本发明涉及一种低成本高强耐热镁合金及其制备方法，具体涉及一种mg-sn-zn合金及其制备方法，属于工业用镁合金的范畴。
背景技术：
镁合金是最轻的金属结构材料，具有比强度比刚度高、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成形、可以回收再利用等优点，镁合金是汽车、轨道交通、电子通讯、航空航天及国防军工等领域的重要材料。随着镁合金在汽车上应用的不断拓展，如从原先的变速箱壳体、仪表盘、车门等一般零部件向发动机支架、活塞、轮毂等重要位置的结构件和功能件发展，人们也在开发满足各种不同要求的镁合金，如高强高韧耐热镁合金、高温抗蠕变镁合金等。
传统的镁合金如az91d、am60b、az80、az31、zk60等获得了广泛的应用，依然是目前应用量最大的几种镁合金。但是这些合金都具有某些缺点，例如在200℃以上温度的强度(≤100mpa)和抗蠕变性能非常低。这些年新开发的vw75、we71等稀土镁合金，虽然具有非常高的高温力学性能，但由于含有大量的稀土金属(总量大于13％)，导致该类镁合金的成本也非常高，制约着镁合金的推广应用。总之，传统镁合金材料的牌号、品种规格少，综合性能与相应的铝合金相比尚存在较大差距，制约着镁合金在上述领域的应用。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种低成本高强耐热镁合金，具体为一种mg-sn-zn合金。它能满足较高力学性能和高温抗蠕变性能的要求，具有比现有稀土镁合金如vw75、we71低得多的成本。
本发明的另一个目的是提供一种低成本高强耐热镁合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种低成本高强耐热镁合金，该镁合金的成份含量为：sn的含量为5～15wt％，zn的含量为2～7wt％，并且，其中sn和zn的总含量为8～19wt％，其余为mg。
优选的，镁合金中，sn的含量为7～14wt％，zn的含量为3～5wt％。
优选的，镁合金中，sn和zn的总含量为10～17wt％。
锡元素在镁合金中的作用以及机理如下：
1、根据mg-sn、sn-zn二元相图，合金元素sn、zn与mg都能生成稳定的金属间化合物，而合金元素sn与zn之间不生成金属间化合物，本发明的mg-sn-zn合金具有sn和zn的协同强化潜力，即通过“固溶+沉淀”处理，可以生成mg2sn、mgzn两种强化相。
2、sn在аmg中的最大固溶度为14.5wt％(原子百分比为3.35)，沉淀强化相mg2sn的熔点高达770.5℃，远高于稀土镁合金的强化相熔点(比如mg5gd为658℃，mg24y5为605℃)。按照镁合金的沉淀强化理论，沉淀强化相熔点越高，表明该强化相软化的温度越高，该镁合金材料的软化温度就越高，使得该镁合金材料可以在更高温度服役或者应用。
3、锡的熔点很低，只有231.6℃，很容易均匀熔化到镁熔液中，金属烧损少，可以显著减低该类镁合金的熔炼成本。另一方面，目前金属锡的市场价格为150元/公斤左右，镁合金中的强化效果最好的稀土金属钆和钇的市场价格都是300元/公斤左右，金属锡的价格只有稀土金属钆和钇的1/2。因此，锡在镁合金中作用是替代常用的稀土金属钆和钇，既可以提高镁合金的高温强度，同时还降低镁合金成本。以上几种效果综合起来成本可以降低7～20％。
