专利名称：一种Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金的制作方法
技术领域：
本发明属于轻金属镁合金材料类，涉及镁合金的室温性能和高温性能的改性。
背景技术：
镁合金作为最轻的金属结构材料，在节能减排任务尤重当今社会情况之下，将会有很好的应用前景，因为在航天、军工、汽车及其他很多行业中，减重即可降低能耗。同时， 还因为镁合金具有比重轻、比强度比刚度高、阻尼减振降噪能力强、液态成型性能优越和易于回收利用等优点被誉为21世纪“绿色结构材料”。虽然镁合金有诸多优点，但也有一些限制其应用的不足之处。现有的镁合金塑性和屈服强度普遍较差，尤其是镁合金的高温抗蠕变性能差，使得镁合金的不能长期工作在温度超过120°C的环境中，因此这就限制了镁合金零件不能作为一些耐热部件来使用，大大的限制了镁合金的应用范围。也正是基于这些原因，现在国内外对高强高韧镁合金以及耐热镁合金的研究都倾注了很大的热情。但现在已经开发出来的高强度耐热(如专利CN 101532106A、CN 101532107A、CN 101225493A)、应用较多的镁合金大多含有较多的稀土元素，使得其经济成本增加，使得其在汽车行业等民用领域大量使用受限制。现在也有研发出来的一些不含稀土的耐热镁合金，如Mg-Al-Ca 系、Mg-Al-Si 系和 Mg-Al-Sr 系等。但是，根据专利 CN 101476072A、CN 1614064A 以及 R. Ninomiya 等发表在 Acta metal. Mater 上的文献 Improved heat resistance of Mg-Al alloys by the Ca addition，可知Mg-Al-Ca系合金中因为容易形成尺寸较为粗大的 Mg2Ca的相和Al2Ca相，恶化合金室温力学性能，同时较高的Ca含量使得合金铸造困难； Mg-Al-Si系合金组织中存在粗大的汉子状的Mg2Si相，严重危害其力学性能，使得其只能在快速冷却的压铸工艺下成型，这也是不少研究者致力于解决的问题(如专利CN 1936062A、 CN 101161840A);Mg-Al-Sr系的AJ52、AJ62等合金熔炼及浇注温度要求高，压铸难，而且在普通的重力铸造下为AJ52合金的抗拉强度仅为150MPa左右，延伸率仅为6%左右。综上所述，现在研发出来的耐热镁合金存在经济成本高，成型工艺要求苛刻，特别是室温性能不很理想等不足之处，使得镁合金的应用受到不同程度的限制。因此，开发出经济性高，强度和塑性较好的耐热镁合金，能够在很大程度上扩展镁合金的应用领域，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有耐热镁合金的不足之处，提供一种耐热性能良好，同时又具有较高的室温性能的一种高强韧性耐热镁合金。为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是一种高强韧耐热镁合金，由以下的质量百分比的组分组成2 10Wt.%Sn， 0. 5 5wt. %Sr, 1 7wt. %M, M 为 Zn 或 Al 或 Zn 和 Al，余量为 Mg。所述的强塑性耐热镁合金由镁锭、锡锭、铝锭和中间合金Mg-Sr为原料熔炼而成， 不排除加入其它少量合金元素(<lwt. %)，如Mn、Zr、RE、Sb、Si等。本发明的基合金组分为Mg-Sn-Sr，不含价格较高的稀土元素。本发明中Sn为第一
3组分，Mg-Sn 二元合金凝固区间小，其最大的液固温度范围是67°C，这与Mg-Al、Mg-Zn合金最大的液固温度范围136°C、283°C相比要窄得多，因此Mg-Sn合金凝固过程诸如缩孔疏松、 热裂等铸造缺陷少。Sn在Mg中的固溶度从在共晶形成温度561°C的14. 85wt%到200°C的 0. 45wt%，如此大的固溶度的变化范围，为后续的时效处理以提高机械性能提供了很大的空间，可开发出强韧性能优良的镁合金；析出相Mg2Sn (FCC晶体结构，a=0.676nm，空间群)的熔点高达771. 5°C，开发以Mg-Sn为基础抗蠕变合金有很好的前景。另外，相对于镁稀土系列耐热镁合金，锡的价格要低廉。因此，Mg-Sn系列合金具有广阔的市场前景。Mg-Sn合金最大的优势在于时效过程中弥散分布于晶内的Mg2Sn沉淀相粒子将从本质上改善其基体高温性能。碱土金属对于提高镁合金的耐热性能已经开始受到重视，本发明中采用碱土金属 Sr来进一步提高Mg-Sn系合金的耐热性能，因为加入Sr后与Mg和Sn形成的MgSnSr相和 Mg17Sr2相具有较高的熔点，热稳定性好，而且Sr能改善合金的耐蚀性和铸造性能。