一种高强度的镁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及合金领域，更具体地，涉及一种一种高强度的镁合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在汽车工业中，汽车节能、环保、安全舒适、电子化是汽车市场的刚性追求，也是技 术发展的必然趋势，而轻量化是其中应有之义。汽车轻量化设计是指在保证汽车产品使用、 安全等性能和成本控制的前提下，依靠材料轻量化、设计技术轻量化和制造技术轻量化的 有机结合。无论汽车采用什么能源，轻量化是实现高速、安全、环保、舒适的最佳途径。研究 数据表明，汽车质量每下降10%，能耗约下降3%~5%，换句话说，汽车重量每减少100kg，百公 里油耗可下降0. 3~0. 5升，由此既能节省用户成本，又有利于减少尾气排放，起到环保的作 用。
[0003] 镁合金是迄今为止最轻的金属结构材料，其密度仅相当于铝的2/3,钢的1/4,使 其拥有很高的比强度及比刚度。另外，镁合金还具有良好的阻尼减震性、机械加工性、尺寸 稳定性和易回收等特点，使其被广泛运用于汽车制造、3C产业和航空航天等方面。与此同 时，我国储藏丰富的镁资源，为我国镁工业的可持续发展提供了物质保证。
[0004]因此，镁合金材料将是汽车轻量化的一个重要技术选择方向。
[0005]目前，汽车市场上已使用的镁合金配件主要是非承重件，如汽缸盖、油底壳和座椅 等，在承重件方面，还未发现镁合金被广泛运用于汽车市场上。究其原因，主要是镁合金的 强度不能满足汽车承重件的要求。考虑到汽车配件的复杂性，较多配件均需要使用压铸的 成型工艺。综上因素分析，汽车市场上亟待开发一种低成本高强高韧压铸镁合金。
[0006] 通过文献检索，得到以下文献与本发明最为接近： 文献1 :《一种高强高韧性铸造镁合金》【申请号】200710019465. 1，涉及到一种Mg-Al-Y-Ca铸造镁合金。
[0007] 文献2 :《一种高强度耐热压铸镁合金及其制备方法》【申请号】200710011019. 6,涉 及到一种Mg-Al-Y-Ca压铸镁合金。
[0008] 从上述文献及其他相关文献中了解到：目前对镁合金材料的研究主要在于提高合 金的强韧性以及耐热性能。针对上述技术难题，常用的解决方法是通过添加微量元素细化 Mg-ΑΙ系合金的晶粒提尚材料的强初性能，并减少Mgl7A112低温相从而提尚材料的耐热性 能。
[0009] 根据上述专利文献1中的合金成分为（按重量百分比）：5. 0-6. 0%A1，1. 0-2.0%Ca， 0. 15-0. 25%Ti，0. 5-1. 0%Y，余量为Mg，通过熔炼、浇铸成型。
[0010] 根据上述专利文献2中的合金成分为(按重量百分比）：A18. 5-9. 5%，0. 4-0. 9Zn， 0· 1-0. 4Mn，CaO.5-1. 5%，Υ0· 5-1. 5%，杂质元素Si彡 0· 02,Fe彡 0· 003,Ni彡 0· 003， Cu彡0· 003,余量为Mg。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于获得一种组织致密、强度高，铸造成型性能好的镁合金。
[0012] 根据以上目的，首先提供一种高强度的镁合金，其特征在于，按重量百分比记，包 括以下的组分：Α1 6. 0~7· 5%，Μη0· 15~0· 5%，Ca1. 5~2· 3%，Sr0· 3~0· 8%，Y0· 1~0· 3%，杂 质元素Be彡 0· 1%，Cu彡 0· 03%，Ni彡 0· 002%，Fe彡 0· 005%，Si彡 0· 005%，其余为Mg。
[0013]优选的，包括以下的组分：Α1 6· 3~7· 9%，Μη(λ15~0· 3%，CaL8~2· 0%，Sr 0. 3~0. 8%,Υ0. 1~0. 3%〇
