专利名称：一种Mg-Zn-Cu-Zr合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金材料技术领域，具体是一种Mg-Zn-Cu-a·合金。
背景技术：
镁合金是当今世界发展最快的一种轻合金，被誉为“21世纪最具开发和应用潜力 的绿色工程材料”。镁合金的一系列特殊性能如密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振降噪 能力强、电磁屏蔽性能优异、切削加工性和热成形性好和易于回收利用等，使其在汽车、电 器电子、航空航天、国防军工、交通等领域都具有重要的应用价值和广阔的应用前景。在当前现有的商业化镁合金中，Mg-Zn系合金因可产生明显的固溶强化和时效强 化效应而备受国内外研究者们的青睐。相对目前商用广泛应用的Mg-Al-Si合金来说，由于 其形成的Mg-ai相较Mg-Al相(常为Mg17Al12)高温稳定性能要好，故在较高温工作应用领 域(如汽车活塞等)具有更诱人的前景。然而，简单的Mg-ai 二元合金由于存在较大的热 冷缩敏感性、铸造缺陷较大、不易焊接、时效析出组织粗大且不均勻分布等缺点，大大限制 了在实际工业上的生产和应用。在Mg-Si 二元合金基础上添加微合金元素Cu形成的Mg-Zn-Cu (ZC系)合金是上 世纪八十年代由英国的Magnesium Elektron Limited公司研发出来的，是迄今商业化应用 比较成功的一种新型耐热镁合金。Cu的加入能明显克服上述Mg-Si 二元合金的一些缺点， 其高温性能比传统的Mg-Al-Si合金更优良，可广泛用于汽车发动机部件和推进器等，这类 合金的典型牌号有ZC63、ZC62、ZC71等。经对现有技术的文献检索发现，国内外对Mg-Zn-Cu (ZC系)合金的研究尚少，主 要集中在Mg-Zn-Cu-Mn四元合金上。微量元素Mn的加入是为了改善ZC系镁合金的铸 造性能及耐腐蚀性能。但Magnesium Elektron Limited公司的W. Unsworth等人报道 (W. Unsworth, Light Metal Age 45(1987) 10-13)指出加入的Mn虽然可提高合金的屈服强 度，但同时却使合金的抗拉强度和延伸率有所降低。在充分时效的Mg-6ai-XCu-0. 5Mn合 金中，获得最佳力学性能时典型的Cu含量范围为1. 5% 3%，相应的最大抗拉强度、屈服 强度、延伸率分别为230-240MPa、160-170MI^和3% _6%。此类合金虽然强度值能满足一 般的工业要求，但其韧性水平较低，尤其对镁合金耐腐蚀性能不利的合金元素Cu含量偏高 (1. 5% 3% )。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种新型低成本、高性能的Mg-Zn-Cu-^·合金。 本发明所涉及的合金可通过普通铸造的方法及后续的热处理制备，具有良好的铸造性能及 优异的综合力学性能，可以应用于汽车、交通、航空航天等重要工业领域。本发明是通过以下技术方案实现的一种Mg-Zn-Cujr合金，合金组分的重量百分比为Zn 5 7%，Cu 0. 5 2%， Zr 0.3 0.8%，余量为 Mg。
所述合金组分的重量百分比的优选范围为Zn 6%, Cu 0. 5 1. 0%, Zr 0. 3 0.8%，余量为Mg。本发明合金的制备方法，包括如下步骤(1)采用工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mg-a 中间合金为原料，按照合金 的各组分配比计算出原料所需的重量百分比；(2)将上述纯镁锭在熔剂或保护气氛作用下加热到完全熔化，再在680 700°C时 加入纯锌锭，在720 740°C时加入Mg-Cu中间合金和中间合金，保温5 10分钟后 搅拌，而后升温至760 780°C静置20 30分钟，然后降温至700 720°C并在保护气氛 下铸造成合金铸锭；(3)将上述合金铸锭在430 450°C下进行固溶处理8 M小时后，在160 200°C下进行时效处理15 25小时，即可得到所述合金。所述步骤(1)的熔剂为RJ-I或RJ-2。所述步骤(1)的保护气氛为SF6AD2的混合气体或氩气。所述步骤O)的铸造方式为金属模铸造、砂型铸造或压铸铸造。