專利名稱：：一種含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種變形鎂合金，特別是涉及一種含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金。屬于金屬結(jié)構(gòu)材料
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：鎂合金作為最輕的商用金屬結(jié)構(gòu)材料，以其高的比強(qiáng)度、比剛度，優(yōu)良的阻尼性能，以及防磁、屏蔽、散熱等多種特性，在航空航天、汽車、3C(計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。以鎂合金在汽車、摩托車、軌道列車上應(yīng)用為例，它不僅能明顯減重、改善車輛動(dòng)力性能和降低能耗，而且還可限制改善車輛結(jié)構(gòu)和吸收震動(dòng)及噪聲。但是，鎂的現(xiàn)有使用狀況遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮鎂合金材料的潛在優(yōu)勢(shì)，其主要原因在于大多數(shù)的鎂結(jié)構(gòu)件都來自于壓鑄一種加工方式，這限制了產(chǎn)品的品種和類型；應(yīng)用范圍小，鎂壓鑄件的80°/。用于汽車行業(yè)，而且90%又是室溫使用的結(jié)構(gòu)件，且主要局限于小體積零件。與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金組織得到細(xì)化，鑄造缺陷得到消除，具有更高的強(qiáng)度，延展性，更多樣化的力學(xué)性能，更適合于制造大型結(jié)構(gòu)件和滿足結(jié)構(gòu)多樣化的需求，鎂合金在大型結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用是未來應(yīng)用趨勢(shì)。從世界鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)看，變形鎂合金是未來交通、航空航天、家電等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，這些領(lǐng)域所需要的許多板材、棒材、型材、管材、鍛件是無法用鑄造產(chǎn)品代替的。開發(fā)用于汽車、摩托車、航空航天、3C等行業(yè)的鎂合金變形材具有重要的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。鎂及鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，與鋁合金和鈦合金相比，其塑性變形能力較低，其擠壓、軋制、鍛造等塑性加工過程相對(duì)較為困難。另外，大部分鎂合金，如Mg-Al基合金，常存在低熔點(diǎn)的共晶相，在一定程度上限制了合金變形溫度范圍的擴(kuò)展。因此，在確定變形鎂合金材料成分時(shí)，必須既考慮到材料的強(qiáng)度要求，又兼顧材料的加工性能。目前世界范圍內(nèi)已研究開發(fā)的變形鎂合金系列有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Re、Mg-Li、Mg-Th系等，其中己經(jīng)應(yīng)用的重要商用鎂合金有AZ31B或AZ31C和ZK60等。盡管如此，變形鎂合金的品種依然較少，己開發(fā)合金的室溫與高溫強(qiáng)度、延展性都不夠優(yōu)異，更重要的是合金的耐熱性也都普遍較差，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約著變形鎂合金在金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域更進(jìn)一歩的擴(kuò)展應(yīng)用。為改善鎂合金的強(qiáng)度和耐熱性，研究者多采用合金化改性手段。I.P.Moreno、YiZhenLd等人通過單獨(dú)或配比添加一定量的稀土元素來對(duì)合金改性，但是此類合金的成本昂貴。A.Luo、LIY等人通過添加一定量的Si，使合金組織形成Mg2Si相，但該相極易形成粗大的漢字狀而惡化合金性能，且該類合金一次鑄造成形條件苛刻。近年來，廉價(jià)的堿土元素被認(rèn)為是改善合金性能的有益元素。R.Ninomiya等人報(bào)導(dǎo)，一定量的Ca可使合金組織細(xì)化，并產(chǎn)生高熔點(diǎn)的Al2Ca和Mg2Ca相，使合金的耐熱性能大幅提高。但是Al2Ca相通常比較粗大，會(huì)嚴(yán)重影響合金的室溫力學(xué)性能和一次鑄造成形性能，且對(duì)合金的二次變形加工性能非常不利。Ca元素對(duì)合金性能的這些危害嚴(yán)重影響了此堿土類合金的開發(fā)應(yīng)用。