專利名稱：廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種變形鎂合金，具體是一種廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金。用于金屬材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎂合金具有高比強(qiáng)度、比剛度、比彈性模量和高靜電屏蔽性，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色金屬。目前，鎂合金還沒有大規(guī)模地在汽車、軍工、航空、電子電器等行業(yè)廣泛應(yīng)用的主要原因是90％的鎂合金產(chǎn)品來自壓鑄工藝獲得，限制了產(chǎn)品的品種和類型；鎂壓鑄件的90％局限于室溫使用的小型結(jié)構(gòu)件。常規(guī)Mg-Al基鎂合金如AM50A、AZ31和AZ91D等具有優(yōu)良的鑄造性能，低廉的成本，但是高溫強(qiáng)度和耐熱性能較差，已經(jīng)嚴(yán)重制約了鎂合金的進(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用。因此，開發(fā)出適合于飛機(jī)翼肋、導(dǎo)彈彈翼、艙體等部件的高強(qiáng)耐熱變形鎂合金及其制備工藝，是擴(kuò)大鎂合金大規(guī)模地在汽車、軍工、航空、電子電器等行業(yè)廣泛應(yīng)用的必由之路。
目前，除了稀土可以提高鎂合金的強(qiáng)度和耐熱性外，Ca也被廣泛認(rèn)為是提高鎂合金強(qiáng)度和耐熱性的有益元素。Ca與Mg-Al基鎂合金中Al結(jié)合形成高熔點(diǎn)Al2Ca相，在改善鎂合金的抗拉強(qiáng)度和耐熱性能方面顯示出巨大的潛力。同時，鑄態(tài)組織經(jīng)塑性變形(擠壓，軋制等)后，組織得到細(xì)化，鑄造缺陷消除，因而，變形鎂合金具有更高的強(qiáng)度，延展性，更多樣化的力學(xué)性能。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，R.Ninomiya等人在《Acta metal.mater》(材料與冶金學(xué)報(bào)，1995，43669-674)上發(fā)表的“Improved heat resistance of Mg-Al alloysby the Ca addition”(鈣對Mg-Al基鎂合金耐熱性的提高)一文，該文提出Mg-(3％-9％)Al-(1％-5％)Ca合金中，當(dāng)Ca/Al的質(zhì)量比大于0.8時，組織中存在的Al2Ca耐熱相，使合金在中溫條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗耐熱性能，其蠕變性能與AE42相當(dāng)，315℃仍然具有較高的硬度。但是，由于使用了較高含量的Ca元素，易產(chǎn)生熱裂，合金的塑韌性很低，鑄造性能也很差。而且，鑄造組織中形成了粗大的Al2Ca相，嚴(yán)重降低了合金的室溫力學(xué)性能，從而限制了該合金的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有鎂合金高溫強(qiáng)度和耐熱性的不足，提出一種廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金，通過加入Ca細(xì)化鑄態(tài)組織，生成高熔點(diǎn)的耐熱相Al2Ca相，使其克服鎂合金耐熱性能不足的問題，同時，通過塑性變形工藝，使鑄態(tài)組織破碎、細(xì)化、致密。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金成分及其重量百分比為3-9％Al，0.5-2.5％Ca，0.1-1％Mn，0.05-1.0％Zn，雜質(zhì)元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
本發(fā)明以3-9％Al作為基本成分，同時加入0.5-2.5％Ca以提高合金的耐熱性能和細(xì)化合金組織，加入Zn是賦予合金以必要的強(qiáng)度與鑄造性能，加入0.1-1％的Mn是為了提高合金的抗腐蝕性能。本發(fā)明形成的合金的高溫強(qiáng)度及耐熱性能遠(yuǎn)超過目前含稀土的耐熱鎂合金AE42，與鑄造性能、耐腐蝕性能及成本與鎂合金AZ91相當(dāng)。
本發(fā)明優(yōu)選配方為3～8％Al、0.5-2％Ca、0.3％Mn，0.1％Zn，雜質(zhì)元素Fe、Cu、Ni小于0.02％，其余為Mg。本優(yōu)選配方獲得的合金具有較高的常溫和高溫150℃的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。
