CN105039817B

CN105039817B - 一种多元耐热镁合金的制备方法及多元耐热镁合金

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Publication number: CN105039817B
Application number: CN201510435972.8A
Authority: CN
Inventors: 陈君; 张清; 李全安; 李梅菊; 李萍; 张兴渊; 陈晓亚
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: CN105039817A

Abstract

本发明公开了一种多元耐热镁合金的制备方法及多元耐热镁合金。该方法包括以下步骤：1)所述铸态镁合金由以下质量百分比的组分组成：Al 7.5～8.5％，Zn 0.8～1.2％，RE 1.2～2.4％，Ca 0.5～1.4％，余量为镁和杂质；将铸态镁合金进行一级热处理，一级热处理温度为420～440℃，时间为4～6h，随炉冷却；2)进行二级热处理，二级热处理温度为390～410℃，时间为8～10小时，水冷；3)进行三级热处理，三级热处理温度为200～220℃，时间为12～15小时，空冷，即得。本发明提供的热处理方法，通过两级固溶处理，使镁合金的显微组织得到优化，从而提高了镁合金的最终力学性能。

Description

一种多元耐热镁合金的制备方法及多元耐热镁合金

技术领域

本发明属于金属材料冶金及热处理技术领域，具体涉及一种多元耐热镁合金的制备方法及多元耐热镁合金。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有高的比强度和比刚度、优异的铸造性能、机械加工性能，有着非常广泛的应用前景。近年来镁合金在汽车上应用日益增多，汽车采用镁合金可以减重，同时减少了尾气排放，因此镁合金的研究开发对于节约能源、抑制环境污染有着重要意义。

Mg-Al-Zn系镁合金(如AZ31、AZ61、AZ91等)是目前工业上应用最为广泛的镁合金系列。此系列镁合金兼有良好的强度、塑性、耐腐蚀性以及低廉的成本等优点。但它本身存在着难以克服的缺点：首先，铸态Mg-Al-Zn系镁合金中Mg₁₇Al₁₂相以离异共晶的形式呈网状沿晶界析出，这些粗大的Mg₁₇Al₁₂相的存在不利于合金的力学性能。此外，当工作温度高于120℃以后，此系列合金中的主要强化相Mg₁₇Al₁₂会发生粗化或软化，使得其对基体的强化作用大幅度降低，从而降低了此系列镁合金在高温下的力学性能，限制了Mg-Al-Zn系镁合金的应用范围。

添加合金元素是提高镁合金性能的有效途径之一。向Mg-Al-Zn系镁合金中主要添加的合金元素主要有三类：①Ca、Sr等碱土元素；②稀土元素RE；③第Ⅳ、Ⅴ族元素，如Si、Sn、Sb、Bi等。这些合金元素在为镁合金提供新的性能的同时，也对镁合金的热处理方法提出了更高的要求。由于Mg-Al-Zn系镁合金的特殊性，常规的热处理工艺难以有效改善镁合金的偏析及析出相的均匀性，且合金组织中容易出现缩松和气孔等组织缺陷，进而影响了镁合金的力学性能。

专利CN103469039A公开了一种含钙和稀土钐的镁-铝-锌变形镁合金，其质量百分含量为Al 5.3～6.0％，Zn 0.7～1.0％，Ca 0.4～0.5％，Sm 0.2～1.5％，余量为Mg；通过原料熔化，盐浴快冷，得到的合金锭子在400℃下均匀化退火空冷至室温，360℃挤压比为25:1进行热挤压，得到含钙、稀土钐的镁-铝-锌变形镁合金。该镁合金通过热挤压变形后，合金相细化，材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率均得到提高。但热挤压工艺需要特定的挤压设备，且对材料的尺寸、形状都有限制；同时，热挤压过程常伴有较严重的氧化和脱碳等加热缺陷，影响了挤压件的尺寸精度和表面粗糙度；上述特点影响了该工艺在工业生产中的大规模应用。

开发一种设备简单，成本较低，安全可靠，操作方便的热处理方法对于Mg-Al-Zn系镁合金具有重要作用。热处理可以有效减少铸件内应力，消除合金组织中的偏析，使非平衡相溶解于基体中，使合金成分均匀化，当合金元素的固溶度随温度变化而变化时，通过固溶处理可显著提高镁合金性能。Mg-Al-Zn系铸造镁合金的热处理一般包括固溶处理和时效处理两个步骤，其中固溶处理是合金后续时效处理的基础和关键，如何通过工艺控制获得良好的固溶效果对于Mg-Al-Zn系合金的热处理强化显得尤为关键。固溶处理需较好地控制处理温度和处理上时间，若温度过高或加热时间过长，会使得组织长大粗化，浪费热量；若温度过低或加热时间过短，合金元素溶解不足，影响其力学性能。因此，如何优化镁合金的热处理工艺，研究开发新型镁合金热处理方法对于最大限度地发挥铸造Mg-Al-Zn系合金的强化作用显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种多元耐热镁合金的制备方法，解决现有技术中Mg-Al-Zn系镁合金因偏析和析出相分布均匀性差导致镁合金力学性能差的技术问题。

