CN105018812B - 一种耐热镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
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％～9％Al，2％～9％Sn，1％～5％Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明的耐热镁合金，合金元素种类少，成本低；合金成分简单，熔炼混合过程易于控制，降低了制备的难度；所得镁合金显微组织均匀，析出相分布均匀弥散，具有较高的室温、高温抗拉强度和屈服强度，在200℃时抗拉强度在206MPa以上，屈服强度在162MPa以上，同时塑性也得到较大改善，具有较高的性价比。
Description
技术领域
本发明属于镁合金技术领域，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
镁及镁合金作为工程应用中最轻的金属结构材料，具有低密度、高比强度和比刚度、优异阻尼减震性能以及良好散热性的优点，在许多领域应用都有十分显著的优势。目前商用镁合金基本上可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。其中AZ91D含有8.3％～9.7％的Al，0.15％～0.50％的Mn，0.35％～1.0％的Zn，余量为Mg和不可避免的杂质，极限抗拉强度为240～250MPa；AM60B含有5.5％～6.5％的Al，0.24％～0.60％的Mn，不超过0.22％的Zn，余量为Mg和不可避免的杂质，极限抗拉强度为225～240MPa；AM50A含有4.4％～5.5％的Al，0.26％～0.60％的Mn，不超过0.22％的Zn，余量为Mg和不可避免的杂质，极限抗拉强度为210～230MPa。
上述镁合金的耐热性能都较差，当环境温度超过120℃后，镁合金的强度会陡然下降，限制了其在许多工业设备和产品上的应用。为了扩大镁合金的应用范围和领域，科研工作对现有的镁合金进行了大量探索研究，尽管许多科研工作对现有镁合金进行了许多改性，但是应用性并不理想。
现有技术中，CN104674092A公开了一种含Sm的Mg-Al-Zn系耐热镁合金，各组分及其重量百分数为：Al为2～11％，Zn为1.5～3％，Sm为1.8～4％，Ag为0.2～1.8％，Ca为0.1～1.9％，Sr为0.1～0.7，Sn为0.1～0.9％，Ti为0.1～0.5％，余量为Mg。该镁合金通过引入适量稀土元素Sm、碱土元素Ca和Sr以及其他元素Ag、Sn、Ti，通过多组元微合金化的方法对合金进行改性，并将得到的铸态合金进行热处理，所得Mg-Al-Zn系合金具有较高的室温和高温抗拉强度，屈服强度和塑性也得到一定的改善。但是，上述镁合金所用合金元素种类多，合金成分复杂，熔炼混合过程不易控制；所用合金元素种类多，个别元素成本较高，造成镁合金整体成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐热镁合金，合金元素种类少，成本低。
本发明的第二个目的是提供一种耐热镁合金的制备方法。
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％～9％Al，2％～9％Sn，1％～5％Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。
优选的，所述的耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成：7％Al，5％Sn，4％Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。
上述耐热镁合金中，杂质的质量含量低于0.1％。
所述耐热镁合金是以纯镁、纯铝、纯锡与中间合金Mg-Sm为原料熔炼铸造并经热处理制备而成。
所述纯镁为纯镁锭；所述纯铝为纯铝锭；所述纯锡为纯锡粒。
一种上述的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
1)将纯镁、纯铝、纯锡与中间合金Mg-Sm进行预热；
2)将预热后的纯镁、纯铝、纯锡在CO2与SF6混合气体保护下熔化，加热至700～720℃时加入中间合金Mg-Sm，保温至合金全部熔化后去除表面浮渣；后升温至730～740℃，搅拌，再降温至690～700℃并保温，得合金液；
3)将步骤2)所得合金液浇注至模具中，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。
步骤1)中，所述预热的温度为180～200℃，预热时间为1～2h。
步骤2)中，在690～700℃保温4～8min。
步骤3)中，所述模具为金属模具；模具使用前经过预热，所述预热的温度为250～300℃。
步骤4)中，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。
所述固溶处理的温度为430～440℃，处理时间为15～20h，后热水淬火至室温；所述热水的温度为80～100℃。所述固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧。
所述时效处理的温度为220～260℃，处理时间为16～24h，后空冷至室温。
镁铝系镁合金是目前工业上应用最为广泛的镁合金，该系列合金具有较好的的室温力学性能、铸造性及机加工性能。本发明的耐热镁合金，Al元素为该合金的第一组分，是镁合金重要的合金元素，在镁中有大的固溶度，其强化作用表面在两方面，一是通过形成Mg17Al12金属间化合物的第二相强化，二是通过Al原子在镁基体中形成固溶体的固溶强化。镁铝锌系镁合金中的Mg17Al12相热稳定性较差，高温下易于软化，使得该合金 的高温性能较差。Sn作为镁合金重要的合金元素，Sn在共晶温度561℃时的固溶度为14.58％，而在200℃时的固溶度仅仅为0.45％，因此Sn在镁合金中具有较好的固溶强化和析出强化效果，且Sn在镁合金中能够形成高熔点的Mg2Sn金属间化合物，具有弥散强化效果，因此合金中Sn的添加量定为2～9％，最优重量百分比为5％。本发明的耐热镁合金中，Sm作为重要的添加元素，Sm在Mg合金中的固溶度较大，具有较好的析出强化效果，同样在镁合金中能够形成高熔点的金属间化合物，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Sm的加入量不低于1wt％，同时为了避免合金密度增加太多，以及合金过分脆化，Sm的加入量不高于6wt％，因此合金中Sm的添加量定为1～5％，最优重量百分比为4％。