4、sn元素在镁合金中的含量在5～15wt％内比较合适。小于5wt％时，由于生成的mg2sn强化相少，强化作用不明显；大于15wt％时，生成的mg2sn强化相过多，超过sn在αmg中的固溶度极限太多，导致在该镁合金热变形加工过程中，由于不能回溶的mg2sn强化相多，容易发生变形开裂产生废品以及降低该镁合金材料的塑性。
锌元素在镁合金中的作用以及机理如下：
1、mg-zn二元合金相图较复杂，富镁端于348℃进行共晶转变l→α+mgzn。mg-zn二元系中的mgzn化合物具有六方结构，a＝53.3nm，c＝171.6nm，熔点为348℃。在共晶温度(340℃)时zn在mg中的固溶度为w(zn)＝6.2％，300℃时为w(zn)＝6.0％，250℃时为w(zn)＝3.3％，200℃时为w(zn)＝2.0％，150℃时为w(zn)＝1.7％，室温下w(zn)<1.0％。因此，在共晶温度以下，zn在镁中的固溶度随着温度降低而减小，有mg-zn化合物从αmg中沉淀析出，mgzn是硬脆相，通过固溶+人工时效使该相以细小弥散形式均匀析出，mg-zn合金具有沉淀强化效果。
2、纯粹的mg-zn二元合金在实际中几乎没有得到应用，因为该合金的组织粗大，对显微缩孔非常敏感。但这一合金有一个明显的优点，就是可通过时效硬化来显著地改善合金的强度。因此，mg-zn系合金的进一步发展，需要寻找第三种合金元素，以细化晶粒并减少显微缩孔的倾向。本发明镁合金中的元素sn不仅起到强化作用，同时还可以与zn共同作用细化晶粒并减少显微缩孔的倾向。
3、zn元素在镁合金中的含量在2～7wt％内比较合适。小于2wt％时，由于生成的mg3sn2强化相少，强化作用不明显；大于7％时，生成的mgzn强化相过多，超过zn在αmg中的固溶度极限太多，导致在该镁合金热变形加工过程中，由于不能回溶的mgzn强化相多，容易发生变形开裂产生废品以及降低该镁合金材料的塑性。
上述低成本高强度耐热镁合金的制备方法，包括下述步骤：
(1)备料；
(2)预热炉、熔化炉升温；
(3)预热纯镁锭、纯sn锭和纯zn锭；
(4)在保护气体的保护下或者覆盖剂的保护下分批熔化预热纯镁锭；
(5)将预热后的sn锭和zn锭没入镁熔液中熔化；
(6)sn和zn完全溶解后，再保温一段时间，使合金元素sn和zn均匀分布在镁熔液中；如将镁熔液温度控制在720～830℃，待sn和zn完全溶解后，再在720～800℃保温10～60分钟，使合金元素sn和zn均匀分布在镁熔液中；
(7)将镁合金熔液浇铸成铸锭或铸件；或者进行连续或半连续铸造成铸锭后再进行轧制、挤压、拉拔和/或锻造等工艺变形加工成板材、管材、型材、棒材、线材或各种锻件；或者进行挤压铸造或压铸成铸件。
该方法包括下述具体步骤：
(1)按照本发明所述的镁合金的成份及其重量百分比进行备料；
(2)将预热炉升温到120～410℃，优选为120～400℃，并将熔化炉升温到500～800℃，优选为600～620℃，且向熔化炉通入保护气体；
(3)在预热炉中，将纯镁锭和纯zn锭预热到120～400℃，优选为260～360℃，同时将纯sn锭预热到120～200℃；
(4)在已经预热的熔化炉中进行纯镁锭的熔炼，首先将预热后的占该批次熔化纯镁锭重量的1/2～1/20加入熔化炉中，使其在保护气体的保护下或者覆盖剂的保护下完全熔化，然后将其余的预热后的纯镁锭分批加入到熔化炉中，待前一批预热后的纯镁锭熔化后，再加入下一批预热后的镁锭，每批加入量以纯镁锭完全淹没在镁熔液中为准；如此重复进行，直至纯镁锭加入量达到预定值，完全熔化后，将熔液表面的浮渣清理干净，将温度控制在720～780℃，优选为760～780℃；
