专利名称：一种用于Mg-Sn基合金的热处理方法
技术领域：
本发明涉及一种用于Mg-Sn基合金的热处理工艺，具体涉及Mg-Sn基合金的固溶后深冷再进行人工时效以提高其力学性能的热处理方法。
背景技术：
镁合金以其独特的轻质特性在汽车“减重、节能和减排”中具有其它金属结构材料无可比拟的优势。但是，镁合金的绝对强度较低，高温耐热性能较差，使其应用受到一定限制。如何提高镁合金的热强及其高温抗蠕变性能，开发新型的耐热镁合金一直是广大研究者非常关注的重要问题。其中主要的耐热镁合金体系有Mg-Al系和Mg-RE (稀土元素)系。 Mg-Al系合金中应用最广的是Mg-Al-ai系(AZ)合金，但该类合金的使用温度不能超过120 "C。为进一步提高其耐热性能，公开号为1119679U341767U431328U431329U01067178 的中国专利均涉及到在Mg-Al合金基础上进一步复合RE、Ca、Sr、Si、Sb、Bi等元素中的一种或几种，从而开发出具有更高抗蠕变性能的耐热镁合金，具体包括Mg-Al-Si (AS)系、 Mg-Al-Ca(AC)系、Mg-Al-Sr (AJ)系、Mg-Al-RE (AE)系等。与 AZ 系合金相比，AS、AC、AJ 禾口 AE系的蠕变性能有一定的提高，但提高幅度有限。其原因主要在于Mg-Al系合金的Mg-Al 共晶反应温度低)，且含有高温软化相Mg17Al12,尽管在Mg-Al合金中复合Si、Ca、Sr 和RE等元素可生成高温稳定相，但因Mg17Al12的存在使其高温强化作用受到削弱。基于此， 无Al化成为高温耐热镁合金开发的主要方向。无Al的耐热镁合金主要有Mg-Si系和Mg-RE系耐热镁合金。和Mg-Al基合金相比，Mg-Si基合金中也存在共晶反应温度低037 °C)，MgSi相高温下易软化等问题，因此其耐热性能的提高幅度仍有限。相对而言，Mg-RE系合金以其优异的耐热性能受到的关注更为广泛。因含RE的析出相通常具有高的热稳定性，同时RE元素在镁基体中扩散速率较慢， 使得Mg-RE合金具有较高的高温强度和优良的抗蠕变性能，与Mg-Al系和Mg-Si系合金相比，Mg-RE系可用于在200 300 V下长期工作的零部件。最近几年，国内公开了系列有关稀土耐热镁合金的专利，如Mg-Gd-Y系(公开号1804083)、Mg-Y-Sm-Zr (公开号1814837)、 Mg-Gd-Mn-Sc (公开号 101058861)、Mg-Y-Gd-Si-Mn (公开号 101148724)、Mg-Gd-Y-Smlr (公开号101532106和101532107)。上述专利中所公开的耐热镁合金均以稀土为主要合金化元素，其中稀土类元素的含量均在10%以上。因稀土价格昂贵，Mg-RE系耐热镁合金的生产和制造成本很高，目前主要用于航空航天等领域，在民用领域很难推广使用。在无Al 的耐热镁合金中，公开号为101397623和101392345的中国专利分别公开了 Mg-Cu-Y系和 Mg-Ni-Y系耐热镁合金。从Mg-Si和Mg-Sn 二元相图可知，Si和Sn可与Mg分别反应生成高熔点的M&Si (熔点为10830C )和Mg2Sn(熔点为771 V )相，且Mg-Mg2Si, Mg-Mg2Sn共晶反应温度分别为 638°C和561°C。可见，Mg-Si和Mg-Sn合金无论是生成的化合物的热稳定性还是共晶反应温度均显著高于Mg-Al和Mg-Si合金。因此，在Mg合金中复合Si或者Sn均应可显著提高其高温抗蠕变性能，如将两者复合应可获得更优异的高温抗蠕变性能，日本专利[JP特开平7-3374A]曾公开的Mg-Sn-Si合金已获证实。且与稀土类元素相比，Sn和Si在价格方面具有显著优势。此外，从Mg-Sn相图可知，高温下Sn在Mg中具有较大的固溶度，而随着温度降低，固溶度显著下降，并析出Mg2Sn合金相。因此，Mg-Sn基合金应具有较好的固溶时效强化化效果。固溶时效处理是改善众多Mg基合金性能的常用手段，其基本原理为过饱和固容体在时效过程中析出弥散分布的强化相从而改善其性能。如公开号为CN101041888的中国专利公开了一种高强镁合金液态激冷固溶与时效强化的方法方法。具体工艺液态激冷固溶后时效处理以达到强化效果，但该方法是将液态镁合金熔体直接急冷，操作难度大，危险性高，不适于制备大型工件。公开号为CN1936061的中国专利公开了一种用于Mg-Al系铸造镁合金热处理强化的固溶处理方法。该工艺在铸造过程中当合金的温度降到合金固相线温度以下的温度后保温后快速水淬。本方法可保证在较短的时间内获得较大的过饱和固溶度， 为后续时效处理奠定了很好的组织基础。公开号为CN102002654A的中国专利公开了一种提高镁合金强度和塑性的热处理工艺，该方法公开了一种适于Mg-Si系合金的普通固溶时效工艺。在中国公开，公开号为101680072的澳大利亚专利则公开了一种适于Mg-Si系合金低温时效工艺。