[0014] 根据需求再提供一种上述的高强度的镁合金的制备方法，包括以下步骤， 51. 将金属Mg、金属Al、Mn、Ca、Mg-Y和Mg-Sr进行预热； 52. 将预热好的金属Mg、Μη和Mg-Ca在保护气体下熔炼，得到镁合金中间液； 53. 将S2所述的的镁合金中间液和S1所得的预热好的金属Al、Mg-Y和Mg-Sr进行合 金化，得镁合金液， 54. 将S3所得的镁合金液压铸，即得镁合金。
[0015]S2所述的熔炼的温度为720~760°C，所述的保护气体为队和SF6的混合气体，其 中，队的流量为 0. 8~1. 8m3/H，SF6的流量为 0. 25~0. 65ml/min。
[0016]S3所述的合金化的加料顺序依次是Mg-Sr、Mg-Y和金属A1，加料的温度为 700~730°C，加料间隔为 5~10min。
[0017] 所述的Μη为Μη粉末或Mg-Mn;所述的Ca为Ca粉末或Mg-Ca。
[0018] 将S3所得的镁合金液依次进行搅拌，保温，第一次打渣，精炼，降温，静置，第二次 打渣。
[0019] 所述的加料温度均为700~730°C，加料间隔时间为5~10min;所述的搅拌温度为 700~730°C，搅拌时间为10~25min;所述的保温的温度为700~730°C，保温时间为15~30min; 所述的精炼温度为680~720°C，精炼时间为10~30min，Ar流量为0. 1~0. 5m3/H;所述的静 置温度为670~700°C，静置时间为20~60min。
[0020] S4所述的压铸的温度为670~710°C。
[0021] 所述的金属Mg的纯度不低于99. 7%。
[0022] 本发明具有以下优点： 1.本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金具有高强度，尤其是在屈服方面比较 突出，常温下抗拉强度为263Mpa(较AZ91D高5%)，屈服强度为196. 5Mpa(较AZ91D高16%)， 延伸率为7% (与AZ91D相同)，克服了常规镁合金（AZ91D)力学性能低的缺陷，可用于汽车 承重件及3C产业承重件的产品运用。
[0023] 2.本发明使用的稀土含量极少，大大降低合金的生产成本。
[0024] 3.Ca的质量含量优选为1. 8~2. 0%，其通过变质作用细化合金晶粒，显著提高 合金的屈服强度，同时氧化生成的CaO和MgO薄膜起到阻燃效果；Μη的质量含量优选为 0. 15~0. 30%，其主要作用是降低了有害杂质元素Fe的含量；Υ的质量含量优选为0. 1~0. 2%， 其通过变质作用明显细化合金晶粒，综合提高材料的拉伸性能。
[0025] 为了更合理的说明本发明，进行以下论述。
[0026] 本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，A1的质量含量优选为6. 3~6. 9%， 其提高了镁合金的力学性能和铸造性能。在本发明中，所述A1优选以金属形式添加；当以 金属A1添加时，所述金属A1的纯度优选为不低于99. 7% ;在本发明中，金属A1的烧损率优 选按照8%计算。
[0027] 本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，Μη的质量含量优选为 0. 15~0. 30%，其主要作用是降低了有害杂质元素Fe的含量。在本发明中，所述Μη优选为纯 Μη粉或Mg-Mn的形式添加；当以Mg-Mn的形式添加时，所述Μη在Mg-Mn中间合金中的质量 含量优选为3~5% ;在本发明中，所述Mg-Mn中间合金需要优先预计0. 15%的除铁使用量，烧 损率优选按照4%计算。
[0028] 本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，Ca的质量含量优选为1. 8~2. 0%， 其通过变质作用细化合金晶粒，显著提高合金的屈服强度，同时氧化生成的CaO和MgO薄 膜起到阻燃效果。在本发明中，所属Ca优选以金属Ca或Mg-Ca中间合金形式添加；当以 Mg-Ca中间合金形式添加时，所述Ca在Mg-Ca中间合金中的质量含量优选为18~22% ;在本 发明中，所述Mg-Ca中间合金的烧损率优先按照20%计算。
