CN101871066A - 一种含锡与锌的高强韧性镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型含锡(Sn)与锌(Zn)的高强韧性镁合金及其制备方法，属于金属材料类及冶金领域，解决现有技术中AZ91系列合金普遍存在塑性较差的问题，以及AM60/50合金存在强度不高的缺陷。镁合金的组分及重量百分比为：1-5％Sn，4-6％Zn，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。熔炼过程在气体保护下进行，将工业纯美熔化后，分别加入纯Sn、纯Zn，等合金元素完全溶解后精炼，保温除渣后进行铸造。本发明合金在铸态下，抗拉强度σb达到220-242MPa，屈服强度σ0.2达到68-91MPa，延伸率δ达到12-16％，具有高的抗拉强度与优良的塑性。本发明合金在固溶+时效处理后，抗拉强度σb达到290MPa，屈服强度σ0.2达到226MPa，延伸率δ达到11％。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型含锡(Sn)与锌(Zn)的高强韧性镁合金及其制备方法，属于金属材料类及冶金领域。
背景技术
镁合金作为一种新型金属材料，以其密度小、比强度和比刚度高等优点，在航空航天、汽车以及电子产品等领域获得了广泛应用。目前，镁及镁合金的需求量每年以20％的速率增长，被誉为是“二十一世纪的绿色工程材料”。
目前，商用镁合金基本上可以分为铸造镁合金与变形镁合金两大类。在铸造镁合金中，AZ系列应用最广泛，主要有AZ91系列和AM60/50系列。但是AZ91系列合金普遍存在塑性较差的问题，而AM60/50合金则存在强度不高的缺陷。
为了适应市场需求，进一步扩大镁合金的应用范围，在低成本前提下，同时提高合金强度与韧性是关键所在。尽管许多科研工作对现有的镁合金进行了晶粒细化、微合金化等研究，但是应用性不理想。因此设计开发一种低成本、高强高韧镁合金是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型含锡与锌的高强韧性镁合金及其制备方法，通过合理选择合金化元素，解决现有技术中AZ91系列合金普遍存在塑性较差的问题，以及AM60/50合金存在强度不高的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种含锡与锌的高强韧性镁合金，其组分及重量百分比为：
Sn：1-5％，Zn：4-6％，剩余部分为镁和不可避免的杂质。
本发明确定合金成分的设计思想是：
(1)采用Sn作为第一组分，Sn在共晶温度561℃时的固溶度为14.85％，而在200℃时固溶度为0.45％，因此Sn在镁中具有良好的固溶强化效果；同时含Sn镁合金中形成的Mg2Sn熔点高(770℃)，分布弥散，具有强化作用，因此合金中加入1-5％Sn，最优重量百分比为5％。
(2)本发明合金中加入4-6％Zn，Zn具有固溶强化与时效硬化双重作用，同时合金中加入Zn可以提高合金塑性。
(3)本发明形成的合金晶粒较小，合金强度与塑性较高。
本发明优选配方(重量百分比)为：5％Sn，5％Zn，剩余部分为镁和不可避免的杂质。
本发明制备工艺如下：熔炼过程在气体保护下进行，将工业纯美熔化后，分别加入纯Sn、纯Zn，等合金元素完全溶解后，采用镁合金熔炼常用的精炼剂(如RJ-2熔剂，加入量占熔体重量的1％)精炼，保温除渣后进行铸造，具体步骤如下：
1)先将纯Mg、纯Zn在150-200℃预热20-30分钟，将纯Sn在100-150℃预热20-30分钟，并烘干，同时将精炼剂以及模具在150-200℃预热30-60分钟；
(2)将纯Mg在CO2与SF6混合气体保护下熔化，熔化后待熔体温度为700-720℃时，向熔体中加入预热纯Zn与纯Sn，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至730-750℃加入精炼剂进行精炼，在730-750℃保温20-30分钟后降温至700-730℃；
(3)撇去浮渣后，在CO2与SF6混合气体保护下进行浇铸成型。
本发明的热处理方式分为固溶(T4)处理或固溶+时效(T6)组合处理两种：
(1)固溶(T4)处理
固溶处理温度为380-400℃，固溶处理时间为4-12小时，水淬至室温；
(2)固溶+时效(T6)组合处理
先在380-400℃固溶处理4-12小时后，水淬至室温；然后在175-225℃下时效12-24小时，空冷至室温。
其中，固溶处理在保护气氛下进行，保护气氛为CO2与SF6混合气体。
由于固溶处理后，合金中合金元素固溶度增加，析出相减少，从而使得合金抗拉强度与延伸率提高；经过固溶时效后，由于时效强化效果，合金屈服强度明显提高，延伸率有所降低。
所述CO2与SF6混合气体中，SF6体积分数为0.5％。
所述浇铸成型，采用压铸、低压铸造、金属型铸造或者砂型铸造。
本发明的优点及有益效果如下：
1、与现有镁合金相比，本发明具有实质性特点和显著进步，该发明熔炼工艺简单，生产效率高，合金成本低，合金组织均匀，具有高的抗拉强度与塑性。
2、本发明合金在铸态下，抗拉强度σb达到220-242MPa，屈服强度σ0.2达到68-91MPa，延伸率δ达到12-16％，具有高的抗拉强度与优良的塑性。
3、本发明合金在固溶+时效处理后，抗拉强度σb达到290MPa，屈服强度σ0.2达到226MPa，延伸率δ达到11％。
附图说明
图1为本发明合金在铸态下的合金组织图(SEM)。
图2为本发明合金在固溶+时效处理后的合金组织图(TEM)。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
合金成分(重量百分比)为1％Sn，5％Zn，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。