本发明的第二个目的是提供一种由上述制备方法得到的多元耐热镁合金。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将铸态镁合金进行一级热处理，所述一级热处理温度为420～440℃，热处理时间为4～6h，冷却；所述铸态镁合金由以下质量百分比的组分组成：Al 7.5～8.5％，Zn 0.8～1.2％，RE 1.2～2.4％，Ca 0.5～1.4％，余量为镁和杂质；

2)将步骤1)冷却后的镁合金进行二级热处理，所述二级热处理温度为390～410℃，热处理时间为8～10小时，冷却；

3)将步骤2)冷却后的镁合金进行三级热处理，所述三级热处理温度为200～220℃，热处理时间为12～15小时，冷却，即得。

步骤1)中，RE为Gd、Y、Nd、Sm中任意一种。

杂质为Fe、Cu和Ni，总量小于0.2wt％。

上述多元耐热镁合金的制备方法中，一级热处理和二级热处理为固溶处理步骤，三级热处理为时效处理步骤。固溶处理通过将合金加热至高温单相区并恒温保持，使过剩相充分溶于固溶体中，再通过冷却得到过饱和固溶体；本发明提供的热处理方法，通过两级固溶处理，避免了合金元素溶解不足或合金组织长大粗化的弊病，使合金析出相分布均匀，合金组织得到优化，从而提高了镁合金的最终力学性能。合金组分中，Ca在镁合金中具有良好的晶粒细化和抗氧化作用，能够细化镁合金基体组织从而提高镁合金强度和塑性；在Mg-Al系镁合金中少量的Ca会固溶进Mg₁₇Al₁₂相中提高其热稳定性，且Ca易与Al形成高温稳定的Al-Ca相从而提高合金高温性能。稀土元素RE加入镁合金中具有固溶强化和第二相强化效果，从而改善合金机械性能。此外，本发明提供的热处理方法具有所用设备简单，成本较低，安全可靠，操作方便的优点，适合大规模工业化生产应用。

步骤1)一级热处理可在各种热处理炉(如箱式电阻炉等)中进行，一级热处理优选冷却方式为随炉冷却，该处理能够使合金中的元素发生固态扩散，减轻晶内偏析以及枝晶偏析，使得成分均匀化，随炉缓慢冷却能够加大合金元素的扩散，减轻铸造缺陷，优化合金的显微组织。

步骤2)二级热处理的冷却方式优选为热水冷却；所用热水温度为70～90℃，能够得到镁合金的过饱和固溶体，并且热水淬火能减少合金的热裂倾向，提高组织的完整性。

步骤3)三级热处理的冷却方式优选为空冷，该过程为人工时效处理，从过饱和固溶体中析出弥散相能够起到弥散强化的作用。

步骤1)由原料得到铸态镁合金可采用多种现有技术。步骤1)所述铸态镁合金优选由以下方法制备得到：在保护气氛下，将原料按配比进行熔炼，浇铸，即得铸态镁合金。所述保护气氛为CO₂和SF₆的混合气体。所述浇铸的温度为710～730℃。

本发明同时提供一种由上述多元耐热镁合金的制备方法得到的多元耐热镁合金。本发明提供的多元耐热镁合金，合金中各相分布均匀，合金的强度、耐热性得到显著提高，室温抗拉强度达到273Mpa，屈服强度达到204MPa；200℃工作温度下，抗拉强度和屈服强度分别达到196Mpa和141Mpa；力学性能优异，具有广阔的应用空间。

附图说明

图1为传统镁合金热处理方法温度-时间示意图；

图2为本发明多元耐热镁合金的制备方法温度-时间关系示意图；

图3为本发明对比例1和实施例1的金相组织图，其中(a)为对比例1的金相组织图，(b)为实施例1的金相组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将装有原料的刚玉坩埚放入中频感应炉中，在CO₂+SF₆混合气体保护下进行熔炼，原料熔化后，将镁合金熔液升温至720℃时，浇铸至钢制模具中，得到铸态镁合金；铸态镁合金的质量百分比组成为：Al 8.0％，Zn 1％，Y 1.7％，Ca 0.8％，余量为Mg和杂质；