本发明合金的成分设计依据为(1)由Mg-Si 二元相图可知，在共晶温度340°C下，Si在Mg中的最大固溶度约为 6. 2%，而Cu元素的加入能提高合金的共晶温度，使合金可以在更高的温度下(优选430 4500C )进行固溶处理，从而提高溶质元素Si的固溶度。故本发明加入5 7% Si以获得 理想的固溶强化和析出强化效果从而提高合金的强度，优选添加量为6% ；(2)本发明合金加入0. 5 2% Cu是为了改善合金的铸造性能、耐热性能、综合 力学性能。通过微合金化Cu可促进合金的时效硬化效应而提高合金的强度，同时降低镁 基的c/a比而显著提高合金的塑性。但因Cu元素本身对镁合金的耐腐蚀性能不利(虽然 W. Unsworth的研究指出Cu对Mg-Si系合金的耐腐蚀性能影响不如Cu对Mg-Al系合金的 耐腐蚀性能影响明显)，此外考虑到Cu在Mg中的固溶度较低(在440°C时约为0. 5% )，故 Cu的添加量上限为2%，优选添加范围为0. 5 1. 0% ；(3)本发明合金加入0. 3 0. 8% ^ ，一方面是为了细化合金的晶粒而进一步改善 合金的塑性，另一方面是通过先形成的高熔点ai-a 相为后续时效过程中析出的主要强化 相Mg-ai相提供异质形核中心，从而有效促进合金的时效析出效率，此外ττ的加入还可改 善合金的耐腐蚀性能。与现有技术相比，本发明合金采用成本相对低廉的合金元素，可通过普通的铸造 方法及后续热处理制备，操作工艺简单、生产效率高。本发明合金具有良好的铸造性能及 优异的综合力学性能，经充分热处理后最大抗拉强度、屈服强度、延伸率可分别达到240 270MPa、160 19OMI^a和11 17%。本发明合金优异的塑性无论是对实际工业生产上的 应用，还是发展性能将为更加优异的变形镁合金都具有极其重要的价值和意义。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明的作进一步说明，但本发明的内容不限于下述的实 施例。实施例1
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步骤一，按照重量百分比Si为6 %，Cu为0. 5 %，Zr为0. 6 %，余量为Mg的合金组 分配比进行配料，原料为工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mglr中间合金；步骤二，将纯镁锭在SF6AD2的混合气体保护下加热，待纯镁锭完全熔化后，在 680°C时加入纯锌锭，在720°C时加入Mg-Cu中间合金和中间合金，保温5分钟后搅 拌，而后升温至760°C静置20分钟，然后降温至700°C时在保护气氛下进行金属模铸造成合 金铸锭；步骤三，将上述合金铸锭在430°C下进行固溶处理8小时，随后对固溶处理后的合 金在180°C下进行时效处理15小时，从而得到本发明高性能的Mg-6ai-0. 5Cu_0. 6Zr合金。实施例2步骤一，按照重量百分比Si为6 %，Cu为1. 0 %，Zr为0. 6 %，余量为Mg的合金组 分配比进行配料，原料为工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mglr中间合金；步骤二，将纯镁锭在氩气的保护下加热，待纯镁锭完全熔化后，在685°C时加入纯 锌锭，在725°C时加入Mg-Cu中间合金和Mg-Zr中间合金，保温6分钟后搅拌，而后升温至 770°C静置25分钟，然后降温至700°C时在保护气氛下进行金属模铸造成合金铸锭；步骤三，将上述合金铸锭在435°C下进行固溶处理10小时，随后对固溶处理后的 合金在180°C下进行时效处理18小时，从而得到本发明高性能的Mg-6Zn-l. OCu-O. 6Zr合
^^ ο实施例3步骤一，按照重量百分比Si为5 %，Cu为1. 5 %，Zr为0. 6 %，余量为Mg的合金组 分配比进行配料，原料为工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mglr中间合金；步骤二，将纯镁锭在SF6AD2的混合气体保护下加热，待纯镁锭完全熔化后，在 6900C时加入纯锌锭，在730°C时加入Mg-Cu中间合金，和中间合金，保温8分钟后搅 拌，而后升温至770°C静置25分钟，然后降温至710V时在保护气氛下进行金属模铸造成合 金铸锭；步骤三，将上述合金铸锭在440°C下进行固溶处理20小时，随后对固溶处理后的 合金在180°C下进行时效处理20小时，从而得到本发明高性能的Mg-Mn-1. 5Cu_0. 6Zr合