(5)将预热后的纯sn锭和纯zn锭连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中；
(6)将镁熔液温度控制在700～830℃，待sn和zn完全溶解后，采用镁合金精炼剂对该镁合金熔液进行搅拌精炼，再在720～800℃保温10～60分钟，使合金元素sn和zn均匀分布在镁熔液中，然后将熔液表面的浮渣清理干净；
(7)最后，将镁合金熔液浇铸到充分预热过的金属型铸造模具或者砂型铸造模具中凝固成铸锭或铸件；或者将镁合金熔液输送到结晶器中，进行连续或半连续铸造，然后采用轧制、挤压、拉拔和/或锻造等工艺变形加工成板材、管材、型材、棒材、线材或各种锻件；或者将镁合金熔液根据铸件重量分批浇注到挤压铸造机或压铸机中，挤压铸造或压铸成铸件。
步骤(2)中，所述的保护气体为sf6和n2的混合气体，其中sf6含量为0.2～0.5％(体积％)，其余为n2。
步骤(5)中，所述的加料筐为低碳钢或高铬钢制成，其上密布着大量的小孔，便于sn和zn的溶解和扩散；进一步地，加料筐可由cr13号钢板加工制成，钢板上分布有筛子状的小孔；钢板的厚度可为3mm，小孔的直径为φ5mm。加料筐与盛放的纯sn锭或纯zn锭一起预热。
本发明的优点：
本发明的镁合金具有较高的室温力学性能，与az80镁合金相当，但高温(比如170℃以上)性能，比如屈服强度提高约50mpa以上，抗蠕变强度提高约70mpa以上，与we83、we71等稀土镁合金相当，能满足较高力学性能和高温抗蠕变性能的要求，且成本比we83、we71等稀土镁合金低7～20％。
本发明的低成本高强度的耐热镁合金，除了具有上述优异力学性能特点以外，其密度在1.89～1.95g/cm3，与同等强度铝合金相比，减重约1/3，对于航空航天、高速列车以及汽车等领域的轻量化具有重要作用。另一方面，镁、锡、锌都是人体中的必需元素。其中，在糖类代谢过程中，镁是酶反应的催化剂。每个成年人的体内含有20～25g的镁，约一半集中在骨骼内。人体内的镁一旦失去平衡，就会引起多方面的病变，如易患关节病、白血病、胃癌、糖尿病等。锡是人体不可缺少的微量元素之一，它对人们进行各种生理活动和维护人体的健康有着重要影响。首先表现在抗肿瘤方面。因为锡在人体的胸腺中能够产生抗肿瘤的锡化合物，抑制癌细胞的生成。此外，锡能促进蛋白质和核酸的合成，有利于身体的生长发育；也能促进血红蛋白的分解，从而影响血红蛋白的功能。还能抑制铁的吸收和卟啉类的生物合成，从而促进组织生长和创伤愈合，并能参与能量代谢。并且组成多种酶以及参与黄素酶的生物反应，能够增强体内环境的稳定性等。人体缺锡会导致蛋白质和核酸的代谢异常，阻碍生长发育，尤其是儿童，严重者会患上侏儒症。锌在人体生长发育、生殖遗传、免疫、内分泌等重要生理过程中是必不可少的物质，如果人体缺锌就会影响身体机能。综上所述，人们长期大量使用本发明的镁合金材料制造的各类零部件，可以使人体内的镁、锌保持平衡，从而避免多方面的病变产生。
总之，本发明的镁合金能满足较高力学性能和高温抗蠕变性能的要求，且成本低。
具体实施方式
实施例1：1000公斤mg-7sn-2zn镁合金熔炼方法
1、熔炼准备
接通预热炉、熔化炉的电源，升温。将预热炉升温到120～400℃，将熔化炉升温到600～620℃，向熔化炉内通入保护气体(0.2～0.5％(体积％)sf6+n2)。