2)将步骤1)所得铸态镁合金在箱式电阻炉中进行一级热处理，一级热处理温度为430℃，一级热处理时间为4小时，随炉冷却；

3)将步骤2)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行二级热处理，二级热处理温度为400℃，二级热处理时间为8小时，用80℃的热水冷却；

4)将步骤3)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行三级热处理，三级热处理温度为210℃，三级热处理时间为14小时，空冷，即得。

本实施例的制备方法所得多元耐热镁合金的质量百分比组成为Al 8％，Zn 1％，Y1.7％，Ca 0.8％，余量为Mg和杂质。

对比例1

对比例1多元耐热镁合金原料的组成与实施例1相同；铸态镁合金的制备工艺与实施例1相同。对比例1多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将铸态镁合金在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶处理温度为420℃，固溶处理时间为12小时，用80℃的热水冷却；

2)将步骤1)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行时效处理，时效处理温度为210℃，时效处理时间为14小时，空冷，即得。

实施例2

本实施例多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将装有原料的刚玉坩埚放入中频感应炉中，在CO₂+SF₆混合气体保护下进行熔炼，原料熔化后，将镁合金熔液升温至710℃时，浇铸至钢制模具中，得到铸态镁合金；铸态镁合金的质量百分比组成为：Al 7.6％，Zn 1.2％，Gd 2.0％，Ca 0.6％，余量为Mg和杂质；

2)将步骤1)所得铸态镁合金在箱式电阻炉中进行一级热处理，一级热处理温度为420℃，一级热处理时间为5小时，随炉冷却；

3)将步骤2)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行二级热处理，二级热处理温度为410℃，二级热处理时间为9小时，80℃热水冷却；

4)将步骤3)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行三级热处理，三级热处理温度为200℃，三级热处理时间为13小时，空冷，即得。

本实施例的制备方法所得多元耐热镁合金的质量百分比组成为Al 8％，Zn 1％，Gd 2.0％，Ca 0.6％，余量为Mg和杂质。

对比例2

对比例2多元耐热镁合金原料的组成与实施例2相同；铸态镁合金的制备工艺与实施例2相同。对比例2多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将铸态镁合金在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶处理温度为415℃，固溶处理时间为14小时，80℃热水冷却；

2)将步骤1)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行时效处理，时效处理温度为200℃，时效处理时间为13小时，空冷，得到多元耐热镁合金。

实施例3

本实施例多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将装有原料的刚玉坩埚放入中频感应炉中，在CO₂+SF₆混合气体保护下进行熔炼，原料熔化后，将镁合金熔液升温至730℃时，浇铸至钢制模具中，得到铸态镁合金；铸态镁合金的质量百分比组成为：Al 7.8％，Zn 0.9％，Nd 1.9％，Ca 1.0％，余量为Mg和杂质；

3)将步骤2)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行二级热处理，二级热处理温度为390℃，二级热处理时间为10小时，90℃热水冷却；

4)将步骤3)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行三级热处理，三级热处理温度为200℃，三级热处理时间为15小时，空冷，即得。

本实施例的制备方法所得多元耐热镁合金的质量百分比组成为Al 8％，Zn 1％，Nd 1.9％，Ca 1.0％，余量为Mg和杂质。

对比例3

对比例3多元耐热镁合金原料的组成与实施例3相同；铸态镁合金的制备工艺与实施例3相同。对比例3多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将铸态镁合金在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶处理温度为425℃，固溶处理时间为11小时，90℃热水冷却；

2)将步骤1)所得镁合金放入热处理炉中进行时效处理，时效处理温度为200℃，时效处理时间为15小时，空冷，得到多元耐热镁合金。

实施例4

本实施例多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将装有原料的刚玉坩埚放入中频感应炉中，在CO₂+SF₆混合气体保护下进行熔炼，原料熔化后，将镁合金熔液升温至710℃时，浇铸至钢制模具中，得到铸态镁合金；铸态镁合金的质量百分比组成为：Al 8.3％，Zn 0.8％，Sm 1.3％，Ca 1.2％，余量为Mg和杂质；

2)将步骤1)所得铸态镁合金在箱式电阻炉中进行一级热处理，一级热处理温度为430℃，一级热处理时间为6小时，随炉冷却；

3)将步骤2)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行二级热处理，二级热处理温度为410℃，二级热处理时间为8小时，80℃热水冷却；