文献[刘红梅、陈云贵、唐永柏等，热处理对Mg-5wt%Sn合金组织与显微硬度的影响，材料热处理学报，2007，观(1) :92-95 ]曾优化获得了 Mg-Sn合金的最佳固溶时效工艺， 即480°C固溶M小时，2500C时效16小时。但值得注意的是，Sn在常温下的溶解度仍在洲左右，如进一步降低温度可获得更大的过饱和度，其中利用液氮深冷处理是提高过饱和度的有效手段。深冷处理是钢铁材料，特别是高速钢材料降低组织中残余奥氏体含量最常用的方法和手段，同时深冷处理也可以起到细化晶体晶粒的作用。公开号为CN1966736的中国专利公开了一种适于碳钢和低合金钢制工件在液氮深冷工艺，而公开号为CN101660031和 CN1718774的中国专利则均公开了一种适于高速钢刀具的深冷处理工艺。此外，深冷处理也是改善铝、镁合金组织和性能的重要手段，公开号为102146551A的中国专利公开了 MB5 镁合金氩弧捍接头的深冷强化方法，直接将焊接接头置于液氮环境中4 6小时即可显著细化晶粒，提高接头强度。而公开号为CN101649432 A的中国专利则公开了 5A06铝合金的 MIG和TIG焊接接头的深冷强化方法。上述相关的镁合金的固溶时效工艺主要适于Mg-Al及其Mg-Si系合金。针对 Mg-Sn-Si系合金，公开号为CN101161840的中国专利发明了一种可以控制和改变Mg-Sn-Si 合金中共晶Mg2Si相的形态方法，其处理工艺为高温G90 550 V )保温1 4 h。但该发明工艺只针对其中的Mg2Si相形态控制问题，未涉及Mg2Sn相的时效析出控制。本发明针对Mg-Sn基合金，特别是Mg-Sn-Si系新型的耐热镁合金，结合普通固溶时效和深冷处理的优势，提供了一种含深冷处理的固溶时效处理工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可显著改善Mg-Sn基合金力学性能的热处理方法。本发明方法将普通固溶与深冷固溶结合，随后再进行人工时效处理的热处理工艺。本发明可发挥深冷进一步提高固溶度、且可细化晶粒的双重效果，从而提高时效强化效果。本发明的目的通过如下技术方案来实现一种Mg-Sn基合金的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤
(1)Mg-Sn基合金在460 500°C保温20 36小时，室温水淬；
(2)试样置于液氮中保持M 72小时后取出，置于空气中恢复到室温；
(3)再在250 280°C保温4 24小时。步骤(1)为固溶处理法，步骤(2)为深冷固溶，步骤(3)为人工时效处理， 所述液氮的温度为-196 °C。所述Mg-Sn基合金优选Mg-Sn 二元合金、Mg-Sn-Si合金、Mg-Sn-Si-Ca合金或 Mg-Sn-Si-La合金，更加优选Mg-Sn-Si-La合金。本发明具有如下优点和有益效果
本发明通过在固溶后增加深冷处理环节，可细化Mg-Sn基合金的晶粒尺寸，并显著提高Mg-Sn基合金的时效强化效果。与普通的固溶时效工艺相比，抗拉强度提高幅度在 12 % 57 %之间，而延伸率的提高幅度在57 % 195 %之间，即抗拉强度最高可提高50 % 以上，而延伸率最高可提高2倍。
图1经普通固溶时效处理的Mg_8%Sn合金的金相组织图2经固溶后深冷再时效处理的Mg-8%Sn合金的金相组织图3经不同工艺处理的Mg-8%Sn合金的拉伸应力-应变曲线
图4经不同工艺处理的Mg-8%Sn-l%Si合金的拉伸应力-应变曲线图5经不同工艺处理的Mg-8%Sn-l%Si-l%Ca合金的拉伸应力-应变曲线图6经不同工艺处理的Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金的拉伸应力-应变曲线图7经不同工艺处理的Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金的拉伸应力-应变曲线图8经不同工艺处理的Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金的拉伸应力-应变曲线。
具体实施例方式为了更好地理解本发明的技术特点，下面结合实施例对本发明作进一步的说明， 需要说明的是，实施例并不是对本发明保护范围的限制。实施例1 Mg_8%Sn 二元合金的固溶时效热处理
本实施例采用Mg-8%Sn 二元合金为原材料，分别对其进行进行普通的固溶时效处理和固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺。具体的处理流程如下