2、纯镁锭、纯sn锭和纯zn锭预热
采用预热炉将表面洁净的910公斤纯镁锭和20公斤纯zn锭预热到260～360℃、70公斤纯sn锭预热到120～200℃，其中纯sn锭和纯zn锭分别盛放在sn和zn加料筐中，连同加料筐一起放入预热炉中预热。加料筐采用3mm厚的cr13号钢板加工制成，在钢板上钻出大量的φ5mm的小孔，使之成筛子状。
3、纯镁锭熔化
首先加入80～90公斤表面洁净的纯镁锭，使其在保护气体的保护下或者覆盖剂(如2号熔剂，成分为38～46％mgcl2+32～40％kcl+3～5％caf2+5.5～8.5％cacl2)等的保护下完全熔化，然后分批将预热到设定温度的纯镁锭加入到熔化炉中。第1次加入约25～40公斤，具体加入量以镁锭完全淹没在镁液中为准；待完全熔化后再加入第2批预热后的镁锭，加入量仍然以镁锭完全淹没在镁液中为准；如此反复，直至镁锭加入量达到预定值910公斤，完全熔化后，用扒渣勺将熔液表面的浮渣清理干净，将温度控制在760～780℃。
4、合金化
将预热后的纯sn锭和纯zn锭连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中，加料筐为低碳钢或高铬钢制成，其上密布着大量的小孔，便于sn和zn的溶解和扩散；将镁熔液温度控制在700～830℃，待sn和zn完全溶解后，采用镁合金精炼剂(如5号镁合金精炼剂，成分为24～30％mgcl2+20～26％kcl+13～15％caf2+12～16％cacl2)对该镁合金熔液进行搅拌精炼，再在720～800℃保温10～60分钟，使合金元素sn和zn均匀分布在镁熔液中，然后将熔液表面的浮渣清理干净。
5、铸锭
用熔体转移泵将镁合金熔液输送到结晶器中，进行半连续铸造成铸锭。至此熔炼铸锭结束。
本发明的mg-7sn-2zn镁合金铸锭经过轧制变形成板材再热处理后具有如下性能：室温抗拉强度σb为285～300mpa，屈服强度σ0.2为225～235mpa；170℃时的抗拉强度σb为255～265mpa，屈服强度σ0.2为170～185mpa；170℃、150mpa应力持续加载10小时，产生的蠕变变形小于0.2％。
实施例2：1000公斤mg-15sn-4zn镁合金熔炼方法
1、熔炼准备
接通预热炉、熔化炉的电源，升温。将预热炉升温到120～400℃，将熔化炉升温到600～620℃，向熔化炉内通入保护气体(0.2～0.5％(体积％)sf6+n2)。
2、纯镁锭、纯sn锭和纯zn锭预热
采用预热炉将表面洁净的810公斤纯镁锭和40公斤纯zn锭预热到260～360℃、150公斤纯sn锭预热到120～200℃，其中纯sn锭和纯zn锭分别盛放在sn和zn加料筐中，连同加料筐一起放入预热炉中预热。加料筐采用3mm厚的cr13号钢板加工制成，在钢板上钻出大量的φ5mm的小孔，使之成筛子状。
3、纯镁锭熔化
首先加入80～90公斤表面洁净的纯镁锭，使其在保护气体的保护下或者覆盖剂(如2号熔剂)的保护下完全熔化，然后分批将预热到设定温度的纯镁锭加入到熔化炉中。第1次加入约25～40公斤，具体加入量以镁锭完全淹没在镁液中为准；待完全熔化后再加入第2批预热后的镁锭，加入量仍然以镁锭完全淹没在镁液中为准；如此反复，直至镁锭加入量达到预定值810公斤，完全熔化后，用扒渣勺将熔液表面的浮渣清理干净，将温度控制在760～780℃。
4、合金化
