zn)含量为3～9％；锰(Mn)含量为0.15～1.0％；锑(Sb)含量为0～2％；稀土含量为0～2％；其它不可避免的微量杂质铁(Fe)≤0.005％、镍(Ni)≤0.002％、铜(Cu)≤0.015％本专利技术的增强增韧机理如下在高铝高锌镁合金中，除了存在少量的镁铝合金系中常见的β(Mg17Al12)增强相在之外，主要增强相已成为Mg32(AlZn)49相；另外，加入Sb元素后，根据X射线和EDAX电镜观察的结果，会产生新的颗粒增强相Mg3Sb2以及(Mg0.43Zn0.57)2MgSb2等。这些新的颗粒增强相不仅起到提高强度的作用，而且会在一定程度上细化高铝高锌合金中的连续脆性相，从而起到提高铸造性能和塑性的作用。众所周知，镁合金中锌的加入可以提高熔体的流动性，有固溶强化的效果，可以提高强度；但若锌的加入量不合适，将会增大合金的热裂倾向性，恶化铸造成型性能(参见附图1)。目前常见的铸造镁合金如AZ91、AM60、AM50等，综合性能不是很好，其中AZ91的锌含量为0.45-0.9％wt(重量百分比)，其强度较高，但韧性较差，AM60和AM50的锌含量≤0.20％wt，其韧性较好，但强度较差。本专利技术根据镁-铝-锌三元相图，通过选择合适的铝、锌含量，从而保证了镁合金的铸造性能、较高的强度和韧性；在此基础上，通过加入锑(Sb)和稀土元素，并通过合适的热处理，使合金强度和韧性又有了较大提高。本专利技术合金中铝也是主要强化元素，它通过固溶强化和与镁形成β(Mg17Al12)相以及与镁、锌元素生成Mg32(AlZn)49相的沉淀强化，提高了合金的室温强度。此外，铝的加入还可提高合金的铸造工艺性能。本专利技术合金中还可以含有0～2％wt的稀土元素钇、钕或富铈混合稀土等，稀土元素能改善合金铸造性能，减少晶界低熔点析出物，提高综合力学性能和良好的固溶强化效果，通过稀土元素对晶界的强化，及其和Zn、Al对合金力学性能的有益作用，以及各种元素的合理搭配，使合金的综合性能更好。本专利技术合金中锰的作用是提高耐腐蚀性能，锰在合金熔炼过程中能与合金中的杂质元素铁形成化合物，沉淀到坩埚底部，去除杂质，消除铁对合金耐腐蚀性能的有害作用。本专利技术高强度高韧性铸造镁合金的制备方法，具体步骤如下1)先将纯镁、镁稀土中间合金、纯铝、铝锰中间合金、纯锌、锑粉各种配料在烘箱中预热至14～160℃，覆盖剂同时放入烘箱进行烘干；将模具在另外的箱式炉中预热至300～400℃；然后设定坩埚目标温度为710～730℃，开始加热；2)当坩埚升温至280～320℃时，通入CO2气体进行气体置换，然后在坩埚底部加入占配料总重量0.3～2％的覆盖剂，并将预热好的纯镁配料放入坩埚内；3)纯镁配料熔化并且等坩埚温度稳定在710～730℃后，加入占配料总重量0.3～2％的覆盖剂，然后依次加入纯铝、铝锰中间合金、镁稀土中间合金以及纯锌配料，最后加入用铝箔纸包好的锑粉配料；4)下面各工序均恒温在710～730℃下进行，配料加完后即可进行搅拌，搅拌均匀后静置4～6分钟，按体积百分比，在99～99.5％CO2+0.5～1％SF6混合气体保护下掏出表面浮渣；5)掏渣完毕后，停止加热，按体积百分比，在99～99.5％CO2+0.5～1％SF6混合气体保护下浇铸成型。本专利技术的热处理方式可分为固溶(T4)、时效(T5)、“固溶+时效”(T6)三种，下面分别介绍①、T4固溶处理最好在保护气氛(如氩气、六氟化硫等)中进行，其温度与铝、锌含量密切相关，具体温度可参考镁-铝-锌三元合金相图(附图1)；另外实验表明，少量锰、锑的加入对固溶温度影响不大，可以根据铝、锌含量来确定；T4固溶时间可取为16～24小时，时间过短固溶效果不理想，时间过长会出现晶粒长大。②、T5时效处理，温度取为160～200℃，时间可取为8～24小时。③、T6热处理可以理解为T4与T5方式的组合。由于热处理改变了颗粒增强相的分布方式和数量，因此显著影响了力学性能。T4固溶处理的试样由于中间相基本溶入基体内而以固溶体的方式存在，故而会提高塑性，但是屈服强度会有所降低；T6处理的试样由于中间相又会在晶粒内部或沿晶界重新析出(但分布方式及数量显著不同于铸态试样)，故而会在提高强度的同时，塑性有所下降。本专利技术的研制过程虽然采用的是金属型铸造，但根据镁-铝-锌三元合金的压铸性能(参见附图2)可知，本专利技术的合金成分范围落在可铸造区域，因此同样适用于压力铸造、挤压铸造等工艺，而不会存在热裂和热脆倾向。本专利技术具有如下优点1.本专利技术制备的镁合金，兼具高强度高韧性的特性，特别适合于轻质、高强、高韧的用材需求，如汽车轮毂等；其抗拉强度σb达到260～280MPa，屈服强度σ0.2≥140MPa，延伸率δ5≥6％，冲击功αk≥14J，布氏硬度HB≥70。2.本专利技术性价比高。本专利技术所用原材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度高韧性铸造镁合金，其特征在于：按重量百分比计，用于合金化的主要元素组成如下：按重量百分比计，镁含量为平衡余量；铝含量为３～９％；锌含量为３．５～９％；锰含量为０．１５～１．０％；锑含量为０～２％；稀土含量为０～２％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马跃群，陈荣石，韩恩厚，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]