一种耐热镁合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐热镁合金及其制备方法，该耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成：3％～8％Al，0.5％～1.5％Zn，0.1～0.7％Sr，0.3％～1.5％CaO，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明的耐热镁合金，通过向Mg-Al合金中添加Zn、碱土元素Sr以及CaO，利用多元微合金化改善镁合金的显微组织，进而提高其力学性能；合理选择合金化元素，通过控制廉价添加元素的含量，发挥了各组分的协同强化作用，提高了镁合金的力学性能和耐热性能；显微组织均匀，合金阻燃性能优异，具有较高的室温和高温强度；采用廉价添加物代替稀土，在保持较高的力学性能的基础上，极大地降低了镁合金的成本，适合推广应用。
【专利说明】一种耐热镁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金材料金属领域，具体涉及一种耐热镁合金，同时还涉及一种耐热 镁合金的制备方法。
【背景技术】
[0002] 镁及镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料，在许多应用领域都具有十分显著 的优势，特别是在航空航天、汽车摩托车和高速轻轨列车方面具有难以替代的优势。目前商 用镁合金基本上可以分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。在铸造镁合金中AZ系由于具 有低廉的价格和良好的铸造工艺而应用最为广泛，主要有AZ91系列和AM60/50系列，但是 该系列合金存在塑性较差以及高温强度较低的缺陷。
[0003]为了适应市场需求，提高镁合金的应用范围和领域，科研工作者对现有的镁合金 进行了微合金化和晶粒细化等研究，力求提高镁合金的室温和高温力学性能，所用的合金 化元素主要有稀土元素、碱土元素以及铝、锌、锡等元素。Mg-Al-Si、Mg-Al-RE、Mg-Al-Ca、 Mg-Al-Sn、Mg-Al-Ca-RE、Mg-Y-Nd等系列耐热镁合金被先后开发，但是，在上述所研制的耐 热镁合金中真正得到应用的仅有少数，如Mg-A1-RE系列中的AE42合金、Mg-Y-Nd系列中的 WE43和WE54、Mg-Al-Ca系列中的AX51以及Mg-Al-Si系列中的AS41和AS21等，这些得到 应用的耐热镁合金也因为各自不同的问题使得应用范围受到限制：如AE42和WE43等均含 有大量的RE等贵金属元素，合金成本较高限制了其广泛应用；而对于含Si的AS41和AS21 合金，其组织中存在粗大汉字状的Mg2Si相，损害了其力学性能。因此，有必要研发经济性 高、强度和塑性好、蠕变性能优异的新型耐热镁合金，能够很大程度上扩大镁合金的应用范 围，具有非常重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种耐热镁合金，解决现有镁合金不能同时兼顾低成本和高 使用性能的问题。
[0005] 本发明的第二个目的是提供一种耐热镁合金的制备方法。
[0006] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种耐热镁合金，由以下质量百 分比的组分组成：3%?8% A1，0. 5%?1. 5% Ζη，0. 1 ?0. 7% Sr，0. 3%?1. 5% CaO,余 量为Mg和不可避免的杂质。
[0007] 本发明的耐热镁合金是以镁、铝、锌、氧化钙以及中间合金Mg-Sr为原料熔炼铸造 并经过固溶和时效热处理制备而成。
[0008] 一种上述的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
[0009] 1)将原料镁、锌、铝在C02+SF6混合气体保护下熔化，形成合金熔液A ;
[0010] 2)当合金熔液A的温度为680?700°C时，加入中间合金Mg-Sr和氧化钙并保温 lOmin，待合金全部熔化后去除表面浮渣，升温至720°C后，得合金熔液B ;
[0011] 3)待合金熔液B的温度降至680°C，浇铸到模具中，得铸态合金；
[0012] 4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，即得所述耐热镁合金。
[0013] 所述原料镁、锌、铝、中间合金Mg-Sr和氧化钙使用前经预热处理。
[0014] 所述预热的温度为150?200°C。
[0015]步骤3)中所述模具在浇铸前经预热处理。
[0016] 所述模具预热处理的温度为180?250?。
[0017] 步骤4)中所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和实效处理。
[0018] 所述固溶处理的温度为415?430°C，处理时间为10?14h。固溶处理后水冷至 室温。
[0019] 所述时效处理的温度为200?250°C，处理时间为10?20h。时效处理后空冷至 室温。
[0020] 所述固溶处理是在氧化镁粉末覆盖下进行。
