一種Mg-Si-Sr系鎂合金及製備方法
2023-09-27 05:34:35
一種Mg-Si-Sr系鎂合金及製備方法
【專利摘要】本發明涉及新材料【技術領域】，具體地說是涉及一種Sr對Mg-Si-Sr合金中Mg2Si組織形貌的細化及鎂合金性能改善的Mg-Si-Sr系鎂合金及製備方法。本發明包括如下組分：Mg-Si-Sr系合金中Sr的添加質量分數為：3%，6%，9%，12%；Si的添加質量分數為4%，餘量為Mg。製備方法包括如下步驟：(1)原材料的準備步驟；(2)Mg-Si-Sr系合金的熔煉鑄造步驟；(3)Mg-Si-Sr系鎂合金的擠壓變形步驟。本發明的優點：在鎂合金中添加鹼土金屬Sr可有效細化Mg2Si共晶的形態、尺寸和分布，使其均勻細小彌散的分布於合金中。Sr的添加，可以明顯改善合金的強韌性和耐熱性，使合金機械性能大大提高。
【專利說明】—種Mg-S1-Sr系鎂合金及製備方法
【技術領域】
[0001 ] 本 發明涉及新材料【技術領域】,具體地說是涉及一種Sr對Mg-S1-Sr合金中Mg2Si組織形貌的細化及鎂合金性能改善的Mg-S1-Sr系鎂合金及製備方法。
【背景技術】
[0002]目前開發的耐熱鎂合金大多通過添加稀土來改善其耐熱性，但稀土元素的加入量一般較大，成本較高，難以在民用汽車工業上得到推廣應用。因此，為節約成本，更為合理地利用資源，開發低成本、高性能的耐熱鎂合金成為鎂合金髮展的重要方向之一。
[0003]矽加入鎂合金中不僅能提高合金的流動性，而且能形成有效的高溫強化相Mg2Si,它是一種耐高溫的硬質相。為充分發揮高熔點熱穩定析出相Mg2Si的強化效果，必須提高其含量。但隨Si含量的增加，含Si鎂合金在較慢的冷卻條件下，會形成粗大樹枝狀和漢字狀或纖維狀Mg2Si，導致Mg2Si相周圍存在很大的應力集中，其強化效果受到抑制，顯著惡化合金的力學性能。因此，探索含Si鎂合金中Mg2Si相的變質機理和工藝優化，使Mg2Si相以細小、彌散的形式分布於鎂合金基體和晶界中，從而提高Mg2Si相的強化效果，是提高含Si鎂合金性能的一個關鍵問題。
[0004]近年來，國內外學者提高合金化和微合金化，有效改善Mg2Si相的形態、尺寸和分布。採用多種變質劑抑制初生Mg2Si相的擇優生長，使粗大樹枝狀初生Mg2Si轉變為細小多邊塊狀；採用Ca、P和RE等變質劑使漢字或纖維狀共晶矽粒細化。但Ca會增加鎂合金的熱裂傾向，而P變質會產生環境汙染，RE的價格較為昂貴。Sr是一種具有良好變質作用的鹼土金屬，研究表明Sr可有效變質漢字狀Mg2Si共晶，但對過共晶Mg2Si初晶的變質行為的研究很少。目前國內僅華南理工大學研究Sr對初晶Mg2Si的變質處理開展了初步研究，結果表明，元素Sr也能有效變質過共晶Mg-Si合金中的Mg2Si初晶相。但相關的研究還很不系統，因此，系統研究Sr對Mg-S1-Sr合金中Mg2Si初晶相和共晶相的變質機理對提高Mg-S1-Sr合金的性能具有重要意義。
[0005]另外，熱變形是提高鎂合金性能的一個有效手段。研究表明，經過熱擠壓後Mg-Si合金中的Mg2Si顆粒被打碎，Mg2Si的形態和分布得到改善，基體晶粒被細化，導致Mg-Si合金強度和塑性得到提高。但有關Mg-S1-Sr合金熱變形的研究還未見報導。目前的研究表明元素Ca加入到鎂合金後會顯著弱化變形鎂合金的織構，改善合金的成形性能，與稀土元素弱化鎂合金的織構效果類似。鹼土金屬Sr是否會起到同樣的織構弱化效果還未有相關研究。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是尋找新型Mg-S1-Sr合金配方工藝及熔煉技術，提供用於實際生產的優化工藝路線和參數，最終批量生產出具有優良品質的Mg-S1-Sr系鎂合金。