样品1 普通的固溶时效处理工艺将Mg-8%Sn合金在460°C温度下保温20小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于250°C温度下保温16小时进行人工时效，取出空冷。样品2 固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺将Mg_8%Sn合金在460°C 温度下保温20小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于液氮中进行深冷处理，处理时间为M小时，取出后置于空气中恢复到室温。然后再将该试样在250°C温度下保温16小时进行人工时效，取出空冷。分别观察经普通固溶时效和固溶加深冷后再时效两种工艺处理所得Mg_8%Sn合金的金相组织，金相组织分别如图1和2所示。对比图1和图2可知，经深冷处理后晶粒明显细化。本实施例还测试了 Mg_8%Sn合金铸态、普通固溶时效态以及固溶后深冷再时效处理三组试样的拉伸性能，图3所示为拉伸应力-应变曲线。从图3可知，对于Mg-8%Sn合金， 其铸态强度为51MPa，断裂应变约为1.4%，而经普通的固溶时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至82MPa和4. 4%，与铸态相比，强度和断裂应变提高幅度分别为60%和214%。 而利用固溶后深冷再时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至123MPa和8. 3%，与铸态相比，强度和断裂应变分别提高140%和4拟％ ；而与普通的固溶时效工艺相比，强度和断裂应变分别提高50%和88%。可见，固溶后深冷再时效可进一步提高Mg-8%Sn合金的力学性能。实施例2 Mg-8%Sn_l%Si合金的固溶时效热处理
本实施例采用Mg-8%Sn-l%Si合金为原材料，分别对其进行普通的固溶时效处理和固溶后深冷后再进行时效处理的热处理工艺。具体的处理流程如下
样品1 普通的固溶时效处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si合金在480°C温度下保温M小时， 然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于250°C温度下保温M小时进行人工时效，取出空冷。样品2 固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si合金在 480°C温度下保温M小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于液氮中进行深冷处理，保温时间为48小时，取出后置于空气中恢复到室温。然后再将该试样在250°C温度下保温M小时进行人工时效，取出空冷。本实施例测试了 Mg-8%Sn-l%Si合金铸态、普通固溶时效态以及固溶后深冷再时效处理三组试样的拉伸性能，图4所示为拉伸应力-应变曲线。从图4可知，对于Mg-8%Sn-l%Si合金，其铸态强度为87MPa，断裂应变约为2. 6%， 而经普通的固溶时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至IOSMPa和4. 4%，与铸态相比，强度和断裂应变提高幅度分别为24%和65%。而利用固溶后深冷再时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至121MPa和8. 1%，与铸态相比，强度和断裂应变分别提高35%和 211% ；而与普通的固溶时效工艺相比，强度和断裂应变分别提高1 和85%。可见，固溶后深冷再时效可进一步提高Mg-8%Sn-l%Si合金的力学性能。实施例3 Mg-8%Sn-l%Si_l%Ca合金的固溶时效热处理
本实施例采用Mg-8%Sn-l%Si-l%Ca合金为原材料，其中加入Ca的目的在于控制和改变合金中Mg2Si相的形态，分别对该合金进行进行普通的固溶时效处理和固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺。具体的处理流程如下
样品1 普通的固溶时效处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si-l%Ca合金在500°C温度下保温观小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于265°C温度下保温20小时进行人工时效，取出空冷。样品2 固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si-l%Ca合金在500°C温度下保温观小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于液氮中进行深冷处理，处理时间为48小时，取出后置于空气中恢复到室温。然后再将该试样在265°C 温度下保温20小时进行人工时效，取出空冷。