[0021] 本发明的耐热镁合金，合金组分为Mg-Al-Zn-Sr-CaO。本发明采用A1元素为第一 组分，A1是镁合金中重要的合金元素，在镁基体中有很大的固溶度，可以起到明显的强化作 用，其强化作用表现在两方面，一是通过形成Mgl7A112相的第二相强化，二是通过A1原子 在镁基体中的固溶强化。由于Mgl7A112相易于软化，故合金中A1的含量控制在8%以下， 但是过低的A1会损害镁合金的铸造性能特别是合金的流动性，A1的含量不应低于3%，故 镁合金中的A1含量为3%?8% A1。本发明中Zn的含量为0. 5%?1. 5%，Zn在镁合金中 具有固溶强化与时效强化双重作用，同时Zn的添加能够提高合金的塑性。Sr具有较低的密 度，可以提高镁合金高温性能，此外它能提高Mg固溶体的熔点，在镁合金中扩散速度缓慢 且对合金的流动性没有明显影响。Mg-Al合金中添加少量的Ca可改善其显微组织和力学性 能，Ca可细化晶粒，提高室温强度，也可在组织中生成高熔点强化相A12Ca，改善高温强度， 但Ca过量会影响铸造性能，CaO取代Ca在Mg-Al系合金中进行添加，是一种更加低成本的 提高镁合金力学性能和阻燃性能的方法，少量CaO能够替代Ca在镁合金中所起到的有益作 用，提高镁合金的燃点以及抗高温氧化性能，能够细化镁合金的显微组织进而提高其力学 性能，但CaO过量会影响铸造性能，因此本发明的CaO加入量不高于1. 5%。
[0022] 本发明的耐热镁合金，合金组分为Mg-Al-Ζη-Sr-CaO,通过向Mg-Al合金中添加 Zn、碱土元素 Sr以及CaO,利用多元微合金化改善镁合金的显微组织，进而提高其力学性 能；合理选择合金化元素，通过控制廉价添加元素的含量，发挥了各组分的协同强化作用， 提高了镁合金的力学性能和耐热性能；本发明的耐热镁合金，显微组织均匀，合金阻燃性能 优异，室温抗拉强度可达到257MPa，150?时的抗拉强度达到209MPa，200°C时的抗拉强度 达到172MPa，具有较高的室温和高温强度；采用廉价添加物代替稀土，在保持较高的力学 性能的基础上，极大地降低了镁合金的成本，适合推广应用。
[0023] 本发明的耐热镁合金的制备方法，以镁、铝、锌、氧化钙以及中间合金Mg-Sr为原 料熔炼铸造并经热处理，所得镁合金显微组织均匀，合金阻燃性能优异，具有较高的室温和 高温强度；所用原料廉价易得，熔炼和铸造的难度低，过程易于控制,极大地降低了生产成 本，工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
【具体实施方式】 [0025] 中涉及的原料镁（Mg)，铝（Al)、锌（Zn)、氧化钙（CaO)和中间合金 Mg-Sr均为市售产品。
[0026] 实施例1
[0027] 本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：3% A1，0. 9% Ζη，0. 7% Sr，0.3°/li CaO,余量为Mg和不可避免的杂质。其中，杂质元素 Si、Fe、Cu和Ni的总质量百 分比小于0. 2%。
[0028] 本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
[0029] 1)将原料镁、锌、铝、中间合金Mg-Sr和氧化钙颗粒在150°C条件下预热；
[0030] 2)采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼，将预热后的原料镁、锌、铝在C02+SF6混合气 体保护下熔化，形成合金熔液A ;
[0031] 3)当合金熔液A的温度为680°C时，加入预热后的中间合金Mg-Sr和氧化钙颗粒 并保温lOmin，待合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至720°C后停止升温，得合金熔 液B ;
[0032] 4)将钢制模具在21CTC条件下预热，待合金熔液B的温度降至680°C，浇铸到预热 后的模具中，得铸态合金；
[0033] 5)对步骤4)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理在氧化镁 粉末覆盖下进行，处理温度为430°C，处理时间为l〇h，后水冷至室温；失效处理的温度为 200°C，处理时间为20h，后空冷至室温，即得合金组分为Mg-3A1-0. 9Zn-0. 7Sr_0. 3CaO的耐 热镁合金。
[0034] 实施例2
[0035] 本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：6%A1，1.5% Ζη，0. 4% Sr，0. 8% CaO,余量为Mg和不可避免的杂质。其中，杂质元素 Si、Fe、Cu和Ni的总质量百 分比小于0.2%。
[0036] 本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
[0037] 1)将原料镁、锌、铝、中间合金Mg-Sr和氧化钙颗粒在200°C条件下预热；
[0038] 2)采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼，将预热后的原料镁、锌、铝在C02+SF6混合气 体保护下熔化，形成合金熔液A ;
[0039] 3)当合金熔液A的温度为690°C时，加入预热后的中间合金Mg-Sr和氧化钙颗粒 并保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至720°C后停止升温，得合金熔 液B ;
[0040] 4)将钢制模具在180°C条件下预热，待合金熔液B的温度降至680°C，浇铸到预热 后的模具中，得铸态合金；