[0007]本發明一種Mg-S1-Sr系鎂合金及製備方法通過下述技術方案予以實現:一種Mg-S1-Sr系鎂合金包括如下組分:Mg-S1-Sr系合金中Sr的添加質量分數為:3%，6%，9%，12% ；Si 的添加質量分數為 4%,餘量為 Mg,即製備 Mg_4%Si_3%Sr，Mg-4%S1-6%Sr,Mg-4%S1-9%Sr, Mg-4%S1-12%Sr 合金。
[0008]所述的鎂鍶合金中鍶含量(Wt.%)為20-25%，餘量為鎂；鎂矽合金中矽含量(Wt.%)為7-10%，餘量為鎂；鎂錠為(Wt.%) 99.92%的純鎂，化學成分(質量百分比wt%):Fe-0.0043%, S1-0.024%, Cu-0.001%, Μη-0.033%, Ζη-0.0099%, Al-0.0048%,Ca-0.0026%, Mg-餘量。
[0009]一種Mg-S1-Sr系鎂合金的製備方法包括如下步驟:
(1)原材料的準備步驟:
使用的原材料配比為:通過計算稱量配製Mg-S1-Sr合金,使Mg-Sr中間合金的添加質量分數為:4%，8%，12%，16% ;使Mg-Si的添加質量分數為9%，剩餘為純度為99.92%的工業純鎂；
熔煉的保護氣體為高純SF6+N2，比例為1:3 ;
(2)Mg-S1-Sr系合金的熔煉鑄造步驟:
按上述原材料的配比，按順序分別加入熔煉爐，首先把工業純鎂放入鎂合金熔煉爐內加熱，當溫度升高到500°C時，打開混合氣體(SF6+N2)氣閥，通過閥門控制兩種氣體的流量比SF6 =N2為1:3，在惰性氣體的保護下，當溫度升高到650°C時，工業純鎂完全熔化，將質量分數為10%的Mg-Si合金通過投料口加入到熔融的鎂液中，調整攪拌器轉速為400r/min，攪拌3-5min，保證添加元素在合金中充分均勻擴散，保溫lOmin。然後將預先準備好的質量分數為25%的Mg-Sr合金加入到熔融的鎂液中，升溫到750°C，調整攪拌器轉速為400r/min，攪拌時間為5-8min，750°C下保溫30min，最後澆注到預熱溫度為200°C的鋼模中；(3)Mg-S1-Sr系合金的擠壓變形步驟:
熱擠壓在550t型材擠壓機上進行；擠壓前潤滑模具，預熱模具到400°C，加熱錠坯溫度到300-320°C範圍；將加熱好的錠坯推入擠壓筒，保溫40min後開始擠壓，擠壓比為15:1，擠壓速率為0.6m/min,擠壓筒直徑為Φ IOOmm,擠壓軸在主柱塞的作用下，迫使擠壓筒內錠坯流出模孔；通過以上熱擠壓過程加工成棒材，即製得Mg-S1-Sr系鎂合金。
[0010]本發明一種Mg-S1-Sr系鎂合金及製備方法與現有技術相比較有如下有益效果:本發明一種Mg-S1-Sr系鎂合金及製備方法合金中的Si和Sr是提高鎂合金強度和耐熱性的重要元素，添加Si和Sr可顯著提高鎂合金的性能，可起到稀土元素加入相當的效果，且其成本顯著降低。本發明以汽車零部件用耐熱鎂合金為應用目標，通過成分設計、熔煉鑄造和變形工藝調控組織結構，開發出新型低成本高性能Mg-S1-Sr系耐熱鎂合金，提高產品的附加值和經濟效益。本發明在鎂合金中添加鹼土金屬Sr可有效細化漢字狀Mg2Si共晶的形態、尺寸和分布，使其均勻細小彌散的分布於合金中。Sr的添加，可以明顯改善合金的強韌性和耐熱性，使合金機械性能大大提高。
【具體實施方式】