Al和Zn 在镁合金中有较高的固溶度，能够发挥固溶强化作用，同时Al和Zn在镁合金中有较为明显的晶粒细化作用，根据已有研究同样可知Al和Zn既能提高镁合金的强度，又能提高镁合金的韧性。在Mg-Sn-Sr合金中，Al、Zn可以和Mg及Sr形成热稳定性好的Al4Sr相、Mg-Al-Sr 和Mg-Al-Zn三元相以及Mg-Sn-Al-Sr和Mg-Al-Zn-Sr四元相，从而进一步提高合金的耐热性能，由于Al和Zn本身在镁合金中的固溶度以及与Mg、Sn、Sr等形成第二相的消耗，在 Mg-Sn-Sr合金中加入Al以及Zn的含量少于7wt%时也不会有明显的非热稳相Mg17Al12和低熔点相MgZn的析出，不会影响到合金的耐热性能。本发明高强韧耐热铸造镁合金的制备实施方法包括如下步骤。(1)将镁锭、锡锭、铝锭和Mg-Sr中间合金按照目标合金中组分含量的质量百分比进行配料，并放入烘干箱中预热至120°C左右。(2)将坩埚加热至760°C，放入步骤(1)中预热的镁锭，通入N2和F6S混合气体的保护。(3)待步骤(2)中的镁锭熔化后，将温度调至730°C，保温5分钟后放入放入步骤 1)中预热的纯锡、铝锭和Mg-Sr中间合金。(4)步骤(3)保温15分钟，保证加入的合金充分熔化后，再充分搅拌广2分钟，以保证合金液充分混合。(5)搅拌后静置15分钟以上后测温，保证合金液温度稳定在720°C左右，撇渣，然后浇注入预热的金属型模具中。即得到目标合金。步骤(2)所述的N2和F6S混合保护气体中SF6的体积分数为0. 01°/Γ %。步骤5) 所述的金属型模具预热至24(T260°C。本发明的优点及有益效果如下。1、本发明的镁合金铸造工艺简单，为普通重力铸造。2、本发明与现有的高强耐热镁合金相比，合金经济成本低。3、本发明的镁合金以Mg-Sn-Sr为基和基合金，通过加入廉价金属Al、Zn来提高其强度和塑性，所发明合金成分范围未见报道。4、本发明的镁合金室温强度和高温抗蠕变能力都有较大提高，本发明的镁合金铸态下抗拉强度可达到240MPa，屈服强度为120MPa左右，延伸率可达到12%左右，175°C， 55MPa时的稳态蠕变速率明显低于已商用的AJ52X镁合金。
图1为本发明对比例1的组织扫描图(SEM)。图2为本发明实施例3-1的组织扫描图(SEM)。图3为本发明对比例1和实施例3-1在175°C，55MPa时的压缩蠕变曲线。
具体实施例方式下面将通过三个对比例和三类实例对本发明作进一步说明。对比例1 一种含Sn和Sr的重力铸造耐热镁合金，所述镁合金中各组分的质量百分比为3 wt. % Sn,2 wt. % Sr，余量为Mg和不可避免的杂质。对比例2 —种含Sn和Sr的重力铸造耐热镁合金，所述镁合金中各组分的质量百分比为5 wt. % Sn,2 wt. % Sr，余量为Mg和不可避免的杂质。对比例3 —种含5 wt. % Al和2 wt. % Sr以及微量Mn的AJ系耐热镁合金AJ52X。实施例类一在Mg-Sn-Sr基合金中添加Zn。实施例1-1 一种含Zn的Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为3 wt. % Sn,2 wt. % Sr, 4 wt. % Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。实施例1-2 —种含Zn的Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为5 wt. % Sn,2 wt. % Sr, 4 wt. % Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。实施例类二 在Mg-Sn-Sr基合金中添加Al。实施例2-1 —种含Al的Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为3 wt. % Sn,2 wt. % Sr, 2 wt. % Al，余量为Mg和不可避免的杂质。实施例2-2 —种含Al的Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为3 wt. % Sn,2 wt. % Sr, 4 wt. % Al，余量为Mg和不可避免的杂质。实施例类三在Mg-Sn-Sr基合金中同时添加Zn和Al。实施例3-1 —种Al和Zn复合添加的Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为3 wt. % Sn,2 wt. % Sr, 4 wt. % Al禾口 2 wt. % Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。