本发明的耐热镁合金，含有3％～9％的Al、2％～9％的Sn、1％～5％的Sm，余量为Mg和不可避免的杂质；该镁合金的合金元素种类少，成本低；合金成分简单，熔炼混合过程易于控制，降低了制备的难度；所得镁合金显微组织均匀，析出相分布均匀弥散，具有较高的室温、高温抗拉强度和屈服强度，在200℃时抗拉强度在206MPa以上，屈服强度在162MPa以上，同时塑性也得到较大改善，具有较高的性价比。
本发明的耐热镁合金的制备方法，通过熔炼的方法在Mg-Al系合金中添加适量的Sm和Sn，对合金进行改性，并将得到的铸态合金进行热处理，所得镁合金显微组织均匀，析出相分布均匀弥散，具有较高的室温和高温抗拉强度，塑性也得到较大改善；该制备方法工艺简单，操作方便，过程易于控制，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：7％Al，5％Sn，4％Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒与中间合金Mg-Sm置于200℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为1h；
2)将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至710℃时加入中间合金Mg-Sm，保温10min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至690℃并保温5min，得合金液；
3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模 具的预热温度为300℃；
4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为430℃，处理时间为16h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧)，后用80℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为230℃，处理时间为18h，后空冷至室温，即得所述耐热镁合金。
实施例2
本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：4％Al，6％Sn，3％Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒与中间合金Mg-Sm置于180℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为2h；
2)将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至720℃时加入中间合金Mg-Sm，保温7min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；将温度升至740℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至700℃并保温4min，得合金液；
3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模具的预热温度为270℃；
4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为440℃，处理时间为15h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧)，后用100℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为220℃，处理时间为24h，后空冷至室温，即得所述耐热镁合金。
实施例3
本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：6％Al，8％Sn，2％Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒与中间合金Mg-Sm置于190℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为1.5h；
2)将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至700℃时加入中间合金Mg-Sm，保温15min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；将温度升至735℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至695℃并保温8min，得合金液；
3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模 具的预热温度为250℃；
4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为435℃，处理时间为17h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧)，后用85℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为250℃，处理时间为20h，后空冷至室温，即得所述耐热镁合金。
实施例4
本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：8％Al，3％Sn，5％Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒与中间合金Mg-Sm置于185℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为2h；
2)将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至705℃时加入中间合金Mg-Sm，保温14min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至690℃并保温8min，得合金液；
3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模具的预热温度为260℃；
4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为430℃，处理时间为20h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧)，后用90℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为260℃，处理时间为22h，后空冷至室温，即得所述耐热镁合金。
实施例5
