鹼土元素變質的耐熱鎂合金及其製備方法
2023-06-02 15:11:56
鹼土元素變質的耐熱鎂合金及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種鹼土元素變質的耐熱鎂合金，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，其餘為Mg。本發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，對鎂合金進行改性，並將得到的鑄造態耐熱鎂合金進行T6熱處理。同現有技術相比，本發明所製備的耐熱鎂合金，具有較高的室溫抗拉強度和較高的高溫抗拉強度，並且擁有較好的塑性。
【專利說明】鹼土元素變質的耐熱鎂合金及其製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鎂合金，具體涉及一種鹼土元素變質的耐熱鎂合金及其製備方 法，屬於金屬材料領域。
【背景技術】
[0002] 鎂合金作為最輕的金屬結構材料，具有較高的比強度和比剛度、良好的鑄造性能 和機械加工性能及阻尼特性，具有廣泛的應用前景，其中新型輕質高強耐熱鎂合金是第三 代活塞材料的最佳選擇。
[0003] Mg-Al-Si系耐熱鎂合金由於具有較好的高溫性能和明顯的成本優勢等方面的特 點，因此其研究開發同其它的Mg-Al系耐熱鎂合金一樣，正受到國內外的廣泛關注和高度 重視。儘管國內外對於AS系耐熱鎂合金的研究開發已開展了大量卓有成效的研究工作， 並取得了眾多積極的研究成果。但總的來講，由於生產工藝和性能等方面的原因，現有 Mg-Al-Si系耐熱鎂合金還難以適應工業化應用的要求。因此需要對現有AS系鎂合金進行 改性，以提高其綜合性能。
【發明內容】
[0004] 為解決上述技術瓶頸問題，本發明提供一種鹼土元素變質的耐熱鎂合金，具有比 強度高、比模量高、耐熱性能好的特點，解決了現有技術中AS系耐熱鎂合金難以適應工業 化應用要求的問題。
[0005] 本發明的另一目的在於提供一種鹼土元素變質的耐熱鎂合金的其製備方法。
[0006] 本發明的技術方案如下： 鹼土元素變質的耐熱鎂合金，其成分質量百分比為：Al 2. 5~3. 4, Si 0.5~1. 4, Mn 0. 05?0. 14, Sr 0. 05?1. 54,雜質元素總量小於0. 04,其餘為Mg。
[0007] 本發明的製備方法包括以下步驟： a) 將純鎂錠（99. 97wt. %)、純鋁錠（99. 95wt. %)、鎂矽中間合金（Mg-30Si)及鋁鍶中間 合金（Al-IOSr)按上述質量百分比配料，並在130-170°C進行預熱處理；同時把熔鑄用石墨 坩堝與澆注用金屬鋼模均進行低溫預熱處理； b) 將上述預熱過的合金在具有氣體保護裝置的坩堝電阻爐中進行熔煉，熔煉與澆注 過程中，一直採用SF6+C02混合氣體保護； c) 將上述純鎂錠放入事先預熱過的石墨坩堝中，快速加熱至650°C±5 °e，待純鎂錠完 全熔化後，均勻緩慢加熱到溫度680°C時，去除表面氧化雜質後，加入上述純鋁錠，並繼續加 熱至720°C熔化，此時再加入鎂矽中間合金及鋁鍶中間合金，採用機械攪拌5-10min，使其充 分熔合； d) 上述合金熔體在750°C保溫30min，然後將合金熔體倒入已預熱的金屬鋼模中，在空 氣中自然冷卻或者包套形式的外加水冷裝置中，得到鑄造態鹼土鎂合金； e) 將鑄造態鹼土鎂合金進行T6熱處理，得到綜合性能較高的ASJ鹼土耐熱鎂合金。
[0008] 所述的ASJ鹼土耐熱鎂合金型號為AS31J耐熱鎂合金，鹼土銀在耐熱鎂合金 Mg-Al-Si中起到變質細化作用。
[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人工時效處理。
[0010] 同現有的技術相比，本發明具有以下特點： 1)鑄態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相為合金的主要強化相，Mg2Si析出相具有與鎂相 近的低密度（1.9g/cm 3)，高熔點（1085°〇、硬度（460HVa3)和彈性模量以及低熱膨脹係數 (7. 5 XlOH
