堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金，其成分按重量百分比包括Al2.5~3.4，Si0.5~1.4，Mn0.05~0.14，Sr0.05~1.54，其余為Mg。本發(fā)明是通過熔煉的方法向鎂合金中添加Mg-Si與Al-Sr中間合金，對鎂合金進(jìn)行改性，并將得到的鑄造態(tài)耐熱鎂合金進(jìn)行T6熱處理。同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所制備的耐熱鎂合金，具有較高的室溫抗拉強(qiáng)度和較高的高溫抗拉強(qiáng)度，并且擁有較好的塑性。
【專利說明】堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鎂合金，具體涉及一種堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金及其制備方 法，屬于金屬材料領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的鑄造性能 和機(jī)械加工性能及阻尼特性，具有廣泛的應(yīng)用前景，其中新型輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱鎂合金是第三 代活塞材料的最佳選擇。
[0003] Mg-Al-Si系耐熱鎂合金由于具有較好的高溫性能和明顯的成本優(yōu)勢等方面的特 點(diǎn)，因此其研究開發(fā)同其它的Mg-Al系耐熱鎂合金一樣，正受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注和高度 重視。盡管國內(nèi)外對于AS系耐熱鎂合金的研究開發(fā)已開展了大量卓有成效的研究工作， 并取得了眾多積極的研究成果。但總的來講，由于生產(chǎn)工藝和性能等方面的原因，現(xiàn)有 Mg-Al-Si系耐熱鎂合金還難以適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用的要求。因此需要對現(xiàn)有AS系鎂合金進(jìn)行 改性，以提高其綜合性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)瓶頸問題，本發(fā)明提供一種堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金，具有比 強(qiáng)度高、比模量高、耐熱性能好的特點(diǎn)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中AS系耐熱鎂合金難以適應(yīng)工業(yè) 化應(yīng)用要求的問題。
[0005] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金的其制備方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金，其成分質(zhì)量百分比為：Al 2. 5~3. 4, Si 0.5~1. 4, Mn 0. 05?0. 14, Sr 0. 05?1. 54,雜質(zhì)元素總量小于0. 04,其余為Mg。
[0007] 本發(fā)明的制備方法包括以下步驟： a) 將純鎂錠（99. 97wt. %)、純鋁錠（99. 95wt. %)、鎂硅中間合金（Mg-30Si)及鋁鍶中間 合金（Al-IOSr)按上述質(zhì)量百分比配料，并在130-170°C進(jìn)行預(yù)熱處理；同時(shí)把熔鑄用石墨 坩堝與澆注用金屬鋼模均進(jìn)行低溫預(yù)熱處理； b) 將上述預(yù)熱過的合金在具有氣體保護(hù)裝置的坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，熔煉與澆注 過程中，一直采用SF6+C02混合氣體保護(hù)； c) 將上述純鎂錠放入事先預(yù)熱過的石墨坩堝中，快速加熱至650°C±5 °e，待純鎂錠完 全熔化后，均勻緩慢加熱到溫度680°C時(shí)，去除表面氧化雜質(zhì)后，加入上述純鋁錠，并繼續(xù)加 熱至720°C熔化，此時(shí)再加入鎂硅中間合金及鋁鍶中間合金，采用機(jī)械攪拌5-10min，使其充 分熔合； d) 上述合金熔體在750°C保溫30min，然后將合金熔體倒入已預(yù)熱的金屬鋼模中，在空 氣中自然冷卻或者包套形式的外加水冷裝置中，得到鑄造態(tài)堿土鎂合金； e) 將鑄造態(tài)堿土鎂合金進(jìn)行T6熱處理，得到綜合性能較高的ASJ堿土耐熱鎂合金。
[0008] 所述的ASJ堿土耐熱鎂合金型號為AS31J耐熱鎂合金，堿土銀在耐熱鎂合金 Mg-Al-Si中起到變質(zhì)細(xì)化作用。
[0009] 所述的T6熱處理工藝條件為：420°C-450 °G /6-12h固溶處理+水淬， 160-190〇C/16-72h人工時(shí)效處理。
