专利名称：一种高强高韧铸造镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及金属材料镁合金领域，具体为一种高强高韧铸造镁合金及其制备方法。
背景技术：
镁合金是最轻的金属结构材料，具有诸多优点，例如比强度、比刚度高，铸造性能好，导电导热性和电磁屏蔽性好，切削加工性能优良，同时易于回收再利用，这些特点使镁合金在电子、汽车和航空航天等领域得到广泛应用。目前，在现有镁合金的应用中，铸造镁合金的占有量达到90%，主要用于汽车工业。使用量最大的商业铸造镁合金包括AZ91D、AM60B、AS41和AE42等，这些镁合金用于制备变速箱壳体、气冷汽车引擎和仪表板等一般零部件。然而，随着镁合金在汽车上应用的不断拓展，一些重要位置上的承重结构件，例如前置架支撑组件、转向架和轮毂等，也希望使用铸造镁合金制备。但是，以上商用铸造镁合金抗拉强度普遍低于260MPa，其强度不足以满足承重件的性能要求。因此提高铸造镁合金强度使其具有良好的综合力学性能，是新型铸造镁合金的开发热点之一。高强度铸造镁合金性能提升主要依靠合金元素产生的细晶强化，固溶强化和析出强化作用，其中通过时效处理产生的析出强化是提高铸造镁合金强度最重要的手段。稀土元素(RE)和Zn元素可以产生强烈的时效强化效果，因此研究较广的高强度铸造镁合金主要有Mg-RE系和Mg-Zn系。前者以Mg-Y-Nd-Zr系铸造镁合金和Mg-Gd-Y-Zr系铸造镁合金为代表，合金时效处理后屈服强度普遍高于200MPa，抗拉强度高于300MPa。然而，Mg-RE系铸造镁合金往往含有大量重稀土元素，价格昂贵，制备成本极高，主要用于军用和航空航天领域，一般不用于民用。Mg-Zn系铸造镁合金以低成本和高强度的特点而备受关注，ZK61铸造镁合金是典型的商业高强镁合金，成本明显低于一般稀土镁合金，且时效处理后抗拉强度可达275-305MPa。虽然如此，但该合金中含有Zr元素，Zr元素添加困难，成本也相对较高。此外，ZK61镁合金室温延伸率仅为4-7%，不适宜制备高性能结构件。因此，开发一种低成本不含Zr，同时具有高强度和高塑性的铸造Mg-Zn系列合金对拓展镁合金的应用领域具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种高强高韧铸造镁合金及其制备方法，其目的是制备出屈服强度彡205MPa，抗拉强度彡305MPa，延伸率彡10%的高强高韧铸造镁合金。本发明是通过以下技术方案实施的一种高强高韧铸造镁合金，合金各组分及其重量百分比为6. 0 8. 0%Zn、0. 5 I. 5%A1、0. 5 I. 0%Cu、0. 3 0. 7%Mn,其余为 Mg 和不可避免的杂质元素，杂质元素含量< 0. 01%。所述的高强高韧铸造镁合金，镁合金的室温拉伸屈服强为205 230MPa，镁合金的室温抗拉强度为305 330MPa，镁合金的室温延伸率为10 16%。所述的高强高韧铸造镁合金，Mn以Mg-Mn中间合金(Mg90wt. %>MnlOwt. %)的形式加入，Zn、Al和Cu以纯Zn、纯Al和纯Cu的方式来加入。所述高强高韧铸造镁合金的制备方法，按以下步骤进行(I)配料原料采用金属Mg、金属Zn、金属Al、金属Cu和Mg-lOwt. %Mn中间合金，按照所述的重量百分比配料；(2)熔炼采用铁坩埚，在电阻炉中熔炼，控制熔炼温度为74(T760°C，采用混合CO2和SF6作为保护气体；原料在18(T220°C预热，首先加入金属Mg，待金属Mg全部熔化后，力口入金属Cu，熔炼1(T20分钟，后加入Mg-Mn中间合金，熔炼10 20分钟，最后加入金属Zn和Al，熔炼5 15分钟，得到合金熔体；(3)浇注将得到的合金熔体搅拌扒渣并静置15 20分钟后，温度调到70(T72(TC， 按Mg-Zn系铸造镁合金要求快速平稳浇注，得到铸锭；(4)热处理将步骤(3)得到的合金在35(T400°C固溶处理24 64小时，40 60°C温水淬火，之后在5(T70°C预时效8 24小时，最后在15(T200°C时效2飞小时，得到高强高