[0041] 5)对步骤4)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理在氧化镁 粉末覆盖下进行，处理温度为420°C，处理时间为12h，后水冷至室温；失效处理的温度为 230°C，处理时间为15h，后空冷至室温，即得合金组分为Mg-6A1-1. 5Zn-0. 4Sr-0. 8CaO的耐 热镁合金。
[0042] 实施例3
[0043] 本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：8% A1，0. 5% Ζη，0. 1% Sr，l. 5% CaO,余量为Mg和不可避免的杂质。其中，杂质元素 Si、Fe、Cu和Ni的总质量百 分比小于0. 2%。
[0044] 本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
[0045] 1)将原料镁、锌、铝、中间合金Mg-Sr和氧化钙颗粒在175°C条件下预热；
[0046] 2)采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼，将预热后的原料镁、锌、铝在C02+SF6混合气 体保护下熔化，形成合金熔液A ;
[0047] 3)当合金熔液A的温度为700°C时，加入预热后的中间合金Mg-Sr和氧化钙颗粒 并保温lOmin，待合金全部熔化后去除表面浮渣，将温度升至720°C后停止升温，得合金熔 液B;
[0048] 4)将钢制模具在250°C条件下预热，待合金熔液B的温度降至680?，烧铸到预热 后的模具中，得铸态合金；
[0049] 5)对步骤4)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理在氧化镁 粉末覆盖下进行，处理温度为41 5°C，处理时间为14h，后水冷至室温；失效处理的温度为 250?，处理时间为10h，后空冷至室温，即得合金组分为Mg-8Al-0. 5Zn-0. lSr-1. 5CaO的耐 热镜合金。
[0050] 实验例
[0051] 本实验例对实施例1-3所得耐热镁合金的抗拉强度和延伸率进行检测，试验方法 为：按照国家标准GB6397-S6《金属拉伸实验试样》加工成5倍标准拉伸试样，在日本岛津 AG-I25〇kN电子拉伸试验机上进行拉伸，拉伸速率为lmm/min ;在进行高温拉伸时，要保温 10分钟，再进行拉伸。结果如表1所示。
[0052] 表1实施例1-3所得耐热镁合金的抗拉强度和延伸率检测结果
[0053]
【权利要求】
1. 一种耐热镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：3 %?8 % Al， 0. 5%?1. 5% Ζη，0. 1?0. 7% Sr，0. 3%?1. 5% CaO,余量为Mg和不可避免的杂质。
2. -种如权利要求1所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于：包括下列步骤： 1) 将原料镁、锌、铝在C02+SF6混合气体保护下熔化，形成合金熔液A ; 2) 当合金熔液A的温度为680?700°C时，加入中间合金Mg-Sr和氧化钙并保温lOmin， 待合金全部熔化后去除表面浮渣，升温至720°C后，得合金熔液B ; 3) 待合金熔液B的温度降至680°C，浇铸到模具中，得铸态合金； 4) 对步骤3)所得铸态合金进行热处理，即得所述耐热镁合金。
3. 根据权利要求2所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于：所述原料镁、锌、铝、中 间合金Mg-Sr和氧化钙使用前经预热处理。
4. 根据权利要求3所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于：所述预热的温度为 150 ?200。。。
5. 根据权利要求2所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述模具在 浇铸前经预热处理。
6. 根据权利要求5所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于：所述模具预热处理的 温度为180?250°C。
7. 根据权利要求2所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于：步骤4)中所述热处理 是对铸态合金依次进行固溶处理和实效处理。
8. 根据权利要求7所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理的温度 为415?430°C，处理时间为10?14h。
9. 根据权利要求7所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理的温度 为200?250°C，处理时间为10?20h。
10. 根据权利要求7、8或9所述的耐热镁合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理 是在氧化镁粉末覆盖下进行。
【文档编号】C22C23/02GK104233026SQ201410251362
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】陈君, 李梅菊, 李全安, 张清, 李武会, 刘文闯, 陈晓亚, 陈雷雷 申请人:河南科技大学