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，目前還未報(bào)導(dǎo)過在加Ca合金的基礎(chǔ)上通過添加Sr對(duì)合金組織產(chǎn)生變質(zhì)、修復(fù)作用使合金成形性、強(qiáng)度及耐熱性能改善的方法、專利及應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有變形鎂合金存在的不足，提出一種含Ca和Sr的耐熱變形鎂合僉，它通過復(fù)合添加一定量的Ca和Sr，有效細(xì)化合金組織，與Al結(jié)合生成高熔點(diǎn)的Al2Ca和Al4Sr耐熱相，降低低熔點(diǎn)卩-MgnAl^相的數(shù)量，同時(shí)，Sr還對(duì)Al2Ca耐熱相進(jìn)行變質(zhì)、修復(fù)，使其由粗大的塊狀或骨骼狀趨于細(xì)小彌散態(tài)分布于合金晶界，從而改善鎂合金的成形性能，強(qiáng)度及耐熱性。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是，所述含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金的質(zhì)量百分比組分為Al6.0o/o9.0o/o，Ca0.5o/o3.0o/o，Sr0.05%0.5%，Mn0.1%0.8%，余量為Mg及微量的不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明中，其組成中所述微量的不可避雜質(zhì)(如Fe、Si、Ni、Cu等)的總質(zhì)量小于0.03%。本發(fā)明所述含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金的組分中不含稀土元素。本發(fā)明在合金中添加6-9%Al，以產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，提高合金的室溫強(qiáng)度。另外，Al還可提高合金的一次鑄造成形工藝性能；在合金中添加0.5-3.0%01，使其有效細(xì)化合金組織，同時(shí)生成高熔點(diǎn)的Al2Ca耐熱相，降低低熔點(diǎn)的5|3-]^&7八112相的數(shù)量；添加0.05-0.5%Sr，使其對(duì)Al2Ca耐熱相進(jìn)行變質(zhì)、修復(fù)，使其呈細(xì)小狀彌散分布于合金晶界，且Sr可進(jìn)一步細(xì)化晶粒并與Al結(jié)合生成AUSr耐熱相，從而改善鎂合金的鑄造、變形工藝性能，強(qiáng)度以及耐熱性；添加0.1-0.8%Mn，以改善合金的耐蝕性能。通過變形加工使合金晶粒更加細(xì)化，高熔點(diǎn)二次相更加細(xì)小彌散分布，內(nèi)部組織更加致密。本發(fā)明的含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金可采用如下方法制得在熔劑或保護(hù)氣氛的保護(hù)條件下，將工業(yè)純鎂完全熔化后，在710°C—730°C(優(yōu)選72(TC)時(shí)按比例分別加入工業(yè)純鋁、工業(yè)純錳、Al-Ca中間合金和A1-Sr中間合金；待合金元素全部溶解之后，在73(TC—75(TC(優(yōu)選74(TC)時(shí)用攪拌棒攪拌合金8min—12min，而后在此溫度下靜置15min—25min;靜止完成后，在保護(hù)氣氛下將合金液平穩(wěn)澆注到預(yù)熱24(TC—26(TC(優(yōu)選25(TC)的金屬模具中；合金的鑄錠在410。C一45(TC(優(yōu)選43(TC)下均勻化處理10h—15h，即得。而后可進(jìn)行常規(guī)擠壓或拉拔或軋制或鍛造變形等壓力加工。所用熔劑可以是RJ-1或RJ-2溶劑，所用保護(hù)氣氛可以是SF6和C02的混合氣體。本發(fā)明所述含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金不含昂貴的稀土元素，成本低；它的一次鑄造和二次變形工藝性能好，生產(chǎn)效率高；二次成形可采用擠壓或軋制或鍛造工藝，且能一次承受較大的變形量和較高的變形速度；如熱擠壓時(shí)擠壓比可達(dá)2060，擠壓速度可達(dá)1mm/s—8mm/s;室溫強(qiáng)度與高溫強(qiáng)度、延伸率及耐熱性均表現(xiàn)優(yōu)異，如本發(fā)明某一實(shí)施例合金室溫(25°C)時(shí)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)200MPa、330MPa和14y。；高溫(175°C)時(shí)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)170MPa、215MPa和29。/。；200°C/56MPa條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率和100h蠕變伸長(zhǎng)率分別為0.3xlO—9%/S和0.07%。