韧铸造镁合金。浇注时，在正常铸造工艺下，模具采用金属型或砂型，铸造方法采用半连续铸造、金属型铸造或者砂型铸造。本发明的有益效果是I、本发明制备的高强高韧铸造镁合金，在室温拉伸测试下，屈服强度彡205MPa，抗拉强度> 305MPa，延伸率> 10%，具有优良的综合力学性能。2、本发明提供一种同时含有Zn、Al、Cu和Mn元素的高强高韧铸造镁合金，各元素含量控制为Zn6. 0 8. 0%、A10. 5 I. 5%、CuO. 5 I. 0%、MnO. 3 0. 7%。Zn元素具有优异的时效强化能力，时效析出的￠/相(MgZn2)与基体具有共格关系，对合金强化作用非常显著；Cu元素可以提高Mg-Zn系合金的固溶处理温度以使更多的Zn元素固溶于基体中，提高后续时效处理析出相的数量；Al元素可以细化￠/相，并提高其析出数量，进一步增强合金时效硬化能力；Mn元素可以有效改善镁合金耐蚀能力；此外，Al和Mn同时添加可以形成Al-Mn颗粒作为Mg的形核基底，起到细化晶粒和提高强度的作用。3、本发明镁合金的热处理先在35(T400°C固溶处理24 64小时，4(T60°C温水淬火，之后在5(T70°C预时效8 24小时，最后在15(T200°C时效2飞小时，得到高强高韧铸造镁合金。对镁合金进行双级时效处理可以有效提高强度，同时对塑性的恶化作用较小，这时因为较长时间低温预时效处理可以形成数量更多且更加弥散分布的G.P.区，G.P.区是后续时效处理形成￠/相的基础。因此，双级时效处理后镁合金的析出相数量多且细小、弥散，这样的析出相可以有效钉扎位错提高合金强度，同时抑制粗大的孪晶的形成，降低微裂纹形成风险。
图I为实施例2中合金显微组织照片；图2为实施例2中合金拉伸应力-应变曲线。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。实施例I本实施例中，高强高韧铸造镁合金各组分及其重量百分比为8. 0%Zn、0. 5%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质元素含量〈O. 01%。制备方法如下(I)配料原料采用金属Mg、金属Zn、金属Al、金属Cu和Mg-lOwt. %Mn中间合金，合金各组分及其重量百分比为8. 0%Zn、0. 5%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余为Mg ；
(2)熔炼采用铁坩埚，在电阻炉中熔炼，控制熔炼温度为740V，采用CO2和SF6混合作为保护气体(按体积百分比计，99%C02+1%SF6)，原料在200°C预热，首先加入金属Mg，待金属Mg全部熔化后,加入金属Cu,熔炼15分钟,后加入Mg-Mn中间合金,熔炼15分钟,最后加入金属Zn和Al，熔炼10分钟，得到合金熔体；(3)浇注将得到的合金熔体搅拌扒渣并静置18分钟后，温度调到720°C快速平稳烧注，得到铸锭；(4)热处理将步骤(3)得到的合金在380°C固溶处理36小时，50°C温水淬火，之后在70°C预时效24小时，最后在170°C时效4小时，得到高强高韧铸造镁合金。得到的Mg-8Zn-0. 5A1-0. 5Cu_0. 5Mn镁合金屈服强度为213. OMPa,抗拉强度为312. 6MPa，延伸率为 11. 87%。实施例2本实施例中，高强高韧铸造镁合金各组分及其重量百分比为8. 0%Zn、l. 0%A1、