[0011]下面結合實施例對本發明一種Mg-S1-Sr系鎂合金及製備方法技術方案作進一步描述。
[0012](1) Mg-S1-Sr 合金的熱力學計算合金設計。通過基於材料熱力學的相圖計算進行合金設計，優化合金成分。[0013](2) Mg-S1-Sr合金的熔煉鑄造技術，提高Si和Sr在鎂液裡的吸收率。
[0014](3) Si和Sr含量對Mg-S1-Sr合金鑄錠顯微組織的影響及其組織形成機制。研究不同Sr含量下，對變質效果的影響規律及其機制。
[0015](4) Mg-S1-Sr系合金的顯微組織、織構與合金性能的關係。探討Mg2Si及其它析出相的形貌、分數、尺寸、鎂合金的晶粒度和織構對合金性能的影響規律，揭示Mg-S1-Sr合金的強化及耐熱機理。
[0016](I) Mg-S1-Sr系鎂合金的成分設計
以合金熱力學原理和合金化理論為基礎，採用合金熱力學軟體計算Mg-S1-Sr系合金的相圖，通過相圖進行合金成分設計。
[0017]發明合金成分設計:
純度為99.9%的工業純鋁和99.9%的Si製備Mg_4%Si 惰性氣體為高純sf6+n2
Sr 的添加質量分數為:3%，6%，9%，12% 製備 Mg_4%Si_3%Sr，Mg-4%S1-6%Sr,Mg-4%S1-9%Sr，Mg-4%S1-12%Sr。
[0018](2)低成本高性能Mg-S1-Sr系合金的熔煉鑄造
將純度為99.9%的 工業純鋁鑄錠在鎂合金熔煉爐內加熱，當溫度升高到400°C時，打開混合氣體(SF6+N2)氣閥，通過閥門控制兩種氣體的流量比SF6 =N2為1:3，在惰性氣體的保護下，當溫度升高到650°C時，純鋁鑄錠完全融化，將質量分數為4%的Si通過投料口加入熔融的鎂液中，調整攪拌器轉速為400r/min，攪拌3_5min，保證添加元素在合金中充分均勻擴散，保溫lOmin。然後將預先準備好的不同質量分數(3%，6%，9%，12%)的Sr分別加入熔融的鎂合金中，升溫到770°C，調整攪拌器轉速為400r/min，攪拌時間為5_8min，750°C下保溫30min，澆注在預熱溫度為200°C的鋼模中。(3)低成本高性能Mg-S1-Sr系合金的擠壓變形。
[0019]熱擠壓在550t型材擠壓機上進行；擠壓前潤滑模具，預熱模具到400°C，加熱錠坯溫度到300-320°C範圍；將加熱好的錠坯推入擠壓筒，保溫40min後開始擠壓，擠壓比為15:I，擠壓速率為0.6m/min，擠壓筒直徑為Φ 100_，擠壓軸在主柱塞的作用下，迫使擠壓筒內錠坯流出模孔；通過以上熱擠壓過程加工成棒材，製備完成。
[0020]本發明新型耐熱鎂合金的性能參數均優於其他型號鎂合金:
工業純鎂
室溫抗拉強度:115MPa 屈服強度:98MPa 伸長率:8%
150°C抗拉強度:92 MPa 屈服強度:64 MPa 伸長率:12%
Mg-4%Si
室溫抗拉強度:152MPa 屈服強度:130MPa 伸長率:6.2%
150°C抗拉強度:128MPa 屈服強度:94 MPa 伸長率:7.1%
不同質量分數的Mg-4%S1-Sr鎂合金 材料成分=Sr質量分數:3% ;鎂矽合金:餘量 性能:
室溫抗拉強度:183 MPa 150°C抗拉強度:105 MPa室溫屈服強度:115 MPa150°C屈服強度:96 MPa室溫伸長率:3.6%
150 °C 伸長率:7.3%
材料成分:Sr質量分數 :6% ;鎂娃合金:餘量性能:
室溫抗拉強度:208 MPa150°C抗拉強度:121 MPa室溫屈服強度:128MPa150°C屈服強度:101 MPa室溫伸長率:4.1%