圖1是本發(fā)明對(duì)比例1、對(duì)比例2、實(shí)施例1的合金鑄錠組織晶粒度比較。圖2是本發(fā)明對(duì)比例1、對(duì)比例2、實(shí)施例1的合金鑄錠組織中二次相大小、形態(tài)、分布的比較。圖3是本發(fā)明對(duì)比例2、實(shí)施例1的合金鑄錠組織中二次相種類、數(shù)量的比較。圖4是本發(fā)明實(shí)施例1合金在45(TC時(shí)的熱壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。圖5是本發(fā)明對(duì)比例1、對(duì)比例2、實(shí)施例1的合金熱擠壓后的表面質(zhì)量對(duì)比。圖6是本發(fā)明實(shí)施例1合金熱擠壓變形后的組織。圖7是本發(fā)明實(shí)施例1合金熱擠壓加工后不同截面規(guī)格的型材。具體實(shí)施方案以下結(jié)合對(duì)比例與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。對(duì)比例1:一種Mg-Al基變形鎂合金，所述鎂合金中各組分的重量百分比為8。/。Al，0.6%Mn，余量為Mg及微量不可避免的雜質(zhì)。對(duì)比例2:—種含Ca的Mg-Al基變形鎂合金，所述鎂合金中各組分的重量百分比為8。/。Al，1.5%Ca，0.6%Mn，余量為Mg及微量不可避免的雜質(zhì)。實(shí)施例h—種含Ca和Sr的先進(jìn)耐熱變形鎂合金，所述鎂合金中各組分的重量百分比為8。/。Al，1.5%Ca，0.2%Sr，0.6%Mn，余量為Mg及微量不可避免的雜質(zhì)。對(duì)比例l、對(duì)比例2、實(shí)施例1的合金可采用以下制備工藝步驟制取(1)在熔劑RJ-2的保護(hù)條件下，將工業(yè)純鎂完全熔化后，在72(TC時(shí)分別加入工業(yè)純鋁、工業(yè)純錳，其中對(duì)比例2合金再加入A1-Ca中間合金，實(shí)施例1合金再加入Al-Ca中間合金和Al-Sr中間合金；(2)待合金元素全部溶解之后，在74(TC時(shí)用攪拌棒攪拌合金約10min，而后在此溫度下靜置20min;(3)靜止完成后，在S02保護(hù)氣氛下將合金液平穩(wěn)澆注到預(yù)熱25(TC的金屬模具中；(4)合金的鑄錠在43(TC下均勻化處理10h—15h，而后在鑄錠溫度、擠壓筒溫度和模具溫度為分別為450。C、40(TC和40(TC時(shí)，擠壓比和擠壓速度分別為15和5mm/s時(shí)進(jìn)行熱擠壓變形加工，隨后擠壓件在200。C時(shí)保溫12h—24h進(jìn)行時(shí)效熱處理制備出鎂合金型材。本發(fā)明對(duì)比例l、對(duì)比例2、實(shí)施例1熱擠壓時(shí)效態(tài)的室溫力學(xué)性能如表1所示。由表1可以看出，本發(fā)明對(duì)比例1、對(duì)比例2、實(shí)施例1合金的力學(xué)性能變化幅度較大，其中，含有Ca和Sr的實(shí)施例1合金具有最優(yōu)的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度以及抗蠕變性能。表1合金的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>圖l-a顯示的對(duì)比例1合金的晶粒尺寸粗大。圖l-b顯示的對(duì)比例2合金的晶粒明顯得到細(xì)化，這主要是由于Ca對(duì)合金基體的細(xì)化效果。圖l-c顯示的實(shí)施例1的晶粒進(jìn)一步得到細(xì)化，這主要是Sr元素在Ca對(duì)合金組織細(xì)化的基礎(chǔ)上繼續(xù)細(xì)化了合金的組織。實(shí)施例1合金表現(xiàn)出的較細(xì)的晶粒度為合金后續(xù)的塑性加工提供了很好的基礎(chǔ)。圖2-a顯示的對(duì)比例1合金組織，其二次相多成粗大塊狀或骨骼狀集中分布于晶界處，另外還有一定量的二次析出相。圖2-b顯示的對(duì)比例2合金組織，其二次相明顯細(xì)化，較分散的分布在晶界處，二次析出相基本消失。這主要是由于Ca元素消耗了一部分的Al原子，且對(duì)晶界處的二次相產(chǎn)生了細(xì)化效果。圖2-c顯示的實(shí)施例1合金組織，其二次相呈細(xì)小的棒狀或條狀彌散分布在晶界處。這種二次相細(xì)小彌散的分布狀態(tài)主要得益于微量Sr元素對(duì)Al2Ca耐熱相的修復(fù)、變質(zhì)作用。該合金組織的二次相分布狀態(tài)也對(duì)合金后續(xù)的塑性加工有利。圖3-a顯示的對(duì)比例2合金組織，其含有一定量的共晶|3-Mg17Al12相和Al2Ca耐熱相。圖3-b顯示的實(shí)施例1合金組織，其Al2Ca耐熱相的體積分?jǐn)?shù)明顯增加，共晶(3-MgnAlu相幾乎消失。這主要是由于Sr的修復(fù)、變質(zhì)作用，并且與Al原子結(jié)合生成了一定量的Al4Sr高熔點(diǎn)相，并使低熔點(diǎn)(3-MgnAl,2相幾乎消失。