[0011] 2)當加入Sr時，合金組織中的漢字相Mg2Si尺寸逐漸減小，塊狀相也趨於彌散析 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Sr的添加量達到0. 5wt. %時，合金中幾乎不存在原鑄態的粗大漢字相，取而代 之的是彌散析出的顆粒狀相和不規則多邊形相，原有的大塊狀相被分解為數塊，部分枝晶 臂則演變為細小的針狀相，基體組織得到顯著的細化。當Sr添加量超過I. 5wt. %時，變質 作用無明顯改善。
[0012] 3)在固溶處理使得鑄態AS31J合金的部分析出相，發生球化作用，繼續進行時效 處理後，合金顯微組織得到進一步細化，隨著保溫時間逐漸增加，合金的綜合性能得到大幅 度提升。此時合金的具有較高的室溫抗拉強度和較高的高溫拉伸強度，同時兼顧有較好的 塑性。
[0013] 4)本發明中矽元素與鹼土鍶元素均為價格相對低廉且易於獲得的合金組成物， 因此本發明不僅提供了一種新型合金的設計方法，同時也為市場化的投放與使用提供了低 成本製備與應用的使用空間。
[0014] 本發明所製備的鹼土耐熱鎂合金，由於具有較高的室溫抗拉強度和較高的高溫抗 拉強度，塑性也有較大的提高，可以作為機用活塞、汽車發動力機等零部件的結構材料，也 可以作為在較高環境溫度下使用的輕質高強度的結構材料。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明實施例1所製備的鹼土耐熱鎂合金的光學顯微組織照片； 圖2是本發明實施例1所製備的鹼土耐熱鎂合金的SEM顯微組織照片； 圖3a、圖3b是本發明實施例1所製備的鹼土耐熱鎂合金的EDS能譜圖； 圖4是現有技術的AS31鎂合金的光學顯微組織照片。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步詳述。
[0017] 實施例1 一種鹼土耐熱鎂合金，其成分質量百分比為：A1 2. 9%，Si I. 1%，Mn 0. 09%，Sr 0. 2%， 雜質元素總量小於0. 04%，其餘為Mg。
[0018] 一種鹼土耐熱鎂合金的製備方法，包括以下步驟： a)將工業純鎂錠（99. 97wt. %)、純鋁錠（99. 95wt. %)、鎂矽中間合金（Mg-30Si)及鎂鍶 中間合金（Al-IOSr)按上述質量百分比配料，並預熱至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，熔煉與澆注過程採用 SF6+C02混合氣體保護； c) 將上述純鎂放入事先預熱至200°C的低碳鋼坩堝中，當溫度達到680 °G時，待純鎂完 全熔化後加入純鋁，並繼續加熱至720 熔化，此時加入鎂矽中間合金及鋁鍶中間合金，採 用機械攪拌5-10min，使其充分熔合； d) 合金熔體在750 °G保溫30min，然後將合金熔體倒入已預熱至200 °G的金屬鋼模鑄 型中，並在空氣中自然冷卻，得到鑄造態鹼土鎂合金； e) 將鑄造態鹼土鎂合金進行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鹼土耐熱鎂合金。
[0019] 本實施例的鹼土耐熱鎂合金，在室溫下的抗拉強度為140MPa，屈服強度為 129MPa，延伸率為5. 7% ;在150°C高溫條件下的抗拉強度為123MPa，屈服強度為103MPa，延 伸率為6. 6%。
[0020] 本實施例的合金顯微組織見圖1、圖2,主要合金強化相成分見圖3a、圖3b，現有技 術的AS31合金的顯微組織見圖4。
[0021] 比較圖1和圖4,可以看出，由於鹼土元素 Sr的加入，粗大的漢字相與初生相Mg2Si 得到了明顯的細化，基體呈現彌散分布的顆粒狀或針狀相，通知經過時效處理的合金組織 也變得較為均勻。
[0022] 從圖2、圖3a、圖3b可以看出，經過鹼土 Sr變質後的Mg2Si相周圍富集了大量的 Sr原子，形成鹼土 Sr富集的GP區，這對合金基體的細化起到了決定性的作用。
[0023] 實施例2 一種鹼土耐熱鎂合金，其成分質量百分比為：A1 3. 3%，Si 1. 0%，Mn 0. 08%，Sr 0. 5%， 雜質元素總量小於0. 04%，其餘為Mg。