将预热后的纯sn锭和纯zn锭连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中，加料筐为低碳钢或高铬钢制成，其上密布着大量的小孔，便于sn和zn的溶解和扩散；将镁熔液温度控制在700～830℃，待sn和zn完全溶解后，采用镁合金精炼剂(如5号镁合金精炼剂)对该镁合金熔液进行搅拌精炼，再在720～800℃保温10～60分钟，使合金元素sn和zn均匀分布在镁熔液中，然后将熔液表面的浮渣清理干净。
5、铸锭挤压或者挤压铸造成形
(1)铸锭挤压
铸锭挤压就是用熔体转移泵将镁合金熔液浇铸到充分预热过的金属型铸造模具中凝固成铸锭。本发明的mg-15sn-4zn镁合金铸锭经过挤压变形加工成型材再热处理后具有如下性能：室温抗拉强度σb为425～450mpa，屈服强度σ0.2为345～370mpa；250℃时的抗拉强度σb为260～275mpa，屈服强度σ0.2为,185～200mpa；250℃、150mpa应力持续加载10小时，产生的蠕变变形小于0.2％。
(2)挤压铸造成形
挤压铸造成形就是根据铸件重量，用熔体转移泵将镁合金熔液分批浇铸到挤压铸造机中，挤压铸造成铸件。本发明的mg-15sn-4zn镁合金经过挤压铸造成形和热处理后具有如下性能：其室温抗拉强度σb为305～330mpa，屈服强度σ0.2为245～270mpa；250℃时的抗拉强度σb为245～265mpa，屈服强度σ0.2为165～190mpa；250℃、150mpa应力持续加载10小时，产生的蠕变变形小于0.2％。
实施例3：1000公斤mg-5sn-7zn镁合金熔炼方法
1、熔炼准备
接通预热炉、熔化炉的电源，升温。将预热炉升温到120～400℃，将熔化炉升温到600～620℃，向熔化炉内通入保护气体(0.2～0.5％(体积％)sf6+n2)。
2、纯镁锭、纯sn锭和纯zn锭预热
采用预热炉将表面洁净的880公斤纯镁锭和70公斤纯zn锭预热到260～360℃、50公斤纯sn锭预热到120～200℃，其中纯sn锭和纯zn锭分别盛放在sn和zn加料筐中，连同加料筐一起放入预热炉中预热。加料筐采用3mm厚的cr13号钢板加工制成，在钢板上钻出大量的φ5mm的小孔，使之成筛子状。
3、纯镁锭熔化
首先加入80～90公斤表面洁净的纯镁锭，使其在保护气体的保护下或者覆盖剂(如2号熔剂)等的保护下完全熔化，然后分批将预热到设定温度的纯镁锭加入到熔化炉中。第1次加入约25～40公斤，具体加入量以镁锭完全淹没在镁液中为准；待完全熔化后再加入第2批预热后的镁锭，加入量仍然以镁锭完全淹没在镁液中为准；如此反复，直至镁锭加入量达到预定值880公斤，完全熔化后，用扒渣勺将熔液表面的浮渣清理干净，将温度控制在760～780℃。
4、合金化
将预热后的纯sn锭和纯zn锭连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中，加料筐为低碳钢或高铬钢制成，其上密布着大量的小孔，便于sn和zn的溶解和扩散；将镁熔液温度控制在700～830℃，待sn和zn完全溶解后，采用镁合金精炼剂(如5号镁合金精炼剂)对该镁合金熔液进行搅拌精炼，再在720～800℃保温10～60分钟，使合金元素sn和zn均匀分布在镁熔液中，然后将熔液表面的浮渣清理干净。
5、铸锭锻压或者压铸成形
(1)铸锭锻压
