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CN114086046B - 一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金及其制备工艺 - Google Patents

一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于有色金属合金技术领域，公开了一种兼具室温与高温高强度变形Mg‑Sn‑Sr‑Zr‑Sc合金及其制备工艺，其中合金具体成分范围为：Sn：4.0～9.0wt％；Sr：1.0～3.0wt％；Zr：0.2～0.8wt％；Sc：0.2～0.8wt％；Mn：0.3～0.4wt％；Mg和杂质：余量；制备工艺包括：原材料配置、原材料与熔炼炉预热、升温熔炼、模具预热与浇铸、均匀化处理、挤压处理、去应力处理等步骤。通过Zr、Sc对Mg‑Sn‑Sr合金的复合添加并进行挤压处理，利用固溶强化、细晶强化与第二相强化的协同效果，显微组织中得到细小耐热的CaMgSr相与晶粒，获得一种兼具室温与高温高强度变形Mg‑Sn‑Sr‑Zr‑Sc合金。

Description

一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金及其制 备工艺
技术领域
本发明属于有色金属合金技术领域，具体涉及一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金及其制备工艺。
背景技术
镁合金作为重要的结构材料之一，由于其密度小、热导性优异等特点逐渐受到关注，目前研究热点主要关注镁合金的强度、耐腐蚀性、耐热性及生物相容性，与其他结构材料相比，镁合金的强度还不够高，尤其是高温耐热性不足，限制了其发展。
Mg-Sn作为重要的非稀土元素添加镁合金，近年来，研究取得了系列性重大进展，先后通过改变Sn元素含量和添加合金元素(Al、Zn、Cu、Ag等)、变形处理等手段使得合金的强度得到了明显的提升。
作为结构材料，宽温度范围保持较高强度是镁合金应用的重要保障，可以有效弥补镁铝合金、镁锌合金、镁锂合金等耐高温性能差的特点，大大扩大合金系列的选择性。通过添加Ca、Gd、Ce、Sr等元素在合金中形成三元耐热XMgSn相，可以有效改善合金的耐热性，这些第二相不随温度升高发生软化或者固溶现象，是高温高强的有效保证，但是粗大的三元相明显限制了合金的塑性和韧性，因此，在本申请中针对Mg-Sn-Sr合金进行进一步合成改进。
发明内容
鉴于此，为解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金及其制备工艺。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：
Sn：4.0～9.0wt％；
Sr：1.0～3.0wt％；
Zr：0.2～0.8wt％；
Sc：0.2～0.8wt％；
Mn：0.3～0.4wt％；
Mg和杂质：余量。
优选的，在所述合金包含的金属元素中Zr与Sc的重量百分比之和为0.4～1.0wt％。
优选的，在所述合金包含的金属元素中Sn与Sr的重量比MSn/MSr为3.2或3.5。
一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，包括如下步骤：
S1.按各金属元素的重量百分比称取金属原料，且所述金属原料包括高纯Mg、高纯Sn、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Mg-Mn中间合金；
S2.将熔炼炉的温度升高至200℃后，向炉内通入保护气体8～12min；
S3.将步骤S1中称取的高纯Mg、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Mg-Mn中间合金放入熔炼炉中，200℃保温20min，然后将熔炼炉的温度升高至700℃～720℃，升温后保温15min；
S4.将步骤S1中称取的高纯Sn加入熔炼炉中，保温5min后去除熔体表层渣料；
S5.将熔炼炉的温度升高至740℃～750℃，保温10min并搅拌混合均匀；
S6.将熔炼炉的温度降低至700℃，再次去除熔体表层渣料；
S7.预热金属模具，将熔体浇注于金属模具中，自然冷却，获得所需要的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金；
S8.在Ar气保护的条件下，将铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金依次在300℃下保温8～12h、400℃下保温8～12h，进行均匀化处理，然后置于水中冷却；
S9.对均匀化处理后的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金进行两次挤压处理，且两次挤压处理的挤压比为4～9，挤压温度为250～320℃，挤压速率为15mm/min；
S10.将挤压处理后的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金在150℃下保温4h进行去应力处理。
优选的，所述高纯Mg和高纯Sn的纯度均大于99％。
优选的，所述保护气体为99％CO2与1％SF6的混合气体。
优选的，在所述步骤S7中，将金属模具预热至200～250℃。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