首先，将纯Mg、纯Zn在150-200℃预热20-30分钟，将纯Sn在100-150℃预热20-30分钟，并烘干，同时将精炼剂在150-200℃预热30-60分钟；然后，将纯Mg在CO2与SF6混合气体(SF6体积分数为0.5％)保护下放入电阻炉中熔化，熔化后待熔体温度为700℃时，向熔体中加入纯Zn与纯Sn，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至750℃加入占熔体重量1％的RJ-2熔剂进行精炼，在750℃保温30分钟后降温至730℃，撇去浮渣进行浇铸，浇铸用石墨模具在150℃预热50分钟。
本实施例合金的抗拉强度为228.5MPa，屈服强度为68.5MPa，延伸率为16.4％。
实施例2：
合金成分(重量百分比)为3％Sn，5％Zn，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。
首先，将纯Mg、纯Zn在150-200℃预热20-30分钟，将纯Sn在100-150℃预热20-30分钟，并烘干，同时将精炼剂在150-200℃预热30-60分钟；然后，将纯Mg在CO2与SF6混合气体(SF6体积分数为0.5％)保护下放入电阻炉中熔化，熔化后待熔体温度为700℃时，向熔体中加入纯Zn与纯Sn，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至750℃加入占熔体重量1％的RJ-2熔剂进行精炼，在750℃保温30分钟后降温至730℃，撇去浮渣进行浇铸，浇铸用石墨模具在150℃预热50分钟。
本实施例合金的抗拉强度为227.3MPa，屈服强度为82.0MPa，延伸率为14.3％。
实施例3：
合金成分(重量百分比)为5％Sn，5％Zn，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。
首先，将纯Mg、纯Zn在150-200℃预热20-30分钟，将纯Sn在100-150℃预热20-30分钟，并烘干，同时将精炼剂在150-200℃预热30-60分钟；然后，将纯Mg在CO2与SF6混合气体(SF6体积分数为0.5％)保护下放入电阻炉中熔化，熔化后待熔体温度为700℃时，向熔体中加入纯Zn与纯Sn，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至750℃加入占熔体重量1％的RJ-2熔剂进行精炼，在750℃保温30分钟后降温至730℃，撇去浮渣进行浇铸，浇铸用石墨模具在150℃预热50分钟。
本实施例合金的抗拉强度为236.5MPa，屈服强度为90.5MPa，延伸率为12.7％。
如图1所示，本发明合金在铸态下的合金组织的特点是：
本发明合金凝固组织由基体α-Mg与在晶界处分布有层片状(Mg+MgZn)共晶组织以及离异共晶相Mg2Sn组成，离异共晶组织主要分布在晶界处。
将本实施例合金进行400℃固溶处理8小时，固溶处理在保护气氛下进行，保护气氛为CO2与SF6混合气体(SF6体积分数为0.5％)，水淬至室温后，抗拉强度为270.1MPa，屈服强度为92.6MPa，延伸率为20.0％。
将本实施例合金进行400℃固溶处理8小时，固溶处理在保护气氛下进行，保护气氛为CO2与SF6混合气体(SF6体积分数为0.5％)，水淬至室温后，再在175℃下时效24小时，空冷至室温。抗拉强度为290.1MPa，屈服强度为226.0MPa，延伸率为11.0％。
如图2所示，本发明合金在固溶+时效处理后的合金组织的特点是：时效后合金基体以及晶界中析出大量析出相MgZn，明显强化合金性能。
Claims (7)
1.一种含锡与锌的高强韧性镁合金，其特征在于，其组分及重量百分比为：
1-5％Sn，4-6％Zn，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的含锡与锌的高强韧性镁合金，其特征在于，其优选重量百分比为：5％Sn，5％Zn，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的含锡与锌的高强韧性镁合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)先将纯Mg、纯Zn在150-200℃预热20-30分钟，将纯Sn在100-150℃预热20-30分钟，并烘干，同时将精炼剂以及模具在150-200℃预热30-60分钟；
(2)将纯Mg在CO2与SF6混合气体保护下熔化，熔化后待熔体温度为700-720℃时，向熔体中加入预热纯Zn与纯Sn，然后搅拌至合金元素完全溶入熔体，将熔体升温至730-750℃加入精炼剂进行精炼，在730-750℃保温20-30分钟后降温至700-730℃；
(3)撇去浮渣后，在CO2与SF6混合气体保护下进行浇铸成型。
4.根据权利要求3所述的含锡与锌的高强韧性镁合金的制备方法，其特征在于，将得到的铸造合金经固溶处理，固溶处理温度为380-400℃，固溶处理时间为4-12小时，水淬至室温；或者，将得到的铸造合金经固溶与时效组合处理，先在380-400℃固溶处理4-12小时后，水淬至室温，然后在175-225℃下时效12-24小时，空冷至室温。
5.根据权利要求3所述的含锡与锌的高强韧性镁合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理在保护气氛下进行，保护气氛为CO2与SF6混合气体。
6.根据权利要求3或5所述的含锡与锌的高强韧性镁合金的制备方法，其特征在于，所述CO2与SF6混合气体中，SF6体积分数为0.5％。
7.根据权利要求3所述的含锡与锌的高强韧性镁合金的制备方法，其特征在于，所述浇铸成型，采用压铸、低压铸造、金属型铸造或者砂型铸造。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20101027 |