專利名稱：：一種含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種變形鎂合金，特別是涉及一種含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金。屬于金屬結(jié)構(gòu)材料
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：鎂合金作為最輕的商用金屬結(jié)構(gòu)材料，以其高的比強度、比剛度，優(yōu)良的阻尼性能，以及防磁、屏蔽、散熱等多種特性，在航空航天、汽車、3C(計算機、通信、消費類電子)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。以鎂合金在汽車、摩托車、軌道列車上應(yīng)用為例，它不僅能明顯減重、改善車輛動力性能和降低能耗，而且還可限制改善車輛結(jié)構(gòu)和吸收震動及噪聲。但是，鎂的現(xiàn)有使用狀況遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮鎂合金材料的潛在優(yōu)勢，其主要原因在于大多數(shù)的鎂結(jié)構(gòu)件都來自于壓鑄一種加工方式，這限制了產(chǎn)品的品種和類型；應(yīng)用范圍小，鎂壓鑄件的80°/。用于汽車行業(yè)，而且90%又是室溫使用的結(jié)構(gòu)件，且主要局限于小體積零件。與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金組織得到細(xì)化，鑄造缺陷得到消除，具有更高的強度，延展性，更多樣化的力學(xué)性能，更適合于制造大型結(jié)構(gòu)件和滿足結(jié)構(gòu)多樣化的需求，鎂合金在大型結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用是未來應(yīng)用趨勢。從世界鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢看，變形鎂合金是未來交通、航空航天、家電等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，這些領(lǐng)域所需要的許多板材、棒材、型材、管材、鍛件是無法用鑄造產(chǎn)品代替的。開發(fā)用于汽車、摩托車、航空航天、3C等行業(yè)的鎂合金變形材具有重要的商業(yè)應(yīng)用價值。鎂及鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，與鋁合金和鈦合金相比，其塑性變形能力較低，其擠壓、軋制、鍛造等塑性加工過程相對較為困難。另外，大部分鎂合金，如Mg-Al基合金，常存在低熔點的共晶相，在一定程度上限制了合金變形溫度范圍的擴展。因此，在確定變形鎂合金材料成分時，必須既考慮到材料的強度要求，又兼顧材料的加工性能。目前世界范圍內(nèi)已研究開發(fā)的變形鎂合金系列有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Re、Mg-Li、Mg-Th系等，其中己經(jīng)應(yīng)用的重要商用鎂合金有AZ31B或AZ31C和ZK60等。盡管如此，變形鎂合金的品種依然較少，己開發(fā)合金的室溫與高溫強度、延展性都不夠優(yōu)異，更重要的是合金的耐熱性也都普遍較差，這些缺點嚴(yán)重制約著變形鎂合金在金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域更進一歩的擴展應(yīng)用。為改善鎂合金的強度和耐熱性，研究者多采用合金化改性手段。I.P.Moreno、YiZhenLd等人通過單獨或配比添加一定量的稀土元素來對合金改性，但是此類合金的成本昂貴。A.Luo、LIY等人通過添加一定量的Si，使合金組織形成Mg2Si相，但該相極易形成粗大的漢字狀而惡化合金性能，且該類合金一次鑄造成形條件苛刻。近年來，廉價的堿土元素被認(rèn)為是改善合金性能的有益元素。R.Ninomiya等人報導(dǎo)，一定量的Ca可使合金組織細(xì)化，并產(chǎn)生高熔點的Al2Ca和Mg2Ca相，使合金的耐熱性能大幅提高。