本实施例的制备方法所得多元耐热镁合金的质量百分比组成为Al 8％，Zn 1％，Sm 1.3％，Ca 1.2％，余量为Mg和杂质。

对比例4

对比例4多元耐热镁合金原料的组成与实施例4相同；铸态镁合金的制备工艺与实施例4相同。对比例4多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将铸态镁合金在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶处理温度为430℃，固溶处理时间为10小时，80℃热水冷却；

2)将步骤1)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行时效处理，时效处理温度为200℃，时效处理时间为15小时，空冷，得到多元耐热镁合金。

实施例5

本实施例多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将装有原料的刚玉坩埚放入中频感应炉中，在CO₂+SF₆混合气体保护下进行熔炼，原料熔化后，将镁合金熔液升温至730℃时，浇铸至钢制模具中，得到铸态镁合金；铸态镁合金的质量百分比组成为：Al 8.4％，Zn 1.1％，Gd 2.3％，Ca 1.4％，余量为Mg和杂质；

2)将步骤1)所得铸态镁合金在箱式电阻炉中进行一级热处理，一级热处理温度为440℃，一级热处理时间为5小时，随炉冷却；

3)将步骤2)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行二级热处理，二级热处理温度为390℃，二级热处理时间为10小时，70℃热水冷却；

4)将步骤3)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行三级热处理，三级热处理温度为220℃，三级热处理时间为14小时，空冷，即得。

本实施例制备方法所得多元耐热镁合金的质量百分比组成为Al 8％，Zn 1％，Gd2.3％，Ca 1.4％，余量为Mg和杂质。

对比例5

对比例5多元耐热镁合金原料的组成与实施例5相同；铸态镁合金的制备工艺与实施例5相同。对比例5多元耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将铸态镁合金在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶处理温度为410℃，固溶处理时间为15小时，70℃热水冷却；

2)将步骤1)冷却后的镁合金放入热处理炉中进行时效处理，时效处理温度为220℃，时效处理时间为14小时，空冷，得到多元耐热镁合金。

试验例

检测各实施例和对比例的多元耐热镁合金在常温和工作温度下(200℃)的抗拉强度和屈服强度，检测结果如表1所示。由表1可以看出，以本发明热处理方法得到的多元耐热镁合金在常温和200℃下均具有较高的抗拉强度和屈服强度，力学性能优异。

表1各实施例和对比例的多元耐热镁合金的力学性能检测结果

(注：(炉)表示冷却方式为炉冷；(水)表示冷却方式为热水冷却，水温为70～90℃；(空)表示冷却方式为空冷。)

传统镁合金热处理方法温度-时间示意图如图1所示，经过一次固溶处理后，水冷冷却；然后进行时效处理，空冷，得到镁合金；本发明的多元耐热镁合金的制备方法的温度-时间关系示意图如图2所示，经过二次固溶处理，二次固溶处理的冷却方式分别为炉冷和水冷；然后进行时效处理，空冷，得到多元耐热镁合金。通过对热处理工艺的优化，可以使镁合金的金相组织得到优化，从而使合金的强度、耐热性得到显著提高。

图3为本发明对比例1和实施例1的金相组织图，其中(a)为对比例1的金相组织图，(b)为实施例1的金相组织图。与对比例的金相组织相比，实施例1得到的多元耐热镁合金，晶内偏析以及枝晶偏析少，合金成分均匀化程度高，且弥散相晶粒细化，分布均匀，有利于减少缺陷的产生，保持组织的完整性，提高宏观力学性能。

Claims

1.一种多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将铸态镁合金进行一级热处理，所述一级热处理温度为420～440℃，热处理时间为4～6h，冷却；所述铸态镁合金由以下质量百分比的组分组成：Al 7.5～8.5％，Zn 0.8～1.2％，RE 1.2～2.4％，Ca 0.5～1.4％，余量为镁和杂质；其中，RE为Gd、Y、Nd、Sm中任意一种；

2.如权利要求1所述多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述冷却为随炉冷却。

3.如权利要求1所述多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述冷却为热水冷却；所用热水温度为70～90℃。

4.如权利要求1所述多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述冷却为空冷。

5.如权利要求1～4中任一项所述多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤1)所述铸态镁合金由以下方法制备得到：在保护气氛下，将原料按配比进行熔炼、浇铸，即得铸态镁合金。

6.如权利要求5所述多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述保护气氛为CO₂和SF₆的混合气体。

7.如权利要求5所述多元耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述浇铸的温度为710～730℃。

8.一种由权利要求1所述的制备方法所得的多元耐热镁合金。