[0029] 本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，Sr的质量含量优选为 0. 35~0. 65%，其改善了合金的流动性及综合力学性能。在本发明中，所述Sr优选以金属Sr 或Mg-Sr中间合金形式添加；当以Mg-Sr中间合金形式添加时，所述Sr在Mg-Sr中间合金 中的质量含量优选为18~22%;在本发明中，所述Mg-Sr中间合金的烧损率优选按照20%计 算。
[0030] 本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中，Y的质量含量优选为0. 1~0. 2%， 其通过变质作用明显细化合金晶粒，综合提高材料的拉伸性能。在本发明中，所述Y优选以 金属Y或Mg-Y中间合金形式添加；当以Mg-Y中间合金形式添加时，所述Y在Mg-Y中间合 金中的质量含量优选为23~27%;在本发明中，所述Mg-Y中间合金的烧损率优选按照25%计 算。
[0031] 本发明提供的低成本高强碱土及稀土镁合金中还含有余量的Mg，所述Mg以金属 Mg的形式添加，所述金属Mg的纯度优选为不低于99. 7%。
[0032] 本发明还提供了一种上述技术方案所述低成本高强碱土及稀土镁合金的制备方 法，包括以下步骤： 1) 将金属Mg、金属Al、Mg-Mn、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Sr合金原料预热； 2) 将预热好的金属Mg、Mg-Mn和Mg-Ca在保护气体下熔炼，得到中间镁合金液； 3) 将所述步骤（2)中得到的镁液进行合金化，得到镁合金液； 4) 将所述步骤（3)中得到的镁合金液进行搅拌、保温及打渣，得到均匀化的镁合金液； 5) 将所述步骤（4)中得到的镁合金液进行精炼、降温、静置及打渣，得到纯净且均匀化 的镁合金液； 6) 将所述步骤（5)中得到的镁合金液进行压铸，得到镁合金试样。
[0033] 本发明将金属Mg、金属Al、Mg-Mn、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Sr合金原料进行预热。本 发明对所述的预热操作没有特殊限制，采用本领域技术人员常用的预热技术方案即可。本 发明优选在烤箱中进行预热。在本发明中，所述预热温度优选为300~330°C，更优选为 310~320°C;所述预热时间优选为0. 5~1. 5H，更优选为1. 0~1. 5H。在本发明中，所述预热作 用是除去金属Mg、金属Al、Mg-Mn、Mg-Ca、Mg-Y和Mg-Sr合金原料中的水分，降低合金加入 熔体中爆炸的危险性，同时降低中间合金加入熔体时因温差过大产生的燃烧的现象。
[0034] 本发明将预热好的金属Mg、Mg-Mn和Mg-Ca在保护气体下恪炼，得到中间合金液。 本发明对所述的熔炼操作没有特殊限制，采用本领域技术人员常用的熔炼技术方案即可。 在本发明中，优选对熔炼设备及操作工具进行预热，所述预热温度优选为300~450°C，更优 选为390~410°C。在本发明中，所述熔炼温度优选为720~760°C，更优选为725~735°C。在 本发明中，所述获得的中间合金液的作用是减少纯镁的燃烧。在本发明中，所述熔炼过程 优选在保护气体下进行；本发明中所述保护气体优选为队和SF6的混合气体，N2的流量 优选为 〇. 8~1. 8m3/H，更优选为 0. 9~1. 1m3/H;SFj^流量为 0. 25~0. 65ml/min，更优选为 0. 3~0. 4ml/min。在本发明中，所述保护气体的作用是保护镁合金液不受氧化。
[0035] 本发明将中间镁合金液进行合金化