在本发明中，针对现有Mg-Sn-Sr合金添加Sc、Zr两种稳定性较高的元素，一方面通过Sc、Zr元素的良好固溶效果提高合金在高温及室温下的强度；另一方面，有效达到细化SrMgSn相与晶粒的目的，并且还能避免因过多添加某一元素而给合金性能带来危害。另外，对合金进行进一步变形处理，进一步细化SrMgSn相与晶粒，获得细小的SrMgSn相与晶粒组织，由此进一步提高合金在高温及室温下的强度。
综上，本发明基于细晶强化、第二相强化(细化的SrMgSn相)与固溶强化(Zr、Sc元素)原理，使得Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金有效兼具室温与高温的高强度性能；具体，本发明合金，通过调控Sn与Sr的含量控制SrMgSn相形成，充分发挥多种元素的作用，使合金的室温压缩强度可达到511.6MPa，200℃下的压缩强度可达到420.9MPa。
附图说明
图1为本发明Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的纵截面金相扫描组织图；
图2为本发明Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的横截面金相扫描组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金，且该合金包含如下重量百分比的金属元素：8.0wt％Sn，2.5wt％Sr，0.3wt％Zr，0.3wt％Sc，0.3wt％Mn，余量Mg和杂质。
上述兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，具体包括：
S1.按各金属元素的重量百分比称取金属原料，且金属原料包括纯度均大于99％的高纯Mg、纯度均大于99％的高纯Sn、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Mg-Mn中间合金；
S2.将熔炼炉的温度升高至200℃后，向炉内通入由99％CO2与1％SF6混合而成的保护气体10min；
S3.将步骤S1中称取的高纯Mg、Mg-25Sr中间合金、Mg-20Zr中间合金、Mg-2Sc中间合金、Mg-10Mn中间合金放入熔炼炉中，200℃保温20min，然后将熔炼炉的温度升高至720℃，升温后保温15min；
S4.将步骤S1中称取的高纯Sn加入熔炼炉中，保温5min后去除熔体表层渣料；
S5.将熔炼炉的温度升高至750℃，保温10min并搅拌混合均匀；
S6.将熔炼炉的温度降低至700℃，再次去除熔体表层渣料；
S7.将金属模具预热至200℃，将熔体浇注于金属模具中，自然冷却，获得所需要的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金；
S8.在Ar气保护的条件下，将铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金依次在300℃下保温10h、400℃下保温8h，然后置于水中冷却；
S9.对均匀化处理后的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金进行两次挤压处理；其中挤压温度为300℃，挤压速率为15mm/min；另外，第一次挤压处理使得铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金由直径为30mm的圆柱挤压成直径为15mm的圆柱，第二次挤压处理使得铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金由直径为15mm的圆柱挤压成直径为6mm的圆柱；
S10.将挤压处理后的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金在150℃下保温4h进行去应力处理。
经由制备方法能有效制得上述公开的Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金，且将合金加工成直径为4mm，高为8mm的棒材。利用万能试验机对棒材在室温与高温(200℃)条件下分别进行压缩试验，压缩速度为1×10-3s-1，测得室温压缩强度为478.1MPa，高温压缩强度为392.5MPa。
实施例二
一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金，且该合金包含如下重量百分比的金属元素：7.0wt％Sn，2.0wt％Sr，0.4wt％Zr，0.5wt％Sc，0.3wt％Mn，余量Mg和杂质。
上述兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，具体包括：
S1.按各金属元素的重量百分比称取金属原料，且金属原料包括纯度均大于99％的高纯Mg、纯度均大于99％的高纯Sn、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Mg-Mn中间合金；
S2.将熔炼炉的温度升高至200℃后，向炉内通入由99％CO2与1％SF6混合而成的保护气体10min；
S3.将步骤S1中称取的高纯Mg、Mg-25Sr中间合金、Mg-20Zr中间合金、Mg-2Sc中间合金、Mg-10Mn中间合金放入熔炼炉中，200℃保温20min，然后将熔炼炉的温度升高至720℃，升温后保温15min；
S4.将步骤S1中称取的高纯Sn加入熔炼炉中，保温5min后去除熔体表层渣料；
S5.将熔炼炉的温度升高至740℃，保温10min并搅拌混合均匀；
S6.将熔炼炉的温度降低至700℃，再次去除熔体表层渣料；
S7.将金属模具预热至200℃，将熔体浇注于金属模具中，自然冷却，获得所需要的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金；