本發(fā)明的制備工藝如下在氣體或覆蓋劑保護(hù)條件下，將工業(yè)純鎂完全熔化后，分別以工業(yè)純鋁、工業(yè)純鈣，工業(yè)純鋅、Al-Mn中間合金形式加入合金元素Al，Ca，Mn，Zn，待合金元素全部溶解后，用工具攪拌使其混合均勻，撈去表面浮渣后進(jìn)行鑄造，鑄錠在380～420℃均勻化處理3～8h，經(jīng)車皮后在410℃保溫30分鐘，然后進(jìn)行變形工藝。
本發(fā)明不含稀土元素，成本低廉，工藝簡單，明顯提高了合金的室溫和高溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率及高溫抗蠕變性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明變形鎂合金的顯微組織明顯細(xì)化，Al2Ca形貌由粗大的漢字狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的棒條狀，由連續(xù)分布變?yōu)楣铝⒌膹浬⒎植?。以Mg-5Al-1Ca合金為例，晶粒尺寸由50μm銳減為15μm(擠壓工藝)，合金的室溫抗拉強(qiáng)度305Mpa、屈服強(qiáng)度140MPa、延伸率為8％、高溫150℃的抗拉強(qiáng)度170Mpa、屈服強(qiáng)度130MPa、延伸率為40％，而目前常用的AZ91D鎂合金的高溫150℃的抗拉強(qiáng)度159Mpa，屈服強(qiáng)度110MPa，延伸率為6.7％，即新合金的高溫綜合力學(xué)性能與目前常用的AZ91D鎂合金相比均顯著提高，在200℃/50Mpa蠕變條件下，新合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為2.6×10-8％S-1，而相同條件下AZ91D鎂合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為7.7×10-5％S-1，即新合金的抗高溫抗蠕變性能比目前常用的AZ91鎂合金提高近2個數(shù)量級，超過AE42耐熱鎂合金的水平，而新合金成本則與AZ91相當(dāng)，比AE42低得多。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容提供以下實(shí)施例實(shí)施例1合金成分(重量百分比)8.0％Al、2.0％Ca、0.3％Mn、0.1％Zn，雜質(zhì)元素小于0.02％，其余為Mg。
廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金的制備工藝為(1)按照上述成分配置合金，在電阻坩堝爐中加入工業(yè)純鎂，同時采用FS60.5％/CO2混合氣體保護(hù)；(2)待鎂完全熔化后，在650℃分別加入工業(yè)純鋁、工業(yè)純鋅、工業(yè)純鈣、Al-10Mn中間合金；(3)將鎂合金液升溫到720℃，保溫20分鐘后攪拌3分鐘，以使合金元素充分熔化；(4)在720℃下繼續(xù)保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解后，用工具攪拌合金液使成分均勻，在720℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然后撈去表面浮渣后在低壓鑄造爐內(nèi)采用氮?dú)饨o壓進(jìn)行低壓鑄造。(5)將鑄錠在380℃均勻化處理3h，經(jīng)車皮后在410℃保溫30分鐘，然后進(jìn)行鑄態(tài)直接擠壓工藝，在模具溫度為400℃時進(jìn)行第一次擠壓，擠壓比為14；接著，將擠壓件在310℃保溫30分鐘，模溫300℃下進(jìn)行第二次擠壓，擠壓比為9。本實(shí)施例的合金的晶粒大小為13μm、室溫抗拉強(qiáng)度300Mpa、屈服強(qiáng)度130MPa、延伸率為14％、高溫150℃的抗拉強(qiáng)度164Mpa、屈服強(qiáng)度124MPa、延伸率為42％實(shí)施例2合金成分(重量百分比)3.0％Al、0.5％Ca、1.0％Mn、1.0％Zn，雜質(zhì)元素小于0.02％，其余為Mg。
廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金的制備工藝為(1)按照上述成分配置合金，在電阻坩堝爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時撒少量覆蓋劑(JDF)在坩堝底部；(2)待鎂完全熔化后，在650℃分別加入工業(yè)純鋁、工業(yè)純鋅、工業(yè)純鈣、Al-10Mn中間合金；(3)將鎂合金液升溫到720℃，保溫20分鐘后攪拌6分鐘，以使合金元素充分熔化；(4)在720℃下繼續(xù)保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解后，用工具攪拌合金液使成分均勻，在720℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然后撈去表面浮渣后在低壓鑄造爐內(nèi)采用氮?dú)饨o壓進(jìn)行低壓鑄造。(5)將鑄錠在400℃均勻化處理5h，經(jīng)車皮后在410℃保溫30分鐘，采用軋制工藝循環(huán)軋制9道次，每一道次的壓縮比為10％，在每一道次軋制之前加熱10分鐘。本實(shí)施例的合金的晶粒大小為6μm、室溫抗拉強(qiáng)度288Mpa、屈服強(qiáng)度143MPa、延伸率為9％、高溫150℃的抗拉強(qiáng)度167Mpa、屈服強(qiáng)度134MPa、延伸率為42％。
