高硬度耐熱鑄造鎂合金及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于鎂合金材料技術領域，具體涉及一種高硬度耐熱鑄造鎂合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002]鎂合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料，具有比重小(1.75?1.85X 103kg/m3，約為鋁的64%，鋼的23%)、阻尼性和切削加工性好、沖擊功吸收大、比強度和比剛度高，以及易回收利用等優(yōu)點，廣泛的應用于汽車、航空航天、電子等領域。但是，由于鎂合金的強度不高，耐熱性能差，限制了其應用范圍。因此，提高鎂合金的強度和耐熱性，使其具有良好的綜合性能，是新型鎂合金開發(fā)的熱點。
[0003]在高強度鎂合金的合金化研究中，合金元素的添加主要集中在鋁、鋅、硅、鍶、銅、鎳、錳、鋯、鈣、鋰和鉍，或者是鈧、釔和稀土元素。其強化機理主要是固溶強化或與鎂形成金屬間化合物強化。目前，高強度耐熱鎂合金中稀土含量較高，而稀土的價格較貴，在一般行業(yè)中，難以得到廣泛應用。

【發(fā)明內容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明提供一種高硬度耐熱鑄造鎂合金及其制備方法，其目的是解決以往的形式所存在的成本高、硬度不理想等問題。
[0005]技術方案:本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:
一種高硬度耐熱鑄造鎂合金，其特征在于:所述合金的組分及質量百分比為Al:6%，Sn:2%，Ca:1% ?5%, Si:0.5% ?2%，余量為 Mg。
[0006]所述合金的組分中雜質元素及質量百分比控制為Fe ( 0.005%, Cu ( 0.015%,Ni ( 0.002%。
[0007]鑄態(tài)下，鎂合金的維氏硬度彡209 Hv。
[0008]熱處理后，鎂合金的維氏硬度彡266Ην。
[0009]如上所述的高硬度耐熱鑄造鎂合金的制備方法，其特征在于:上述高硬度耐熱鑄造鎂合金是通過如下步驟制備的:
(1)配料:原料是純度為99.9%的純Mg,99.9%的純Al,99.9%的純Sn，以及Mg-20% Ca中間合金與Mg-10%Si中間合金，各元素的質量百分比為Al:6%，Sn:2%，Ca:1%?5%，Si:0.5% ?2%，雜質含量 Fe ( 0.005%, Cu ( 0.015%, Ni ( 0.002%,余量為 Mg ；
(2)熔煉:采用鐵坩堝，在井式電阻爐中進行熔煉，利用隊和SF6混合氣體作為保護氣體，首先熔煉金屬Mg，待其全部熔化后依次加入Mg-20% Ca、Mg-10% Si中間合金、純Al和Sn金屬，控制熔煉溫度為700°C?720°C，得到液態(tài)金屬；
(3)澆鑄:將熔化的金屬液在670°C?690°C澆注；
(4)熱處理:將步驟(3)所得產物在450°C下，固溶16?24小時后，得到高硬度耐熱鑄造鎂合金。
[0010]步驟(3)中的澆鑄，在正常鑄造工藝下，模型采用金屬型。
[0011]優(yōu)點及效果:本發(fā)明提供一種高硬度耐熱鑄造鎂合金及其制備方法，當前高強度耐熱鎂合金的開發(fā)應兼顧提高性能和降低成本兩個方面因素。Al是提高鎂合金強度的基本元素之一。在鎂合金加入Al元素，主要是維持合金具有一定的強度和鑄造性能。但是，合金中會大量生成生成Mg17Al12相。Mg17Al12相的熔點較低(462°C)。在高溫下，容易發(fā)生松弛現象，不能對位錯起到良好的釘扎作用。因此，需要采用添加其他合金元素與熱處理的方法消除Mg17Al1^。在鎂合金中加入Si元素，生成的金屬間化合物Mg2Si相具有高硬度(460Hv)、低密度(1.938/0113)、高熔點(1085°0、低熱膨脹系數(7.5\10-61(-1)等特點。但是，Mg2Si相通常為粗大的漢字狀結構，需要對其數量進行控制。堿土元素Ca的加入，不僅起到細化晶粒的作用，還可以與鎂、鋁、結合，生成具有較高的熱定性的Mg2Ca (149Hv)和Al2Ca (356Hv)相，并且還可以大幅度抑制Mg17Al12相生成，提高鎂合金的耐熱性能。Sn是提高鎂合金耐熱性能的另一種有利元素。Sn與鎂反應，生成具有較高的熔點(771.5°C)和硬度(119Hv)的Mg2Sn相；還可以與Ca結合,生成CaMgSn相。其中，CaMgSn相不僅是合金中的強化相，而且能提高鎂合金的高溫性能。和稀土相比，堿土元素的價格低廉，因此含有堿土元素的耐熱鎂合金是今后發(fā)展的趨勢之一。
[0012]目前，描述鎂合金硬度文章有以下2篇:由肖陽、張新民等人在2006年10月發(fā)表于《中南大學學報(自然科學版)》的《高強耐熱Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金的性能》；張新民等人在 2011 年在〈〈Materials and Design〉〉上發(fā)表的〈〈Effects of thermal treatment onprecipitate shape and mechanical properties of Mg - 8Gd - 4Y - Nd - Zr alloy》。兩種合金的硬度分別達到145Hv與130Hv。但是，由于采用了稀土元素釓與釔、釹、鋯等元素，使合金成本增加，制備難度加大。對比CNlO 1984113A專利，此發(fā)明大大降低了合金的固溶溫度，縮短了合金的熱處理時間，簡化了熱處理工藝。在晶界與基體內部產生了大量的骨骼狀強化相，使合金具有較高的硬度。并且，該合金在鑄態(tài)與熱處理后，其維氏硬度分別超過188Hv與168Hv。同時，高熔點、高硬度強化相的存在，阻礙了高溫條件下位錯與晶界的滑移，使合金具有一定的耐熱性。