实施例3-2 —种Al和Zn复合添加的Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为3 wt. % Sn,2 wt. % Sr, 3 wt. % Al和3 wt. % Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。实施例3-3 —种Al和Zn复合添加的Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为3 wt. % Sn,2 wt. % Sr, 2 wt. % Al和4 wt. % Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。实施例3-4 —种Al和Zn复合添加的Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为5 wt. % Sn,2 wt. % Sr, 3 wt. % Al和3 wt. % Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。如下表1中列出了本发明三个对比例和三类实施例的室温力学性能和高温抗蠕变能力数据，由表1可以看出，Al、Zn的加入对Mg-Sn-Sr基镁合金的室温力学性能和高温抗蠕变性能都有显著提高，Al和Zn对本发明基合金的强化效果相似，Al和Zn复合添加的强化效果比单独添加时更明显。本发明的镁合金强度、塑性和耐热性能配合较好，更重要的是本发明镁合金不含价格较为昂贵的金属元素，因此，本发明的镁合金经济性好。所以，本发明的高强韧耐热镁合金与现有耐热镁合金相比，优势较为明显。表1对比例和实施例的室温力学性能和高温抗蠕变能力比较
权利要求
1.一种Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，其特征在于，化学式为Mg-xSn-ySr-zM， 2wt% ≤ χ ≤ 7wt%、0. 5wt% ^ y ^ 5 wt %、lwt% ≤ ζ ≤ 7wt%,式中 M 为 Al、Zn，其余为 Mg。
2.根据权利要求1所述的一种Mg-Sn-Sr基耐热镁合金，其特征在于合金中同时含有 Sn 和 Sr，其含量分别为:2wt% ^ Sn ^ 7wt%、0. 5wt% ^ Sr ^ 5 wt %。
3.根据权利要求1所述的一种Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中除含有权利要求2所述的Sn和Sr含量之外，还添加Zn，其含量为lwt% ^ Zn ^ 7wt%。
4.根据权利要求1所述的一种Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中除含有权利要求2所述的Sn和Sr含量之外，还添加Al，其含量为lwt% ^ Al ^ 7wt%。
5.根据权利要求1所述的一种Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中除含有权利要求2所述的Sn和Sr含量之外，还同时添加Zn和Al，其含量为 lwt% ≤ Zn+Al ≤ 7wt%。
6.根据权利要求1所述的一种Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中还少量添加含量为 0. 001wt%-lwt% 的 Mn、Zr、RE、Sb、Si。
7.根据权利要求1所述的一种Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中还有少量不可避免的杂质，如Cu、Ni、Fe、Be，其总含量小于0. 02wt%。
全文摘要
本发明涉及的是一种铸造镁合金材料，提供一种具有良好综合力学性能的Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金。该合金的成分为Mg-xSn-ySr-zM,其中2wt%≤x≤7wt%、0.5wt%≤y≤5wt%、1wt%≤z≤7wt%,M为Al和Zn中的至少一种元素，其余为Mg及不可避免的杂质。本发明的镁合金铸态下抗拉强度可达到240MPa，屈服强度为120MPa左右，延伸率可达到12%，175℃，55MPa时稳态蠕变速率低于已商用AJ52X合金。
文档编号C22C23/04GK102296219SQ20111014114
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者李世成, 肖素芬, 陈云贵 申请人:四川大学