[0024] 本實施例的步驟a) ~e)與實施例I a) ~e)相同。
[0025] 本實施例的鹼土耐熱鎂合金，在室溫下的抗拉強度為138MPa，屈服強度為 112MPa，延伸率為6. 1% ;在150°C高溫條件下的抗拉強度為118MPa，屈服強度為93MPa，延伸 率為6. 8%。
[0026] 實施例3 一種鹼土耐熱鎂合金，其成分質量百分比為：A1 3. l%，Si I. 3%，Mn 0. ll%，Sr 1. 2%， 雜質元素總量小於0. 04%，其餘為Mg。
[0027] 本實施例的步驟a) ~e)與實施例I a) ~e)相同。
[0028] 本實施例的鹼土耐熱鎂合金，在室溫下的抗拉強度為148MPa，屈服強度為 130MPa，延伸率為5. 5% ;在150°C高溫條件下的抗拉強度為126MPa，屈服強度為109MPa，延 伸率為6. 4%。
[0029] 對實施例1-3製備的AS31J鹼土鎂合金與未經變質處理現有技術AS31鎂合金進 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，結果如下表1。
[0030] 實施例4 一種鹼土耐熱鎂合金，其成分質量百分比為：Al 2. 5%，Si 0. 5%，Mn 0. 05%，Sr 0. 05%， 雜質元素總量小於0. 04%，其餘為Mg。
[0031] 本實施例的步驟a) ~e)與實施例I a) ~e)相同。
[0032] 實施例5 一種鹼土耐熱鎂合金，其成分質量百分比為：Al 3. 4%，Si 1. 4%，Mn 0. 14%，Sr 1. 54%， 雜質元素總量小於0. 04%，其餘為Mg。
[0033] 本實施例的步驟a) ~e)與實施例I a) ~e)相同。
[0034] 表 1
【權利要求】
1. 一種鹼土元素變質的耐熱鎂合金，其特徵在於其成分質量百分比為：A1 2.5~3. 4， Si 0. 5?I. 4, Mn 0. 05?0. 14, Sr 0. 05?I. 54,雜質元素總量小於0. 04%，其餘為Mg。
2. 根據權利要求1所述的鹼土元素變質的耐熱鎂合金，其特徵在於其成分質量百分比 為：Al 2. 9%，Si I. 1%，Mn 0. 09%，Sr 0. 2%，雜質元素總量小於 0. 04%，其餘為 Mg。
3. 製備權利要求1所述的鹼土元素變質的耐熱鎂合金的製備方法，其特徵在於包括以 下步驟： a) 將純鎂錠（99. 97wt. %)、純鋁錠（99. 95wt. %)、鎂矽中間合金（Mg-30Si)及鎂鍶中間 合金（Al-IOSr)按上述質量百分比配料，並在130-170°C進行預熱處理；同時把熔鑄用石墨 坩堝與澆注用金屬鋼模均進行低溫預熱處理； b) 將上述預熱過的合金在具有氣體保護裝置的坩堝電阻爐中進行熔煉，熔煉與澆注 過程中，一直採用SF6+C02混合氣體保護； c) 將上述純鎂錠放入事先預熱過的石墨坩堝中，快速加熱至650°C ±5°C，待純鎂錠 完全熔化後，均勻緩慢加熱到溫度680°C時，去除表面氧化雜質後，加入上述純鋁錠，並繼續 加熱至720°C熔化，此時再加入Mg-Si和Al-Sr中間合金，採用機械攪拌5min，使其充分熔 合； d) 上述合金熔體在750°C保溫30min，然後將合金熔體倒入已預熱的金屬鋼模中，在 空氣中自然冷卻或者包套形式的外加水冷裝置中，得到鑄造態鹼土鎂合金； e) 將鑄造態鹼土鎂合金進行T6熱處理，得到綜合性能較高的ASJ鹼土耐熱鎂合金。
4. 根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於所述的ASJ鹼土耐熱鎂合金型號為 AS31J耐熱鎂合金，鹼土鍶在耐熱鎂合金Mg-Al-Si中起到變質細化作用。
5. 根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於所述的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 優先權日:2014年10月16日
【發明者】王旭, 王寶剛, 張國福, 劉峰 申請人:遼寧石油化工大學