[0013]本發(fā)明擬公開一種Mg-Al-Sn-S1-Ca系耐熱鎂合金,通過添加Sn與堿土元素Ca來細化晶粒，同時在合金中形成具有較高熱穩(wěn)定性的Mg2Ca、Al2Ca, Mg2Sn與Mg2Si等相，提高合金的耐熱性能與硬度。合金硬度提高的原因如下=Mg2Sn與Mg2Si相的硬度較大，分別達到了 119Hv與460Hv，并且以顆粒狀的形態(tài)彌散分布于基體與晶界之中；隨著Al/Ca的質量比發(fā)生變化，產生了獨立的Mg2Ca與Al2Ca相。其中，Mg2Ca (717°C )與Al2Ca (1079°C)相的硬度分別達到了 149 Hv與356 Hv，能夠有效地提高鎂合金的硬度與耐熱性。本合金是目前不通過添加稀土元素而獲得的高硬度耐熱鑄造鎂合金。
[0014]【具體實施方式】:下面對本發(fā)明做進一步的說明:
本發(fā)明涉及一種高硬度耐熱鑄造鎂合金及其制備方法，其目的是克服現有技術的不足，其具有良好的室溫及高溫性能，且生產成本低，效率高，可廣泛應用于商業(yè)部件，包括汽車零部件、電子產品部件及航天航空用部件。
[0015]一種高硬度耐熱鑄造鎂合金，所述合金的組分及質量百分比為Al:6%，Sn:2%,Ca:1%?5%，S1:0.5%?2%，余量為Mg和雜質。雜質含量及質量百分比為Fe ( 0.005%,Cu ( 0.015%, Ni ( 0.002%。
[0016]上述鎂合金的特點是:
(I)鎂合金在鑄態(tài)下，硬度> 209HV ;熱處理后，硬度> 266HV ；
(2 )不含有Zr元素和Gd、Y、Nd等稀土元素。
[0017]本發(fā)明通過添加廉價的Al元素，生成Al2Ca高溫強化相，提高合金的耐熱性能，降低鎂合金的成本。
[0018]本發(fā)明通過添加廉價的Sn元素,分別與Mg反應生成Mg2Sn和CaMgSn高溫強化相，提高合金的硬度與耐熱性能，降低鎂合金的成本。
[0019]本發(fā)明通過添加廉價的堿土元素Ca，細化晶粒，同時生成具有熱穩(wěn)定性的Mg2Ca相，提高合金的耐高溫性能，降低鎂合金的成本。
[0020]本發(fā)明通過添加廉價的Si元素，生成具有良好熱穩(wěn)定性的Mg2Si相，提高合金的耐高溫性能，降低鎂合金的成本。
[0021]本發(fā)明通過聯合加入具有強化作用的Al、Sn、S1、Ca元素，使它們與Mg形成Mg2SruMg2Ca, Mg2Siai2Ca和CaMgSn相來復合強化鎂合金。金屬間化合物Mg2Sn相的具有較高的熔點(771.5°C )和較高硬度(119HV)，并且以顆粒狀態(tài)彌散分布于基體之中，從而提高了鎂合金的硬度與耐熱性。添加Ca元素的目的是細化晶粒，生成具有較高的熱穩(wěn)定性的Mg2Ca和CaMgSn相。同時，Ca元素還可以與Al元素結合，生成Al2Ca相，抑制低熔點的Mg17Al1^的生成。
[0022]本發(fā)明的結果表明:鑄態(tài)下，鎂合金的硬度可以到達209Hv ;經過450°C，16?24小時的固溶后，硬度到達266Hv。
[0023]上述高硬度耐熱鑄造鎂合金是通過如下步驟制備的:
(1)配料:原料是純度為99.9%的純Mg,99.9%的純Al,99.9%的純Sn，以及Mg-20% Ca中間合金與Mg-10%Si中間合金，各元素的質量百分比為Al:6%，Sn:2%，Ca:1%?5%，Si:0.5% ?2%，雜質含量 Fe ( 0.005%, Cu ( 0.015%, Ni ( 0.002%,余量為 Mg ；
(2)熔煉:采用鐵坩堝，在井式電阻爐中進行熔煉，利用隊和SF6混合氣體作為保護氣體，首先熔煉金屬Mg，待其全部熔化后依次加入Mg-20% Ca、Mg-10% Si中間合金、純Al和Sn金屬，控制熔煉溫度為700°C?720°C，得到液態(tài)金屬；
(3)澆鑄:將熔化的金屬液在670°C?690°C澆注；
(4)熱處理:將步驟(3)所得產物在450°C下，固溶16?24小時后，得到高硬度耐熱鑄造鎂合金。
[0024]步驟(I)中的配料，為了避免Ca的揮發(fā)，Ca以Mg_20%Ca的中間合金形式加入 '為了降低Si元素的熔點，便于在金屬液中的擴散，Si以Mg-10% Si中間合金的形式加入。
[0025]步驟(3)中的澆鑄，在正常鑄造工藝下，模型采用金屬型。
[0026]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，需要說明的是，本發(fā)明的保護范圍并不僅限于下述實施例。
[0027]實施例1:
高硬度耐熱鑄造鎂合金，各組分及質量百分比分別為Al:6%，Sn:2%，Ca:1%，S1:0.5%，雜質含量 Fe ( 0.005%, C