^^ ο实施例4步骤一，按照重量百分比Si为6 %，Cu为2. 0 %，Zr为0. 6 %，余量为Mg的合金组 分配比进行配料，原料为工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mglr中间合金；步骤二，将纯镁锭在SF6AD2的混合气体保护下加热，待纯镁锭完全熔化后，在 700°C时加入纯锌锭，在740°C时加入Mg-Cu中间合金和中间合金，保温10分钟后搅 拌，而后升温至780°C静置30分钟，然后降温至720V时在保护气氛下进行金属模铸造成合 金铸锭；步骤三，将上述合金铸锭在445°C下进行固溶处理M小时，随后对固溶处理后的 合金在200°C下进行时效处理25小时，从而得到本发明高性能的Mg-6ai-2Cu-0. 6Zr合金。性能对比下表为经铸造及后续热处理得到的不同成分的镁合金室温拉伸性能，其中对比合 金 1 为英国的 Magnesium Elektron Limited 公司 W. Unsworth 等人研发的 Mg-6Zn_(l. 5 3)Cu-0.5Mn 合金(W. Unsworth, Light Metal Age 45 (1987) 10-13)，对比合金 2 为日本国 立材料研究所的 J.Buha 研发的 Mg-6Zn-2Cu-0. IMn 合金(J. Buha,Materials Science and Engineering A 489 (2008) 127-137)，本案1 4为采用本发明技术得到的Mg-Si-Cu-^ 合
金 ο
权利要求
1.一种Mg-Zn-Cu-a·合金，其特征在于，所述合金组分的重量百分比为Zn 5 7%， Cu 0. 5 2%，Zr 0. 3 0. 8%，余量为 Mg。
2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金组分的重量百分比为Zn6%, Cu 0. 5 1. 0%, Zr 0. 3 0. 8%，余量为 Mg。
3.根据权利要求1或2所述合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤(1)采用工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-Cu中间合金和Mg-^ 中间合金为原料，按照合金的各 组分配比计算出原料所需的重量百分比；(2)将上述纯镁锭在熔剂或保护气氛的保护下加热至完全熔化，再在680 700°C时加 入纯锌锭，在720 740°C时加入Mg-Cu中间合金和中间合金，保温5 10分钟后搅 拌，而后升温至760 780°C静置20 30分钟，然后降温至700 720°C并在保护气氛下 铸造成合金铸锭；(3)将上述合金铸锭在430 450°C下进行固溶处理8 M小时后，在160 200°C下 进行时效处理15 25小时，即可得到所述合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的熔剂为RJ-I或RJ-2。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤⑴的保护气氛为SF6/C02 的混合气体或氩气。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤( 的铸造方式为金属模铸 造、砂型铸造或压铸铸造。
全文摘要
本发明公开了一种Mg-Zn-Cu-Zr合金，其组分的重量百分比为Zn 5～7％，Cu 0.5～2％，Zr 0.3～0.8％，余量为Mg。本发明合金采用成本相对低廉的合金元素，通过普通的铸造方法及后续热处理制备而成，操作工艺简单、生产效率高。本发明合金具有良好的铸造性能及优异的综合力学性能。
文档编号C22C23/04GK102071345SQ20111002618
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者伍翠兰, 刘江文, 朱红梅, 焦东玲, 罗承萍 申请人:华南理工大学