0.5%Cu、0. 5%Mn，其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质元素含量〈O. 01%。制备方法如下(I)配料原料采用金属Mg、金属Zn、金属Al、金属Cu和Mg-lOwt. %Mn中间合金，合金各组分及其重量百分比为8. 0%Zn、l. 0%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余为Mg ；(2)熔炼采用铁坩埚，在电阻炉中熔炼，控制熔炼温度为740V，采用CO2和SF6混合作为保护气体(按体积百分比计，99%C02+1%SF6)，原料在200°C预热，首先加入金属Mg，待金属Mg全部熔化后,加入金属Cu,熔炼15分钟,后加入Mg-Mn中间合金,熔炼15分钟,最后加入金属Zn和Al，熔炼10分钟，得到合金熔体；(3)浇注将得到的合金熔体搅拌扒渣并静置15分钟后，温度调到720°C快速平稳烧注，得到铸锭；(4)热处理将步骤(3)得到的合金在360°C固溶处理56小时，40°C温水淬火，之后在65°C预时效24小时，最后在180°C时效3小时，得到高强高韧铸造镁合金。得到的Mg-8Zn-l. 0A1-0. 5Cu_0. 5Mn镁合金屈服强度为221. 2MPa，抗拉强度为321. 7MPa，延伸率为 11. 73%。如图I所示，从本实施例制得的Mg-8Zn-l. 0A1-0. 5Cu_0. 5Mn镁合金显微组织照片，可以看到，合金晶粒尺寸约为78 yn，晶界和枝晶间分布这灰色和黑色的第二相。如图2所示，从本实施例制得的Mg-8Zn-l. 0A1-0. 5Cu_0. 5Mn镁合金T6状态下工程应力-应变曲线，可以看到，该合金试样屈服强度达到230MPa，抗拉强度达到330MPa，延伸率为14. 5%o
实施例3本实施例中，高强高韧铸造镁合金各组分及其重量百分比为8. 0%Zn、0. 5%A1、
I.0%Cu、0. 5%Mn，其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质元素含量〈O. 01%。制备方法如下(I)配料原料采用金属Mg、金属Zn、金属Al、金属Cu和Mg-lOwt. %Mn中间合金，合金各组分及其重量百分比为8. 0%Zn、0. 5%A1、1. 0%Cu、0. 5%Mn，其余为Mg ；(2)熔炼采用铁坩埚，在电阻炉中熔炼，控制熔炼温度为750°C，采用CO2和SF6混合作为保护气体(按体积百分比计，99%C02+1%SF6)，原料在200°C预热，首先加入金属Mg，待金属Mg全部熔化后,加入金属Cu,熔炼15分钟,后加入Mg-Mn中间合金,熔炼15分钟,最后加入金属Zn和Al，熔炼10分钟，得到合金熔体；(3)浇注将得到的合金熔体搅拌扒渣并静置20分钟后，温度调到720°C快速平稳烧注，得到铸锭；(4)热处理将步骤(3)得到的合金在400°C固溶处理24小时，60°C温水淬火，之后在70°C预时效24小时，最后在200°C时效2小时，得到高强高韧铸造镁合金。得到的Mg-8Zn-0. 5A1-1. OCu-O. 5Mn镁合金屈服强度为209. 4MPa，抗拉强度为
308.2MPa，延伸率为 11. 4%。实施例4本实施例中，高强高韧铸造镁合金各组分及其重量百分比为7. 0%Zn、l. 0%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质元素含量〈O. 01%。制备方法如下(I)配料原料采用金属Mg、金属Zn、金属Al、金属Cu和Mg-lOwt. %Mn中间合金，合金各组分及其重量百分比为7. 0%Zn、l. 0%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余为Mg ；(2)熔炼采用铁坩埚，在电阻炉中熔炼，控制熔炼温度为760°C，采用CO2和SF6混合作为保护气体(按体积百分比计，99%C02+1%SF6)，原料在200°C预热，首先加入金属Mg，待金属Mg全部熔化后,加入金属Cu,熔炼15分钟,后加入Mg-Mn中间合金,熔炼15分钟,最后加入金属Zn和Al，熔炼10分钟，得到合金熔体；(3)浇注将得到的合金熔体搅拌扒渣并静置16分钟后，温度调到720°C快速平稳烧注，得到铸锭；(4)热处理将步骤(3)得到的合金在375°C固溶处理24小时，45°C温水淬火，之后在50°C预时效12小时，最后在150°C时效4小时，得到高强高韧铸造镁合金。得到的Mg-7Zn-l. 0A1-0. 5Cu_0. 5Mn镁合金屈服强度为208. 3MPa，抗拉强度为