本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：9％Al，2％Sn，3％Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒与中间合金Mg-Sm置于200℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为1h；
2)将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至715℃时加入中间合金Mg-Sm，保温12min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；将温度升至735℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至700℃并保温4min，得合金液；
3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模 具的预热温度为280℃；
4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为435℃，处理时间为18h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧)，后用95℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为240℃，处理时间为24h，后空冷至室温，即得所述耐热镁合金。
实施例6
本实施例的耐热镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5％Al，9％Sn，4％Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例的耐热镁合金的制备方法，包括下列步骤：
1)将纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒与中间合金Mg-Sm置于195℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为1.5h；
2)将预热后的纯镁锭、纯铝锭、纯锡粒在CO2+SF6混合气体保护下熔化，加热至720℃时加入中间合金Mg-Sm，保温7min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；将温度升至740℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至695℃并保温6min，得合金液；
3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模具的预热温度为290℃；
4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为440℃，处理时间为15h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧)，后用95℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为220℃，处理时间为16h，后空冷至室温，即得所述耐热镁合金。
实验例
本实验例对实施例1-6所得耐热镁合金的性能进行检测，结果如表1所示。
表1实施例1-6所得耐热镁合金的性能检测结果
从表1可以看出，实施例1-6所得耐热镁合金的室温抗拉强度为257～267MPa，屈服强度为185～196MPa；200℃时的抗拉强度达到206～219MPa，屈服强度达到162～167MPa。实验结果表明，本发明所得耐热镁合金在室温～200℃范围内具有高的抗拉强度和屈服强度，耐热性能及力学性能优异。
Claims (6)
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：7%~9%Al，2%~9%Sn，4%~5%Sm，余量为Mg和不可避免的杂质；
耐热镁合金的制备方法包括以下步骤：
1）将纯镁、纯铝、纯锡与中间合金Mg-Sm进行预热；
2）将预热后的纯镁、纯铝、纯锡在CO2与SF6混合气体保护下熔化，加热至700~720℃时加入中间合金Mg-Sm，保温至合金全部熔化后去除表面浮渣；后升温至730~740℃，搅拌，再降温至690~700℃并保温，得合金液；
3）将步骤2）所得合金液浇注至模具中，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；
所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理；固溶处理的温度为430~440℃，处理时间为15~20h，后热水淬火至室温，热水的温度为80~100℃；时效处理的温度为220~260℃，处理时间为16~24h，后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的耐热镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：7%Al，5%Sn，4%Sm，余量为Mg和不可避免的杂质。
3.一种如权利要求1或2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）将纯镁、纯铝、纯锡与中间合金Mg-Sm进行预热；
2）将预热后的纯镁、纯铝、纯锡在CO2与SF6混合气体保护下熔化，加热至700~720℃时加入中间合金Mg-Sm，保温至合金全部熔化后去除表面浮渣；后升温至730~740℃，搅拌，再降温至690~700℃并保温，得合金液；
3）将步骤2）所得合金液浇注至模具中，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；
所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理；固溶处理的温度为430~440℃，处理时间为15~20h，后热水淬火至室温，热水的温度为80~100℃；时效处理的温度为220~260℃，处理时间为16~24h，后空冷至室温。
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：步骤1）中，所述预热的温度为180~200℃，预热时间为1~2h。
5.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：步骤2）中，在690~700℃保温4~8min。
6.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：步骤3）中，所述模具为金属模具；模具使用前经过预热，所述预热的温度为250~300℃。
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