實(shí)施例3合金成分(重量百分比)9.0％Al、2.5％Ca、0.1％Mn、0.05％Zn，雜質(zhì)元素小于0.02％，其余為Mg。
廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金的制備工藝為(1)按照上述成分配置合金，在電阻坩堝爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時撒少量覆蓋劑(JDF)在坩堝底部；(2)待鎂完全熔化后，在700℃分別加入工業(yè)純鋁、工業(yè)純鋅、工業(yè)純鈣、Al-10Mn中間合金；(3)將鎂合金液升溫到720℃，保溫20分鐘后攪拌5分鐘，以使合金元素充分熔化；(4)在720℃下繼續(xù)保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解后，用工具攪拌合金液使成分均勻，在730℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然后撈去表面浮渣后在低壓鑄造爐內(nèi)采用氮?dú)饨o壓進(jìn)行低壓鑄造。(5)將鑄錠在420℃均勻化處理3h，經(jīng)車皮后在410℃保溫60分鐘，采用軋制工藝循環(huán)軋制9道次，每一道次的壓縮比為10％，在每一道次軋制之前加熱10分鐘。本實(shí)施例的合金的晶粒大小為20μm、室溫抗拉強(qiáng)度285Mpa、屈服強(qiáng)度136MPa、延伸率為8％、高溫150℃的抗拉強(qiáng)度163Mpa、屈服強(qiáng)度120MPa、延伸率為38％。
實(shí)施例4合金成分(重量百分比)5.0％Al、1％Ca、0.3％Mn、0.1％Zn，雜質(zhì)元素小于0.02％，其余為Mg。
廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金的制備工藝為(1)按照上述成分配置合金，在電阻坩堝爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時撒少量覆蓋劑(JDF)在坩堝底部；(2)待鎂完全熔化后，在700℃分別加入工業(yè)純鋁、工業(yè)純鋅、工業(yè)純鈣、Al-10Mn中間合金；(3)將鎂合金液升溫到720℃，保溫20分鐘后攪拌6分鐘，以使合金元素充分熔化；(4)在720℃下繼續(xù)保溫約15分鐘，待合金元素全部溶解后，用工具攪拌合金液使成分均勻，在730℃的澆鑄溫度下靜置10分鐘，然后撈去表面浮渣后在低壓鑄造爐內(nèi)采用氮?dú)饨o壓進(jìn)行低壓鑄造。(5)將鑄錠在400℃均勻化處理8h，經(jīng)車皮后在400℃保溫50分鐘，然后在415℃固溶20h，在模具溫度為400℃時進(jìn)行第一次擠壓，擠壓比為14；接著，將擠壓件在310℃保溫30分鐘，模溫300℃下進(jìn)行第二次擠壓，擠壓比為9。本實(shí)施例的合金的晶粒大小為15μm、室溫抗拉強(qiáng)度305Mpa、屈服強(qiáng)度140MPa、延伸率為8％、高溫150℃的抗拉強(qiáng)度170Mpa、屈服強(qiáng)度130MPa、延伸率為40％。
權(quán)利要求
1.一種廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金，其特征在于，成分及其重量百分比為3-9％Al，0.5-2.5％Ca，0.1-1％Mn，0.05-1.0％Zn，雜質(zhì)元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金，其特征是，對重量百分比進(jìn)一步限定為3～8％Al、0.5-2％Ca、0.3％Mn，0.1％Zn，雜質(zhì)元素Fe、Cu、Ni小于0.02％，其余為Mg。
全文摘要
一種廉價的含Ca高強(qiáng)耐熱變形鎂合金，用于金屬材料領(lǐng)域。成分及其重量百分比為3－9％Al，0.5－2.5％Ca，0.1－1％Mn，0.05－1.0％Zn，雜質(zhì)元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余為Mg。本發(fā)明不含稀土元素，成本低廉，工藝簡單，明顯提高了合金的室溫和高溫150℃的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率及高溫抗蠕變性能。本發(fā)明變形鎂合金的顯微組織明顯細(xì)化，Al
文檔編號C22C23/02GK1614066SQ20041006679
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
發(fā)明者陳永軍, 王渠東, 翟春泉, 丁文江 申請人:上海交通大學(xué)