本实施例测试了 Mg-8%Sn-l%Si-l%Ca合金铸态、普通固溶时效态以及固溶后深冷再时效处理三组试样的拉伸性能，图5所示为拉伸应力-应变曲线。从图5可知，对于Mg-8%Sn-l%Si_l%Ca合金，其铸态强度为82MPa，断裂应变约为 2. 3%，而经普通的固溶时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至106MPa和4. 7%，与铸态相比，强度和断裂应变提高幅度分别为29%和104%。而利用固溶后深冷再时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至138MPa和7. 4%，与铸态相比，强度和断裂应变分别提高68%和221% ；而与普通的固溶时效工艺相比，强度和断裂应变分别提高30%和57%。可见，固溶后深冷再时效可进一步提高Mg-8%Sn-l%Si-l%Ca合金的力学性能。实施例4 Mg-8%Sn-l%Si_l%La合金的固溶时效热处理
本实施例采用Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金为原材料，其中加入La的目的在于控制和改变合金中Mg2Si相的形态，分别对该合金进行进行普通的固溶时效处理和固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺。具体的处理流程如下
样品1 普通的固溶时效处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金在480°C温度下保温36 小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于280°C温度下保温4小时进行人工时效，取出空冷。样品2 固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金在480°C温度下保温36小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于液氮中进行深冷处理，处理时间为72小时，取出后置于空气中恢复到室温。然后再将该试样在280°C 温度下保温4小时进行人工时效，取出空冷。本实施例测试了 Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金铸态、普通固溶时效态以及固溶后深冷再时效处理三组试样的拉伸性能，图6所示为拉伸应力-应变曲线。从图6可知，对于Mg-8%Sn-l%Si_l%La合金，其铸态强度为82MPa，断裂应变约为 1. 7%，而经普通的固溶时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至107MPa和3. 5%，与铸态相比，强度和断裂应变提高幅度分别为30%和105%。而利用固溶后深冷再时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至152MPa和8. 4%，与铸态相比，强度和断裂应变分别提高85%和394% ；而与普通的固溶时效工艺相比，强度和断裂应变分别提高似％和140%。可见，固溶后深冷再时效可进一步提高Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金的力学性能。实施例5 Mg-8%Sn-l%Si_l%La合金的固溶时效热处理
本实施例采用Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金为原材料，其中加入La的目的在于控制和改变合金中Mg2Si相的形态，分别对该合金进行进行普通的固溶时效处理和固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺。具体的处理流程如下
样品1 普通的固溶时效处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金在500°C温度下保温20 小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于265°C温度下保温8小时进行人工时效，取出空冷。样品2 固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金在500°C温度下保温20小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于液氮中进行深冷处理，处理时间为M小时，取出后置于空气中恢复到室温。然后再将该试样在265°C 温度下保温8小时进行人工时效，取出空冷。本实施例测试了 Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金铸态、普通固溶时效态以及固溶后深冷再时效处理三组试样的拉伸性能，图7所示为拉伸应力-应变曲线。
