一種低成本高強耐熱鎂合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料及冶金技術領域，具體涉及一種低成本高強耐熱鎂合金及其 制備方法。
【背景技術】
[0002] 鎂及鎂合金作為現(xiàn)階段工程應用中最輕的金屬結(jié)構材料，具有低的密度、高的比 強度和比剛度、優(yōu)異的阻尼減震性能以及良好的散熱性，在許多領域都具有非常優(yōu)異的應 用潛力，特別是在航空航天、汽車摩托車和高速輕軌列車以及3C產(chǎn)品方面具有難以替代的 應用優(yōu)勢。
[0003] 目前商用鎂合金分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類。MgAl系鑄造鎂合金由于具 有室溫力學性能良好、流動鑄造性良好、機加工性能良好、低廉的價格和鑄造工藝簡單而應 用最為廣泛，其中AZ91和AM60/50系列應用最為廣泛，但是該系列合金存在塑性較差以及 高溫力學性能較差的缺陷。
[0004] 為了適應市場的需要，擴大鎂合金的應用范圍和領域，科研工作者對現(xiàn)有的MgAl 系鑄造鎂合金進行了大量研究。利用合金化提高鎂合金的室溫和高溫力學性能是主要研 究方向之一，所用的合金化元素主要有稀土元素和堿土元素以及鋁、鋅、錫、硅、銻等其他元 素，相繼開發(fā)了 Mg-Al-Ca、Mg-Al-Si、Mg-Al-RE、Mg-Y-Nd等系列耐熱鎂合金，但上述合金由 于種種原因在實際中得到的應用非常少。其中，Mg-Al-Ca系列（如AX51)合金受限于鑄造 性能且易于形成熱裂紋;Mg-Al-Si系列（如AS41和AS21)合金，其組織中存在粗大漢字狀 的Mg 2Si相，損害了其力學性能；Mg-Al-RE系列（如AE42)合金和Mg-Y-Nd系列（如WE43 和WE54)，由于合金中添加較多的稀土元素，造成合金成本較高而限制了其廣泛應用；采用 廉價元素提高鎂合金的力學性能，對于鎂合金在更廣范圍內(nèi)的應用具有重要作用。
[0005] 專利CN101871068B公開了一種低成本、含錫與鋁的高強度高塑性鎂合金及其制 造方法，合金組分及重量百分比為3~7% A1，3~6% Sn，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)。 該合金具有高的強度和優(yōu)良的塑性，不需要熱處理，可直接使用的優(yōu)點。但該合金組織中， Sn在枝晶間成分偏析，析出的金屬間化合物Mg 17Al 12和Mg 2Sn晶粒粗大，且分布不均勾，容易 導致合金在高溫下工作時，力學性能和抗蠕變性變差，從而影響鎂合金的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種低成本高強耐熱鎂合金，在控制合金成本的基礎上，提 高鎂合金在室溫和高溫條件下的力學性能，并賦予合金在高溫下的優(yōu)良抗蠕變性，擴大鎂 合金的應用范圍。
[0007] 本發(fā)明的第二個目的是提供上述低成本高強耐熱鎂合金制備方法。
[0008] 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：
[0009] -種低成本高強耐熱鎂合金，由以下重量百分比的組分組成：6. 2~9. 3% A1， 3. 5~5. 5% Sn，1. 0~1. 8% Sb，0. 2~0? 9% Si，0. 1~0? 4% Sm，余量為 Mg。
[0010] 本發(fā)明提供的低成本高強耐熱鎂合金，A1是鎂合金中重要的合金元素，在鎂中有 非常大的固溶度，具有明顯的強化作用，其強化作用表面在兩方面，一是通過形成Mg 17Al12 金屬間化合物的第二相強化，二是通過A1原子在鎂基體中形成固溶體的固溶強化。為避免 熱穩(wěn)定性較差Mg17Al 12相的大量生成，鎂鋁系合金中A1的含量一般控制在9%以下，但是過 低的A1含量會損害鎂合金的鑄造性能特別是合金的流動性，鑄造鎂合金A1的含量一般不 應低于6 %，本發(fā)明的鎂合金中的A1含量為6. 2~9. 3 %。添加Sn元素可以提高鎂合金的 流動性、降低鎂合金的熱裂敏感性，Sn與Mg形成的Mg2Sn相具有強化作用，有助于提高合金 的強韌性；原料組成中少量的釤可以凈化合金液，細化合金組織，改善Mg 17Al12相的形貌和 分布，提高力學性能；加入適量的銻、硅合金元素，有利于在Mg-Al或Mg-Al-Sn基體的晶界 處析出耐高溫性能好的金屬間相，這些金屬間相在高溫的應力條件下，阻止晶粒滑動，從而 使合金表現(xiàn)出優(yōu)良的高溫抗蠕變性。
