CN109161752B - 一种耐热抗蠕变镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金技术领域，特别是一种低成本耐热抗蠕变镁合金及其制备方法。镁合金成分合金元素为锡、锶、钙、钪、锰，其余成分为镁，所述锡、锶、钙、钪、锰元素的重量百分比分别为3‑6％、2‑5％、0.4‑2％、0.1‑1％和0.1‑1％，其合金元素的总含量小于等于10％。本发明的制备方法，通过将纯镁预热熔化后分别加入Mg‑Sn、Mg‑Sr、Mg‑Ca、Mg‑Mn及Mg‑Sc中间合金，待所添加金属都熔化后进行精炼，最后将精炼后的合金溶液采用铸造方法制备坯料，最后将预处理后的连铸坯料进行轧制或锻压或挤压或复合变形，制备出低成本耐热抗蠕变镁合金。本发明的镁合金可以在250‑300℃使用条件下长久服役，满足航空航天、军工和汽车等行业对减重的需求，且添加的都是常见的合金元素，制造成本低，适用于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，特别是一种耐热抗蠕变镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小(1.8g/cm3左右)，比强度高，弹性模量大，易回收，消震性好且地球上镁合金的含量及其丰富。在世界石化能源危机和环境污染的双重压力下，为了达到节能减排效果，世界各国对汽车和航空等领域提出了的减重要求，镁合金的密度只有铝合金的三分之二，钢铁的四分之一，因此在上述领域具有重要的应用潜力。
尽管镁合金具有上述有点，但镁合金的高温蠕变性能较差是镁合金在汽车和航空工业等领域广泛应用遇到的主要挑战，上述领域很多关键性零部件(汽车发动机活塞)的使用温度超过175℃。目前提高镁合金抗蠕变性能的方法是往镁合金添加稀土(Gd、Y、Ce等)，添加稀土后镁合金的高温蠕变性能会得到极大的改善，但同时也极大的提高了镁合金的成本，这也限制了稀土镁合金在汽车和航空工业等领域的应用。另外一种常见抗蠕变镁合金是往Mg-Al体系镁合金中添加Zn、Ca、Si、Sr等常见的合金元素。这体系的镁合金的优点是成本较低，但这体系的镁合金中抗高温第二相Mg17Al12当温度高于175℃为分解，从而使得该体系镁合金在温度高于175℃时抗蠕变性能急剧降低，从而无法达到高温的抗蠕变性能要求，这一性能缺陷极大的限制Mg-Al系列镁合金在航空和汽车等领域的应用。
由此可见，开发具有低成本的耐热抗蠕变镁合金在汽车和航空工业等领域具有很大的应用潜力。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种耐热抗蠕变镁合金及其制备方法，制备出的镁合金具有高耐热性，可以在250-350℃长时间服役，适用于航空航天、军工和汽车等领域，可替代现有的铝合金和钢铁等材料，实现减重的目标。
本发明的技术方案为：
在一个方面，本发明提供了一种低成本耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，其合金元素成分为锡、锶、钙、钪、锰，其余成分为镁，所述锡、锶、钙、钪、锰元素的重量百分比分别为3-6％、2-5％、0.4-2％、0.1-1％和0.1-1％，其合金元素的总含量小于等于10％。
所述钪、锡、锶、钙、锰元素的重量百分比分别为0.5％、4％、3％、0.5％和0.5％，其余成分为镁。
所述镁合金的工作温度为250-350℃。
本发明提供了一种低成本耐热抗蠕变镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将纯镁升温熔化，将镁钪合金、镁锡合金、镁锶合金、镁锰合金和镁钙合金添加到纯镁熔液中，将所添加的合金制成合金熔液；
步骤二：将合金熔液进行精炼处理后，冷却至铸造温度采用铸造的制备低成本抗蠕变镁合金坯料；
步骤三：对镁合金坯料进行预处理并预热，采用变形方法制造成低成本抗蠕变镁合金件。
所述步骤一的升温熔化过程具体为：将纯镁升温到160-250℃，保温5-15分钟，之后在保护气体或者阻燃覆盖物保护下将纯镁熔化。
所述步骤一的添加过程具体为：将纯镁熔液升温到650-800℃，镁钪合金、镁锡合金、镁锶合金、镁锰合金和镁钙合金升温到160-250℃，保温5-15分钟，并分别添加到纯镁熔液中。