从图7可知，对于Mg-8%Sn-l%Si_l%La合金，其铸态强度为82MPa，断裂应变约为 1.7%，而经普通的固溶时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至117MPa和4. 4%，与铸态相比，强度和断裂应变提高幅度分别为似％和158%。而利用固溶后深冷再时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至162MPa和10. 1%，与铸态相比，强度和断裂应变分别提高97%和494% ；而与普通的固溶时效工艺相比，强度和断裂应变分别提高38%和129%。可见，固溶后深冷再时效可进一步提高Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金的力学性能。实施例6 Mg-8%Sn-l%Si_l%La合金的固溶时效热处理
本实施例采用Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金为原材料，其中加入La的目的在于控制和改变合金中Mg2Si相的形态，分别对该合金进行进行普通的固溶时效处理和固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺。具体的处理流程如下
样品1 普通的固溶时效处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金在480°C温度下保温M 小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于250°C温度下保温10小时进行人工时效，取出空冷。样品2 固溶加深冷后再进行时效处理的热处理工艺将Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金在480°C温度下保温M小时，然后取出直接置于水中急冷，然后将固溶试样置于液氮中进行深冷处理，处理时间为48小时，取出后置于空气中恢复到室温。然后再将该试样在250°C 温度下保温10小时进行人工时效，取出空冷。本实施例测试了 Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金铸态、普通固溶时效态以及固溶后深冷再时效处理三组试样的拉伸性能，图8所示为拉伸应力-应变曲线。从图8可知，对于Mg-8%Sn-l%Si_l%La合金，其铸态强度为82MPa，断裂应变约为 1. 7%，而经普通的固溶时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至IlSMPa和4. 2%，与铸态相比，强度和断裂应变提高幅度分别为44%和147%。而利用固溶后深冷再时效工艺处理后，其强度和断裂应变分别提高至185MPa和12. 4%，与铸态相比，强度和断裂应变分别提高125%和629% ；而与普通的固溶时效工艺相比，强度和断裂应变分别提高57%和195%。可见，固溶后深冷再时效可进一步提高Mg-8%Sn-l%Si-l%La合金的力学性能。
权利要求
1.一种Mg-Sn基合金的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤(1)Mg-Sn基合金在460 500°C保温20 36小时，室温水淬；(2)试样置于液氮中保持M 72小时后取出，置于空气中恢复到室温；(3)再在250 280°C保温4 24小时。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述液氮的温度为-196°C。
3.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其特征在于，所述Mg-Sn基合金为Mg-Sn 元合金、Mg-Sn-Si 合金、Mg-Sn-Si-Ca 合金或 Mg-Sn-Si-La 合金。
全文摘要
本发明公开了一种用于Mg-Sn基合金的热处理方法。包括以下步骤Mg-Sn基合金在460～500℃保温20～36小时，室温水淬；试样置于液氮中保持24～72小时后取出；再在250～280℃保温4～24小时。本发明工艺处理的Mg-Sn基合金的力学性能显著提高，与普通的热处理工艺相比，抗拉强度提高幅度在12％～57％之间，而延伸率的提高幅度在57％～195％之间，即抗拉强度最高可提高50％以上，而延伸率最高可提高2倍。
文档编号C22F1/06GK102433524SQ20111039399
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者吴华懂, 李伟, 李文芳, 杜军, 豆琦 申请人:华南理工大学