S8.在Ar气保护的条件下，将铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金依次在300℃下保温10h、400℃下保温9h，然后置于水中冷却；
S9.对均匀化处理后的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金进行两次挤压处理；其中挤压温度为300℃，挤压速率为15mm/min；另外，第一次挤压处理使得铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金由直径为30mm的圆柱挤压成直径为15mm的圆柱，第二次挤压处理使得铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金由直径为15mm的圆柱挤压成直径为5mm的圆柱；
S10.将挤压处理后的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金在150℃下保温4h进行去应力处理。
经由制备方法能有效制得上述公开的Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金，且将合金加工成直径为4mm，高为8mm的棒材。利用万能试验机对棒材在室温与高温(200℃)条件下分别进行压缩试验，压缩速度为1×10-3s-1，测得室温压缩强度为463.3MPa，高温压缩强度为376.9MPa。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金，其特征在于，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：
Sn：4.0～9.0wt％；
Sr：1.0～3.0wt％；
Zr：0.2～0.8wt％；
Sc：0.2～0.8wt％；
Mn：0.3～0.4wt％；
Mg和杂质：余量；
在所述合金包含的金属元素中Sn与Sr的重量比MSn/MSr为3.2或3.5。
2.根据权利要求1所述的一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金，其特征在于：在所述合金包含的金属元素中Zr与Sc的重量百分比之和为0.4～1.0wt％。
3.如权利要求1或2所述的一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1.按各金属元素的重量百分比称取金属原料，且所述金属原料包括高纯Mg、高纯Sn、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Mg-Mn中间合金；
S2.将熔炼炉的温度升高至200℃后，向炉内通入保护气体8～12min；
S3.将步骤S1中称取的高纯Mg、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Sc中间合金、Mg-Mn中间合金放入熔炼炉中，200℃保温20min，然后将熔炼炉的温度升高至700℃～720℃，升温后保温15min；
S4.将步骤S1中称取的高纯Sn加入熔炼炉中，保温5min后去除熔体表层渣料；
S5.将熔炼炉的温度升高至740℃～750℃，保温10min并搅拌混合均匀；
S6.将熔炼炉的温度降低至700℃，再次去除熔体表层渣料；
S7.预热金属模具，将熔体浇注于金属模具中，自然冷却，获得所需要的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金。
4.根据权利要求3所述的一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，其特征在于，还包括：
S8.在Ar气保护的条件下，将铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金依次在300℃下保温8～12h、400℃下保温8～12h，进行均匀化处理，然后置于水中冷却。
5.根据权利要求4所述的一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，其特征在于，还包括：
S9.对均匀化处理后的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金进行两次挤压处理，且两次挤压处理的挤压比为4～9，挤压温度为250～320℃，挤压速率为15mm/min。
6.根据权利要求5所述的一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，其特征在于，还包括：
S10.将挤压处理后的铸态Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金在150℃下保温4h进行去应力处理。
7.根据权利要求3所述的一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，其特征在于：所述高纯Mg和高纯Sn的纯度均大于99％。
8.根据权利要求3所述的一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，其特征在于：所述保护气体为99％CO2与1％SF6的混合气体。
9.根据权利要求3所述的一种兼具室温与高温高强度变形Mg-Sn-Sr-Zr-Sc合金的制备工艺，其特征在于：在所述步骤S7中，将金属模具预热至200～250℃。
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