150 °C 伸長率:7.8%
材料成分:Sr質量分數:9% ;鎂娃合金:餘量性能:
室溫抗拉強度:220 MPa150°C抗拉強度:138 MPa室溫屈服強度:132 MPa150°C屈服強度:114 MPa室溫伸長率:4.6%
150°C伸長率:8.3%
材料成分=Sr質量分數:12% ;鎂矽合金:餘量性能:
室溫抗拉強度:210 MPa150°C抗拉強度:126 MPa室溫屈服強度:128 MPa150°C屈服強度:102 MPa室溫伸長率:4.4%
150°C伸長率:8.1%。
【權利要求】
1.一種Mg-S1-Sr系鎂合金，其特徵是所述的合金包括如下組分:Mg-S1-Sr系合金中Sr的添加質量分數為:3%，6%，9%，12% ；Si的添加質量分數為4%，餘量為Mg，即製備Mg-4%S1-3%Sr, Mg-4%S1-6%Sr, Mg-4%S1-9%Sr, Mg-4%S1-12%Sr 合金。
2.根據權利要求1所述的Mg-S1-Sr系鎂合金，其特徵是:所述的鎂鍶合金中鍶含量Wt.%為20-25%，餘量為鎂；鎂矽合金中矽含量Wt.%為7-10%，餘量為鎂；鎂錠為Wt.%99.92%的純鎂，化學成分質量百分比 wt%:Fe-0.0043%, S1-0.024%, Cu-0.001%, Μη-0.033%,Ζη-0.0099%, Al-0.0048%, Ca-0.0026%, Mg-餘量。
3.—種Mg-S1-Sr系鎂合金的製備方法，其特徵是所述的方法包括如下步驟: (1)原材料的準備步驟: 使用的原材料配比為:通過計算稱量配製Mg-S1-Sr合金,使Mg-Sr中間合金的添加質量分數為:4%，8%，12%，16% ;使Mg-Si的添加質量分數為9%，剩餘為純度為99.92%的工業純鎂； 熔煉的保護氣體為高純SF6+N2，比例為1:3 ; (2)Mg-S1-Sr系鎂合金的熔煉鑄造步驟: 按上述原材料的配比，按順序分別加入熔煉爐，首先把工業純鎂放入鎂合金熔煉爐內加熱，當溫度升高到500°C時，打開SF6+N2混合氣體氣閥，通過閥門控制兩種氣體的流量比SF6 =N2為1:3，在惰性氣體的保護下，當溫度升高到650°C時，工業純鎂完全熔化，將質量分數為10%的Mg-Si合金通過投料口加入到熔融的鎂液中，調整攪拌器轉速為400r/min，攪拌3-5min,保證添加元素在合金中充分均勻擴散,保溫IOmin ； 然後將預先準備好的質量分數為25%的Mg-Sr合金加入到熔融的鎂液中，升溫到750°C，調整攪拌器轉速為400r/min，攪拌時間為5_8min，750°C下保溫30min，最後澆注到預熱溫度為200°C的鋼模中； (3)Mg-S1-Sr系鎂合金的擠壓變形步驟: 熱擠壓在550t型材擠壓機上進行；擠壓前潤滑模具，預熱模具到400°C，加熱錠坯溫度到300-320°C範圍；將加熱好的錠坯推入擠壓筒，保溫40min後開始擠壓，擠壓比為15:1，擠壓速率為0.6m/min，擠壓筒直徑為Φ 100_，擠壓軸在主柱塞的作用下，迫使擠壓筒內錠坯流出模孔；通過以上熱擠壓過程加工成棒材，即製得Mg-S1-Sr系鎂合金。
【文檔編號】C22F1/06GK103981413SQ201410047485
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月11日 優先權日:2014年2月11日
【發明者】金培鵬, 王金輝, 崔闖, 唐彬彬, 朱雲鵬, 吳震, 潘志強, 王明亮 申請人:青海大學