309.IMPa，延伸率为 10. 9%o最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。
权利要求
1.一种高强高韧铸造镁合金，其特征在于，合金各组分及其重量百分比为6.0 8· 0%Ζη、0· 5 I. 5%Α1、0· 5 I. 0%Cu、0. 3 O. 7%Mn,其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质元素含量< O. 01%。
2.按照权利要求I所述的高强高韧铸造镁合金，其特征在于，Mn以Mg-lOwt.%Mn中间合金的形式加入，Zn、Al和Cu以纯Zn、纯Al和纯Cu的方式来加入。
3.按照权利要求I所述的高强高韧铸造镁合金，其特征在于，在室温拉伸测试下，屈服强度≥205MPa，抗拉强度≥305MPa，延伸率≥10%。
4.按照权利要求I所述的高强高韧铸造镁合金，其特征在于，镁合金的室温拉伸屈服强度为205 230MPa，镁合金的室温抗拉强度为305 330MPa，镁合金的室温延伸率为IO"I6%ο
5.按照权利要求I所述的高强高韧铸造镁合金的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行 (1)配料原料采用金属Mg、金属Zn、金属Al、金属Cu和Mg-lOwt.%Mn中间合金,按照所述的重量百分比配料； (2)熔炼采用铁坩埚，在电阻炉中熔炼，控制熔炼温度为74(T760°C，采用混合CO2和SF6作为保护气体；原料在18(T220°C预热，首先加入金属Mg，待金属Mg全部熔化后，加入金属Cu，熔炼1(Γ20分钟，后加入Mg-Mn中间合金，熔炼10 20分钟，最后加入金属Zn和Al，熔炼5 15分钟，得到合金熔体； (3)浇注将得到的合金熔体搅拌扒渣并静置15 20分钟后，温度调到70(T720°C，快速平稳浇注，得到铸锭； (4)热处理将步骤(3)得到的合金在35(T400°C固溶处理24 64小时，4(T60°C温水淬火，之后在5(T70°C预时效8 24小时，最后在15(T200°C时效2飞小时，得到高强高韧铸造镁合金。
6.按照权利要求5所述的高强高韧铸造镁合金的制备方法，其特征在于，浇注时，在正常铸造工艺下，模具采用金属型或砂型，铸造方法采用半连续铸造、金属型铸造或者砂型铸造。
全文摘要
本发明涉及金属材料镁合金领域，具体为一种含有Zn、Al、Cu和Mn元素的高强高韧铸造镁合金。合金各组分及其重量百分比为6.0~8.0%Zn、0.5~1.5%Al、0.5~1.0%Cu、0.3~0.7%Mn，其余为Mg和不可避免的杂质元素，杂质元素含量<0.01%。制备方法用铁坩埚熔炼Mg，熔炼温度为740~760℃，当纯镁全部熔化后，再依次加入预热好的纯金属Zn、Al、Cu和Mg-10wt.%Mn中间合金进行合金化，纯镁熔化和合金化过程均采用混合CO2和SF6作为保护气体，搅拌扒渣并静置15~20分钟后将合金熔体温度调到700~720℃，浇铸成锭。合金在350~400℃固溶处理24~64小时，40～60℃温水淬火，之后在50~70℃预时效8~24小时，最后在150~200℃时效2~6小时，得到高强高韧铸造镁合金，在室温拉伸测试下，屈服强度≥205MPa，抗拉强度≥305MPa，延伸率≥10%，具有优良的综合力学性能。
文档编号C22C1/02GK102978497SQ20121047588
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者杨院生, 王晶, 董旭光, 刘瑞东, 罗天骄 申请人:中国科学院金属研究所