[0011] 本發(fā)明提供的低成本高強耐熱鎂合金，合金組分為Mg-Al-Sn-Sb-Si-Sm，利用多元 微合金化改善鎂合金的顯微組織，進而提高其力學性能；合理選擇合金化元素，控制各合金 化元素的含量，發(fā)揮了各組分的協(xié)同強化作用，提高了鎂合金的力學性能和耐熱性能。
[0012] 上述低成本高強耐熱鎂合金的制備方法，包括以下步驟：
[0013] 1)將原料鎂、鋁、錫、鋪在混合氣體保護下熔化，形成合金熔液A ;
[0014] 2)將步驟1)所得合金熔液A加熱至710~730°C時，加入中間合金Mg-Sm和中間 合金Mg-Si，待合金全部熔化后，升溫至740~750°C，攪拌均勻，得到合金熔液B ;
[0015] 3)將步驟2)所得合金熔液B的溫度降至680~700°C，靜置，澆鑄到模具中，得鑄 態(tài)合金；
[0016] 4)將步驟3)所得鑄態(tài)合金進行熱處理，即得。
[0017] 所述原料鎂、鋁、錫、銻、中間合金Mg-Sm和中間合金Mg-Si使用前經(jīng)預熱處理。 原料經(jīng)預熱處理，有助于后續(xù)熔煉鑄造過程均勻穩(wěn)定進行；所述預熱處理的溫度為170~ 200°C，預熱時間時間不低于2h ;預熱條件進一步優(yōu)選為，180°C預熱3h。
[0018] 步驟1)所述混合氣體為0)2和SF 6。
[0019] 步驟3)所述模具在澆鑄前經(jīng)預熱處理。所述模具預熱處理的溫度為280~320°C; 進一步優(yōu)選模具預熱溫度為300°C。
[0020] 步驟4)所述熱處理為將鑄態(tài)合金依次進行固溶處理和時效處理。
[0021] 所述固溶處理的溫度為415~430°C，處理時間為10~14h ;固溶處理條件進一步 優(yōu)選為，溫度425°C，處理時間為llh ;固溶處理后熱水淬火至室溫。所用熱水溫度為75~ 9(TC〇
[0022] 所述時效處理的溫度為200~250°C，處理時間為14~18h ;時效處理條件進一步 優(yōu)選為，溫度220°C，處理時間為16h ;時效處理后空冷至室溫。
[0023] 所述固溶處理是在氧化鎂粉末覆蓋下進行。
[0024] 本發(fā)明提供的低成本高強耐熱鎂合金的制備方法，以鎂、鋁、錫、銻、中間合金 Mg-Sm和中間合金Mg-Si為原料熔煉鑄造并經(jīng)熱處理，所得鎂合金顯微組織均勻，具有較高 的室溫和高溫強度，且高溫條件下，抗蠕變性優(yōu)良；所用原料廉價易得，熔煉和鑄造的難度 低，過程易于控制，極大地降低了成產(chǎn)成本，工藝簡單，操作方便，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0025] 由該方法制備得到的耐熱鎂合金，顯微組織均勻，室溫抗拉強度可達到285MPa， 200°C的抗拉強度達到192MPa，具有較高的室溫和高溫強度；該合金在200°C和70MPa條件 下蠕變100小時，應變量最低為0. 36%，穩(wěn)態(tài)蠕變速率低至1. 21X10 Ss \具有良好的高溫 抗蠕變性；該合金主要組分均為廉價元素，在保持較高的力學性能的基礎上，極大地降低了 鎂合金的成本，適合推廣應用。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。各實施例中涉及的原料鎂（Mg)， 鋁（A1)，錫（Sn)，銻（Sb)，中間合金Mg-Sm和中間合金Mg-Si均為市售產(chǎn)品。
[0027] 實施例1
[0028] 本實施例的低成本高強耐熱鎂合金，由以下重量百分比的組分組成：6. 2% A1， 4. 9% Sn，1. 8% Sb，0. 7% Si，0. 4% Sm，余量為 Mg。
[0029] 本實施例的低成本高強耐熱鎂合金的制備方法，包括以下步驟：
[0030] 1)將原料純鎂錠、純鋁錠、純錫粒、純銻、Mg-Sm中間合金和Mg-Si中間合金放置 于干燥箱中進行干燥預熱，預熱溫度為180°C，預熱時間為3小時；將預熱后的純鎂錠、純鋁 錠、純錫粒、純鋪在C0 2+SF6混合氣體保護下恪化，形成合金恪液A ;
[0031] 2)將步驟1)所得合金熔液A加熱至720°C時，加入中間合金Mg-Sm和中間合金 Mg-Si，保溫lOmin，待合金全部熔化后去除表面浮渣，繼續(xù)升溫至740°C后停止升溫，攪拌 均勻，得到合金熔液B ;
[0032] 3)將步驟2)所得合金熔液B