[0010] 同現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)： 1)鑄態(tài)AS31J合金顯微組織：主要由灰白色基體〇-Mg、白色相，-Mg17Al12相以及黑 色漢字狀和塊狀相Mg2Si所組成。Mg2Si相為合金的主要強(qiáng)化相，Mg2Si析出相具有與鎂相 近的低密度（1.9g/cm 3)，高熔點(diǎn)（1085°〇、硬度（460HVa3)和彈性模量以及低熱膨脹系數(shù) (7. 5 XlOH
[0011] 2)當(dāng)加入Sr時(shí)，合金組織中的漢字相Mg2Si尺寸逐漸減小，塊狀相也趨于彌散析 出的顆粒狀相。離異共晶相，-Mg17Al12相，在隨著Sr元素的添加，，-Mg17Al 12相的尺寸逐 漸減少。當(dāng)Sr的添加量達(dá)到0. 5wt. %時(shí)，合金中幾乎不存在原鑄態(tài)的粗大漢字相，取而代 之的是彌散析出的顆粒狀相和不規(guī)則多邊形相，原有的大塊狀相被分解為數(shù)塊，部分枝晶 臂則演變?yōu)榧?xì)小的針狀相，基體組織得到顯著的細(xì)化。當(dāng)Sr添加量超過I. 5wt. %時(shí)，變質(zhì) 作用無明顯改善。
[0012] 3)在固溶處理使得鑄態(tài)AS31J合金的部分析出相，發(fā)生球化作用，繼續(xù)進(jìn)行時(shí)效 處理后，合金顯微組織得到進(jìn)一步細(xì)化，隨著保溫時(shí)間逐漸增加，合金的綜合性能得到大幅 度提升。此時(shí)合金的具有較高的室溫抗拉強(qiáng)度和較高的高溫拉伸強(qiáng)度，同時(shí)兼顧有較好的 塑性。
[0013] 4)本發(fā)明中硅元素與堿土鍶元素均為價(jià)格相對低廉且易于獲得的合金組成物， 因此本發(fā)明不僅提供了一種新型合金的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也為市場化的投放與使用提供了低 成本制備與應(yīng)用的使用空間。
[0014] 本發(fā)明所制備的堿土耐熱鎂合金，由于具有較高的室溫抗拉強(qiáng)度和較高的高溫抗 拉強(qiáng)度，塑性也有較大的提高，可以作為機(jī)用活塞、汽車發(fā)動力機(jī)等零部件的結(jié)構(gòu)材料，也 可以作為在較高環(huán)境溫度下使用的輕質(zhì)高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的堿土耐熱鎂合金的光學(xué)顯微組織照片； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的堿土耐熱鎂合金的SEM顯微組織照片； 圖3a、圖3b是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的堿土耐熱鎂合金的EDS能譜圖； 圖4是現(xiàn)有技術(shù)的AS31鎂合金的光學(xué)顯微組織照片。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0017] 實(shí)施例1 一種堿土耐熱鎂合金，其成分質(zhì)量百分比為：A1 2. 9%，Si I. 1%，Mn 0. 09%，Sr 0. 2%， 雜質(zhì)元素總量小于0. 04%，其余為Mg。
[0018] 一種堿土耐熱鎂合金的制備方法，包括以下步驟： a)將工業(yè)純鎂錠（99. 97wt. %)、純鋁錠（99. 95wt. %)、鎂硅中間合金（Mg-30Si)及鎂鍶 中間合金（Al-IOSr)按上述質(zhì)量百分比配料，并預(yù)熱至130-170°C ; b) 上述合金在坩堝電阻爐中熔煉，為防止鎂合金的氧化和燃燒，熔煉與澆注過程采用 SF6+C02混合氣體保護(hù)； c) 將上述純鎂放入事先預(yù)熱至200°C的低碳鋼坩堝中，當(dāng)溫度達(dá)到680 °G時(shí)，待純鎂完 全熔化后加入純鋁，并繼續(xù)加熱至720 熔化，此時(shí)加入鎂硅中間合金及鋁鍶中間合金，采 用機(jī)械攪拌5-10min，使其充分熔合； d) 合金熔體在750 °G保溫30min，然后將合金熔體倒入已預(yù)熱至200 °G的金屬鋼模鑄 型中，并在空氣中自然冷卻，得到鑄造態(tài)堿土鎂合金； e) 將鑄造態(tài)堿土鎂合金進(jìn)行T6熱處理，即420°C/10h固溶處理+水淬，180°C/100h，得 到綜合性能較高的AS31J堿土耐熱鎂合金。
[0019] 本實(shí)施例的堿土耐熱鎂合金，在室溫下的抗拉強(qiáng)度為140MPa，屈服強(qiáng)度為 129MPa，延伸率為5. 7% ;在150°C高溫條件下的抗拉強(qiáng)度為123MPa，屈服強(qiáng)度為103MPa，延 伸率為6. 6%。
[0020] 本實(shí)施例的合金顯微組織見圖1、圖2,主要合金強(qiáng)化相成分見圖3a、圖3b，現(xiàn)有技 術(shù)的AS31合金的顯微組織見圖4。
[0021] 比較圖1和圖4,可以看出，由于堿土元素 Sr的加入，粗大的漢字相與初生相Mg2Si 得到了明顯的細(xì)化，基體呈現(xiàn)彌散分布的顆粒狀或針狀相，通知經(jīng)過時(shí)效處理的合金組織 也變得較為均勻。
[0022] 從圖2、圖3a、圖3b可以看出，經(jīng)過堿土 Sr變質(zhì)后的Mg2Si相周圍富集了大量的 Sr原子，形成堿土 Sr富集的GP區(qū)，這對合金基體的細(xì)化起到了決定性的作用。