但是Al2Ca相通常比較粗大，會嚴(yán)重影響合金的室溫力學(xué)性能和一次鑄造成形性能，且對合金的二次變形加工性能非常不利。Ca元素對合金性能的這些危害嚴(yán)重影響了此堿土類合金的開發(fā)應(yīng)用。經(jīng)文獻檢索，目前還未報導(dǎo)過在加Ca合金的基礎(chǔ)上通過添加Sr對合金組織產(chǎn)生變質(zhì)、修復(fù)作用使合金成形性、強度及耐熱性能改善的方法、專利及應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有變形鎂合金存在的不足，提出一種含Ca和Sr的耐熱變形鎂合僉，它通過復(fù)合添加一定量的Ca和Sr，有效細(xì)化合金組織，與Al結(jié)合生成高熔點的Al2Ca和Al4Sr耐熱相，降低低熔點卩-MgnAl^相的數(shù)量，同時，Sr還對Al2Ca耐熱相進行變質(zhì)、修復(fù)，使其由粗大的塊狀或骨骼狀趨于細(xì)小彌散態(tài)分布于合金晶界，從而改善鎂合金的成形性能，強度及耐熱性。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是，所述含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金的質(zhì)量百分比組分為Al6.0o/o9.0o/o，Ca0.5o/o3.0o/o，Sr0.05%0.5%，Mn0.1%0.8%，余量為Mg及微量的不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明中，其組成中所述微量的不可避雜質(zhì)(如Fe、Si、Ni、Cu等)的總質(zhì)量小于0.03%。本發(fā)明所述含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金的組分中不含稀土元素。本發(fā)明在合金中添加6-9%Al，以產(chǎn)生固溶強化作用，提高合金的室溫強度。另外，Al還可提高合金的一次鑄造成形工藝性能；在合金中添加0.5-3.0%01，使其有效細(xì)化合金組織，同時生成高熔點的Al2Ca耐熱相，降低低熔點的5|3-]^&7八112相的數(shù)量；添加0.05-0.5%Sr，使其對Al2Ca耐熱相進行變質(zhì)、修復(fù)，使其呈細(xì)小狀彌散分布于合金晶界，且Sr可進一步細(xì)化晶粒并與Al結(jié)合生成AUSr耐熱相，從而改善鎂合金的鑄造、變形工藝性能，強度以及耐熱性；添加0.1-0.8%Mn，以改善合金的耐蝕性能。通過變形加工使合金晶粒更加細(xì)化，高熔點二次相更加細(xì)小彌散分布，內(nèi)部組織更加致密。本發(fā)明的含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金可采用如下方法制得在熔劑或保護氣氛的保護條件下，將工業(yè)純鎂完全熔化后，在710°C—730°C(優(yōu)選72(TC)時按比例分別加入工業(yè)純鋁、工業(yè)純錳、Al-Ca中間合金和A1-Sr中間合金；待合金元素全部溶解之后，在73(TC—75(TC(優(yōu)選74(TC)時用攪拌棒攪拌合金8min—12min，而后在此溫度下靜置15min—25min;靜止完成后，在保護氣氛下將合金液平穩(wěn)澆注到預(yù)熱24(TC—26(TC(優(yōu)選25(TC)的金屬模具中；合金的鑄錠在410。C一45(TC(優(yōu)選43(TC)下均勻化處理10h—15h，即得。而后可進行常規(guī)擠壓或拉拔或軋制或鍛造變形等壓力加工。所用熔劑可以是RJ-1或RJ-2溶劑，所用保護氣氛可以是SF6和C02的混合氣體。本發(fā)明所述含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金不含昂貴的稀土元素，成本低；它的一次鑄造和二次變形工藝性能好，生產(chǎn)效率高；二次成形可采用擠壓或軋制或鍛造工藝，且能一次承受較大的變形量和較高的變形速度；如熱擠壓時擠壓比可達2060，擠壓速度可達1mm/s—8mm/s;室溫強度與高溫強度、延伸率及耐熱性均表現(xiàn)優(yōu)異，如本發(fā)明某一實施例合金室溫(25°C)時屈服強度、抗拉強度和延伸率分別達200MPa、330MPa和14y。；高溫(175°C)時的屈服強度、抗拉強度和延伸率分別達170MPa、215MPa和29。