實(shí)施例1合金這種耐熱相體積分?jǐn)?shù)的增高，擴(kuò)大了合金熱加工的溫度范圍，且也有助于合金耐熱性的提高。圖4所示實(shí)施例1合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線顯示了本發(fā)明合金能在450°C的高溫下進(jìn)行應(yīng)變速率高達(dá)10s"的壓縮變形，且其應(yīng)變量也達(dá)到了1.0的幅度。在鑄錠溫度、擠壓筒溫度和模具溫度為分別為45(TC、40(TC和40(TC時(shí)，擠壓比和擠壓速度分別為15和5mm/s時(shí)，對(duì)對(duì)比例1、對(duì)比例2、實(shí)施例1合金進(jìn)行擠壓變形加工，擠壓型材見圖5。由于對(duì)比例1合金組織中存在的二次相卩-MgnAh2的烙點(diǎn)較低，只有43(TC左右，在45(TC時(shí)合金的晶界則會(huì)過燒而產(chǎn)生裂紋，因此導(dǎo)致擠壓時(shí)型材邊部產(chǎn)生大量裂紋。對(duì)于對(duì)比例2合金，其組織中高熔點(diǎn)Al2Ca相比較粗大，且分布較為集中，在受力過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋萌生擴(kuò)展，因此在擠壓時(shí)導(dǎo)致型材邊部也出現(xiàn)了大量裂紋。與對(duì)比例l、對(duì)比例2相比較，實(shí)施例1合金的擠壓型材色澤光亮，輪廓清晰，表面質(zhì)量非常好。這主要是因?yàn)樵趯?duì)比例2合金的基礎(chǔ)上，實(shí)施例l中一定量的Sr對(duì)合金組織的變質(zhì)、修復(fù)作用，使其中二次相彌散細(xì)小的分布在合金晶界周圍，其基本抑制了低熔點(diǎn)相的析出。這種二次相的形態(tài)、大小、分布對(duì)合金塑性的提高至關(guān)重要。圖5顯示了實(shí)施例1合金經(jīng)擠壓變形后，經(jīng)過回復(fù)再結(jié)晶所得到的典型的細(xì)晶粒組織，該組織晶粒細(xì)小，二次相被進(jìn)一步破碎。圖7是實(shí)施例1合金經(jīng)過熱擠壓加工后所得到的不同截面形狀的型材?；谏鲜鰧?duì)比例1、對(duì)比2和實(shí)施例1合金的組織和性能的演變情況以及實(shí)施例1合金所展現(xiàn)出的優(yōu)異的力學(xué)性能，本發(fā)明的含Ca和Sr的先進(jìn)耐熱變形鎂合金可以作為一種廉價(jià)輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱的金屬結(jié)構(gòu)材料，以滿足航空航天、汽車及軌道列車等高溫輸送管道和高溫承力結(jié)構(gòu)件的使用要求，從而擴(kuò)大鎂合金，特別是變形鎂合金的應(yīng)用范圍。權(quán)利要求1.一種含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金，其特征在于，它的質(zhì)量百分比組成為Al6.0％～9.0％，Ca0.5％～3.0％，Sr0.05％～0.5％，Mn0.1％～0.8％，余量為Mg及微量的不可避免雜質(zhì)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金，其特征在于，所述微量的不可避雜質(zhì)Fe、Si、Ni、Cu的總質(zhì)量小于0.03%。全文摘要一種含Ca和Sr的先進(jìn)耐熱變形鎂合金，其組分的重量百分比為6.0％～9.0％Al，0.5％～3.0％Ca，0.05％～0.5％Sr，0.1％～0.8％Mn，余量為Mg及微量不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明合金不含稀土元素，價(jià)格低廉。所添加元素可大幅細(xì)化合金組織，使合金的可成形溫度范圍擴(kuò)大；還可使耐熱相由粗大的塊狀或骨骼狀趨于細(xì)小彌散態(tài)分布，提高合金的可成形性。本發(fā)明合金塑性成形能力好，適合普通的擠壓、拉拔、軋制和鍛造工藝，變形溫度范圍大，且能一次承受較大的變形量和較高的變形速度。可作為輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱的金屬結(jié)構(gòu)材料，將廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車及軌道列車等高溫輸送管道和高溫承力結(jié)構(gòu)件。文檔編號(hào)C22C23/00GK101476072SQ20091004253公開日2009年7月8日申請(qǐng)日期2009年1月19日優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日發(fā)明者李落星,梁桂平,星白,胡文俊申請(qǐng)人:湖南大學(xué)