铸锭锻压就是用熔体转移泵将镁合金熔液输送到结晶器中，进行半连续铸造成铸锭。本发明的mg-5sn-7zn镁合金铸锭经过锻压变形加工成锻件再热处理后具有如下性能：室温抗拉强度σb为400～425mpa，屈服强度σ0.2为335～350mpa；150℃时的抗拉强度σb为245～275mpa，屈服强度σ0.2为180～200mpa；150℃、150mpa应力持续加载10小时，产生的蠕变变形小于0.2％。
(2)压铸成形
根据铸件重量，用熔体转移泵将镁合金熔液分批浇铸到压铸机中，压铸成铸件。本发明的mg-5sn-7zn镁合金经过压铸成形和热处理后具有如下性能：其室温抗拉强度σb为300～315mpa，屈服强度σ0.2为240～255mpa；150℃时的抗拉强度σb为235～250mpa，屈服强度σ0.2为165～180mpa；150℃、150mpa应力持续加载10小时，产生的蠕变变形小于0.2％。
实施例4：1000公斤mg-10sn-5zn镁合金熔炼方法
1、熔炼准备
接通预热炉、熔化炉的电源，升温。将预热炉升温到120～400℃，将熔化炉升温到600～620℃，向熔化炉内通入保护气体(0.2～0.5％(体积％)sf6+n2)。
2、纯镁锭、纯sn锭和纯zn锭预热
采用预热炉将表面洁净的850公斤纯镁锭和50公斤纯zn锭预热到260～360℃、100公斤纯sn锭预热到120～200℃，其中纯sn锭和纯zn锭分别盛放在sn和zn加料筐中，连同加料筐一起放入预热炉中预热。加料筐采用3mm厚的cr13号钢板加工制成，在钢板上钻出大量的φ5mm的小孔，使之成筛子状。
3、纯镁锭熔化
首先加入80～90公斤表面洁净的纯镁锭，使其在保护气体的保护下或者覆盖剂(如2号熔剂)等的保护下完全熔化，然后分批将预热到设定温度的纯镁锭加入到熔化炉中。第1次加入约25～40公斤，具体加入量以镁锭完全淹没在镁液中为准；待完全熔化后再加入第2批预热后的镁锭，加入量仍然以镁锭完全淹没在镁液中为准；如此反复，直至镁锭加入量达到预定值850公斤，完全熔化后，用扒渣勺将熔液表面的浮渣清理干净，将温度控制在760～780℃。
4、合金化
将预热后的纯sn锭和纯zn锭连同盛放它们的加料筐一起没入镁熔液中，加料筐为低碳钢或高铬钢制成，其上密布着大量的小孔，便于sn和zn的溶解和扩散；将镁熔液温度控制在700～830℃，待sn和zn完全溶解后，采用镁合金精炼剂(如5号镁合金精炼剂)对该镁合金熔液进行搅拌精炼，再在720～800℃保温10～60分钟，使合金元素sn和zn均匀分布在镁熔液中，然后将熔液表面的浮渣清理干净。
5、铸锭挤压或者金属型铸造成形
(1)铸锭挤压
铸锭挤压就是用熔体转移泵将镁合金熔液浇铸到充分预热过的金属型铸造模具中凝固成铸锭。本发明的mg-10sn-5zn镁合金铸锭经过挤压变形加工成型材再热处理后具有如下性能：室温抗拉强度σb为405～430mpa，屈服强度σ0.2为325～340mpa；200℃时的抗拉强度σb为265～275mpa，屈服强度σ0.2为,195～210mpa；200℃、150mpa应力持续加载10小时，产生的蠕变变形小于0.2％。
(2)金属型铸造成形
金属型铸造成形就是根据铸件重量，用熔体转移泵将镁合金熔液分批浇铸到金属型模具中，凝固成铸件。本发明的mg-10sn-5zn镁合金经过金属型铸造成形和热处理后具有如下性能：其室温抗拉强度σb为260～290mpa，屈服强度σ0.2为225～240mpa；175℃时的抗拉强度σb为245～265mpa，屈服强度σ0.2为175～190mpa；175℃、150mpa应力持续加载10小时，产生的蠕变变形小于0.2％。