/。；200°C/56MPa條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率和100h蠕變伸長率分別為0.3xlO—9%/S和0.07%。圖1是本發(fā)明對比例1、對比例2、實施例1的合金鑄錠組織晶粒度比較。圖2是本發(fā)明對比例1、對比例2、實施例1的合金鑄錠組織中二次相大小、形態(tài)、分布的比較。圖3是本發(fā)明對比例2、實施例1的合金鑄錠組織中二次相種類、數(shù)量的比較。圖4是本發(fā)明實施例1合金在45(TC時的熱壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。圖5是本發(fā)明對比例1、對比例2、實施例1的合金熱擠壓后的表面質(zhì)量對比。圖6是本發(fā)明實施例1合金熱擠壓變形后的組織。圖7是本發(fā)明實施例1合金熱擠壓加工后不同截面規(guī)格的型材。具體實施方案以下結(jié)合對比例與實施例對本發(fā)明作進一步說明。對比例1:一種Mg-Al基變形鎂合金，所述鎂合金中各組分的重量百分比為8。/。Al，0.6%Mn，余量為Mg及微量不可避免的雜質(zhì)。對比例2:—種含Ca的Mg-Al基變形鎂合金，所述鎂合金中各組分的重量百分比為8。/。Al，1.5%Ca，0.6%Mn，余量為Mg及微量不可避免的雜質(zhì)。實施例h—種含Ca和Sr的先進耐熱變形鎂合金，所述鎂合金中各組分的重量百分比為8。/。Al，1.5%Ca，0.2%Sr，0.6%Mn，余量為Mg及微量不可避免的雜質(zhì)。對比例l、對比例2、實施例1的合金可采用以下制備工藝步驟制取(1)在熔劑RJ-2的保護條件下，將工業(yè)純鎂完全熔化后，在72(TC時分別加入工業(yè)純鋁、工業(yè)純錳，其中對比例2合金再加入A1-Ca中間合金，實施例1合金再加入Al-Ca中間合金和Al-Sr中間合金；(2)待合金元素全部溶解之后，在74(TC時用攪拌棒攪拌合金約10min，而后在此溫度下靜置20min;(3)靜止完成后，在S02保護氣氛下將合金液平穩(wěn)澆注到預(yù)熱25(TC的金屬模具中；(4)合金的鑄錠在43(TC下均勻化處理10h—15h，而后在鑄錠溫度、擠壓筒溫度和模具溫度為分別為450。C、40(TC和40(TC時，擠壓比和擠壓速度分別為15和5mm/s時進行熱擠壓變形加工，隨后擠壓件在200。C時保溫12h—24h進行時效熱處理制備出鎂合金型材。本發(fā)明對比例l、對比例2、實施例1熱擠壓時效態(tài)的室溫力學(xué)性能如表1所示。由表1可以看出，本發(fā)明對比例1、對比例2、實施例1合金的力學(xué)性能變化幅度較大，其中，含有Ca和Sr的實施例1合金具有最優(yōu)的室溫強度、高溫強度以及抗蠕變性能。表1合金的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>圖l-a顯示的對比例1合金的晶粒尺寸粗大。圖l-b顯示的對比例2合金的晶粒明顯得到細(xì)化，這主要是由于Ca對合金基體的細(xì)化效果。圖l-c顯示的實施例1的晶粒進一步得到細(xì)化，這主要是Sr元素在Ca對合金組織細(xì)化的基礎(chǔ)上繼續(xù)細(xì)化了合金的組織。實施例1合金表現(xiàn)出的較細(xì)的晶粒度為合金后續(xù)的塑性加工提供了很好的基礎(chǔ)。圖2-a顯示的對比例1合金組織，其二次相多成粗大塊狀或骨骼狀集中分布于晶界處，另外還有一定量的二次析出相。圖2-b顯示的對比例2合金組織，其二次相明顯細(xì)化，較分散的分布在晶界處，二次析出相基本消失。這主要是由于Ca元素消耗了一部分的Al原子，且對晶界處的二次相產(chǎn)生了細(xì)化效果。圖2-c顯示的實施例1合金組織，其二次相呈細(xì)小的棒狀或條狀彌散分布在晶界處。這種二次相細(xì)小彌散的分布狀態(tài)主要得益于微量Sr元素對Al2Ca耐熱相的修復(fù)、變質(zhì)作用。該合金組織的二次相分布狀態(tài)也對合金后續(xù)的塑性加工有利。圖3-a顯示的對比例2合金組織，其含有一定量的共晶|3-Mg17Al12相和Al2Ca耐熱相。圖3-b顯示的實施例1合金組織，其Al2Ca耐熱相的體積分?jǐn)?shù)明顯增加，共晶(3-MgnAlu相幾乎消失。