[0023] 實(shí)施例2 一種堿土耐熱鎂合金，其成分質(zhì)量百分比為：A1 3. 3%，Si 1. 0%，Mn 0. 08%，Sr 0. 5%， 雜質(zhì)元素總量小于0. 04%，其余為Mg。
[0024] 本實(shí)施例的步驟a) ~e)與實(shí)施例I a) ~e)相同。
[0025] 本實(shí)施例的堿土耐熱鎂合金，在室溫下的抗拉強(qiáng)度為138MPa，屈服強(qiáng)度為 112MPa，延伸率為6. 1% ;在150°C高溫條件下的抗拉強(qiáng)度為118MPa，屈服強(qiáng)度為93MPa，延伸 率為6. 8%。
[0026] 實(shí)施例3 一種堿土耐熱鎂合金，其成分質(zhì)量百分比為：A1 3. l%，Si I. 3%，Mn 0. ll%，Sr 1. 2%， 雜質(zhì)元素總量小于0. 04%，其余為Mg。
[0027] 本實(shí)施例的步驟a) ~e)與實(shí)施例I a) ~e)相同。
[0028] 本實(shí)施例的堿土耐熱鎂合金，在室溫下的抗拉強(qiáng)度為148MPa，屈服強(qiáng)度為 130MPa，延伸率為5. 5% ;在150°C高溫條件下的抗拉強(qiáng)度為126MPa，屈服強(qiáng)度為109MPa，延 伸率為6. 4%。
[0029] 對實(shí)施例1-3制備的AS31J堿土鎂合金與未經(jīng)變質(zhì)處理現(xiàn)有技術(shù)AS31鎂合金進(jìn) 行T6熱處理，在室溫條件和150°C高溫條件下分別測試其拉伸性能，結(jié)果如下表1。
[0030] 實(shí)施例4 一種堿土耐熱鎂合金，其成分質(zhì)量百分比為：Al 2. 5%，Si 0. 5%，Mn 0. 05%，Sr 0. 05%， 雜質(zhì)元素總量小于0. 04%，其余為Mg。
[0031] 本實(shí)施例的步驟a) ~e)與實(shí)施例I a) ~e)相同。
[0032] 實(shí)施例5 一種堿土耐熱鎂合金，其成分質(zhì)量百分比為：Al 3. 4%，Si 1. 4%，Mn 0. 14%，Sr 1. 54%， 雜質(zhì)元素總量小于0. 04%，其余為Mg。
[0033] 本實(shí)施例的步驟a) ~e)與實(shí)施例I a) ~e)相同。
[0034] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金，其特征在于其成分質(zhì)量百分比為：A1 2.5~3. 4， Si 0. 5?I. 4, Mn 0. 05?0. 14, Sr 0. 05?I. 54,雜質(zhì)元素總量小于0. 04%，其余為Mg。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金，其特征在于其成分質(zhì)量百分比 為：Al 2. 9%，Si I. 1%，Mn 0. 09%，Sr 0. 2%，雜質(zhì)元素總量小于 0. 04%，其余為 Mg。
3. 制備權(quán)利要求1所述的堿土元素變質(zhì)的耐熱鎂合金的制備方法，其特征在于包括以 下步驟： a) 將純鎂錠（99. 97wt. %)、純鋁錠（99. 95wt. %)、鎂硅中間合金（Mg-30Si)及鎂鍶中間 合金（Al-IOSr)按上述質(zhì)量百分比配料，并在130-170°C進(jìn)行預(yù)熱處理；同時(shí)把熔鑄用石墨 坩堝與澆注用金屬鋼模均進(jìn)行低溫預(yù)熱處理； b) 將上述預(yù)熱過的合金在具有氣體保護(hù)裝置的坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，熔煉與澆注 過程中，一直采用SF6+C02混合氣體保護(hù)； c) 將上述純鎂錠放入事先預(yù)熱過的石墨坩堝中，快速加熱至650°C ±5°C，待純鎂錠 完全熔化后，均勻緩慢加熱到溫度680°C時(shí)，去除表面氧化雜質(zhì)后，加入上述純鋁錠，并繼續(xù) 加熱至720°C熔化，此時(shí)再加入Mg-Si和Al-Sr中間合金，采用機(jī)械攪拌5min，使其充分熔 合； d) 上述合金熔體在750°C保溫30min，然后將合金熔體倒入已預(yù)熱的金屬鋼模中，在 空氣中自然冷卻或者包套形式的外加水冷裝置中，得到鑄造態(tài)堿土鎂合金； e) 將鑄造態(tài)堿土鎂合金進(jìn)行T6熱處理，得到綜合性能較高的ASJ堿土耐熱鎂合金。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的ASJ堿土耐熱鎂合金型號為 AS31J耐熱鎂合金，堿土鍶在耐熱鎂合金Mg-Al-Si中起到變質(zhì)細(xì)化作用。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的T6熱處理工藝條件為： 420°C _450°C /4-10h固溶處理+水淬，160-190°C /16-72h人工時(shí)效處理。
【文檔編號】C22C23/02GK104313426SQ201410547950
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】王旭, 王寶剛, 張國福, 劉峰 申請人:遼寧石油化工大學(xué)