這主要是由于Sr的修復(fù)、變質(zhì)作用，并且與Al原子結(jié)合生成了一定量的Al4Sr高熔點相，并使低熔點(3-MgnAl,2相幾乎消失。實施例1合金這種耐熱相體積分?jǐn)?shù)的增高，擴大了合金熱加工的溫度范圍，且也有助于合金耐熱性的提高。圖4所示實施例1合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線顯示了本發(fā)明合金能在450°C的高溫下進行應(yīng)變速率高達10s"的壓縮變形，且其應(yīng)變量也達到了1.0的幅度。在鑄錠溫度、擠壓筒溫度和模具溫度為分別為45(TC、40(TC和40(TC時，擠壓比和擠壓速度分別為15和5mm/s時，對對比例1、對比例2、實施例1合金進行擠壓變形加工，擠壓型材見圖5。由于對比例1合金組織中存在的二次相卩-MgnAh2的烙點較低，只有43(TC左右，在45(TC時合金的晶界則會過燒而產(chǎn)生裂紋，因此導(dǎo)致擠壓時型材邊部產(chǎn)生大量裂紋。對于對比例2合金，其組織中高熔點Al2Ca相比較粗大，且分布較為集中，在受力過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋萌生擴展，因此在擠壓時導(dǎo)致型材邊部也出現(xiàn)了大量裂紋。與對比例l、對比例2相比較，實施例1合金的擠壓型材色澤光亮，輪廓清晰，表面質(zhì)量非常好。這主要是因為在對比例2合金的基礎(chǔ)上，實施例l中一定量的Sr對合金組織的變質(zhì)、修復(fù)作用，使其中二次相彌散細(xì)小的分布在合金晶界周圍，其基本抑制了低熔點相的析出。這種二次相的形態(tài)、大小、分布對合金塑性的提高至關(guān)重要。圖5顯示了實施例1合金經(jīng)擠壓變形后，經(jīng)過回復(fù)再結(jié)晶所得到的典型的細(xì)晶粒組織，該組織晶粒細(xì)小，二次相被進一步破碎。圖7是實施例1合金經(jīng)過熱擠壓加工后所得到的不同截面形狀的型材?；谏鲜鰧Ρ壤?、對比2和實施例1合金的組織和性能的演變情況以及實施例1合金所展現(xiàn)出的優(yōu)異的力學(xué)性能，本發(fā)明的含Ca和Sr的先進耐熱變形鎂合金可以作為一種廉價輕質(zhì)高強耐熱的金屬結(jié)構(gòu)材料，以滿足航空航天、汽車及軌道列車等高溫輸送管道和高溫承力結(jié)構(gòu)件的使用要求，從而擴大鎂合金，特別是變形鎂合金的應(yīng)用范圍。權(quán)利要求1.一種含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金，其特征在于，它的質(zhì)量百分比組成為Al6.0％～9.0％，Ca0.5％～3.0％，Sr0.05％～0.5％，Mn0.1％～0.8％，余量為Mg及微量的不可避免雜質(zhì)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述含Ca和Sr的耐熱變形鎂合金，其特征在于，所述微量的不可避雜質(zhì)Fe、Si、Ni、Cu的總質(zhì)量小于0.03%。全文摘要一種含Ca和Sr的先進耐熱變形鎂合金，其組分的重量百分比為6.0％～9.0％Al，0.5％～3.0％Ca，0.05％～0.5％Sr，0.1％～0.8％Mn，余量為Mg及微量不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明合金不含稀土元素，價格低廉。所添加元素可大幅細(xì)化合金組織，使合金的可成形溫度范圍擴大；還可使耐熱相由粗大的塊狀或骨骼狀趨于細(xì)小彌散態(tài)分布，提高合金的可成形性。本發(fā)明合金塑性成形能力好，適合普通的擠壓、拉拔、軋制和鍛造工藝，變形溫度范圍大，且能一次承受較大的變形量和較高的變形速度?？勺鳛檩p質(zhì)高強耐熱的金屬結(jié)構(gòu)材料，將廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車及軌道列車等高溫輸送管道和高溫承力結(jié)構(gòu)件。文檔編號C22C23/00GK101476072SQ20091004253公開日2009年7月8日申請日期2009年1月19日優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日發(fā)明者李落星,梁桂平,星白,胡文俊申請人:湖南大學(xué)