所述步骤二的精炼处理过程具体为：将合金熔液搅拌3-30分钟，之后升温到750--800℃静置20-100分钟；所述铸造的工艺参数为：温度范围为620-800℃。
所述步骤三的预处理过程具体为：在350-450℃对镁合金坯料进行均匀化处理，均匀化时间为120-600分钟。
所述步骤三的预处理过程具体为：在420-500℃对镁合金坯料进行固溶处理，固溶处理时间为180-400分钟。
所述步骤三变形方法为拉拔、轧制、挤压、锻压，或上述变形方法的复合变形方式；镁合金件为板材、管材、型材、棒材、线材或锻件。
在再一个方面，本发明提供了一种耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，所述耐热抗蠕变镁合金由前述的方法制备而得，其中所述合金的成分合金元素为锡、锶、钙、钪、锰，其余成分为镁，所述锡、锶、钙、钪、锰元素的重量百分比分别为3-6％、2-5％、0.4-2％、0.1-1％和0.1-1％，其合金元素的总含量小于等于10％。
本发明取得了显著的技术效果。
本发明通过在线镁中添加钪、锡、锶、钙、锰等合金元素，在合适的工艺条件下制备出低成本耐热抗蠕变镁合金，此类镁合金具有比传统的AZ系列商业抗蠕变镁合金优越高温蠕变性能。抗蠕变性能与WE54相当，可以在250-350℃使用条件下长久的服役，可满足航空航天、军工和汽车等行业对减重的需求。同时由于添加的都是常规合金元素，成本上比其下降30-60％，适用于工业化应用。
具体实施方式
以下对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
本发明的一种耐热高强变形镁合金，其合金元素成分为锡、锶、钙、钪、锰，其余成分为镁，所述锡、锶、钙、钪、锰元素的重量百分比分别为3-6％、2-5％、0.4-2％、0.1-1％和0.1-1％，其合金元素的总含量小于等于10％。
本发明镁合金中添加Sc元素，一方面可以形成高熔点的第二相(Mg2Sc)，提高合金在高温蠕变性能，同时在合金熔炼的过程中可以有效的细化合金的晶粒尺寸，提高合金拉伸性能。合金体系中添加Mn，一方面可以有效增加熔体的异质形核数量，同时可以和Mn元素形成高熔点Mn2Sc分布在晶界，抑制合金高温小晶界滑移的提高合金的高温抗蠕变性能。此外添加Mn可以有效的改善该合金的耐腐蚀性能。镁合金中添加Sn元素，可以形成弥散细小的高热稳定性的Mg2Sn，可以有效的提高所制备镁合金的高温抗蠕变性能，同时还可以有效的增加该合金凝固过程中异质形核的晶粒细化剂，起到细化晶粒的作用，在高温变形过程中可以有效的阻碍晶界和位错滑移，以提高高温抗蠕变作用；镁合金中添加Sr元素，可以形成高熔点的Mg2Sr均匀的分布在晶界和晶内，从而抑制高温下晶内位错滑移和晶界滑动，提高合金的高温抗蠕变性能；添加Ca元素，一方面可以提高该合金的阻燃特性，可以形成高熔点Mg2Ca第二相，从而进一步提高镁合金的高温抗蠕变性能。
本发明的耐热高强变形镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纯镁升温到160-250℃，保温5-15分钟，之后在保护气体或者阻燃覆盖物保护下将纯镁熔化；
(2)将纯镁熔液升温到650-800℃，将镁钪合金、镁锡合金、镁锶合金、镁锰合金和镁钙合金升温到160-250℃，保温5-15分钟，并分别添加到纯镁熔液中，使所添加的合金和镁熔化，制成合金熔液；
(3)撇去熔液表面的浮渣，搅拌3-30分钟，之后升温到750--800℃静置20-100分钟；
(4)冷却至铸造温度进行铸造，制备Mg-Sn-Sr-Ca-Sc-Mn合金锭子，铸造的工艺参数为：温度范围为650-800℃；
(5)对镁合金锭子进行预处理，预处理工艺按下述两种方式中之一进行：(a)在350-450℃对镁合金锭子进行均匀化处理，均匀化时间为120-600分钟；(b)在420-500℃对镁合金锭子进行固溶处理，固溶处理时间为180-400分钟；
(6)采用拉拔、轧制、挤压、锻压等变形方式、或上述变形方式的复合变形方式制备耐热高强变形镁合金件，如板材、管材、型材、棒材、线材或各种锻件。
利用上述方法制备出Mg-Sn-Sr-Ca-Sc-Mn镁合金，可在250-350℃温度范围使用条件下长时间服役，极大地提高了镁合金在该温度范围的抗蠕变性能，使之可以广泛应用于航空航天、军工、汽车等领域的零部件制造。
以下以6个实施例说明不同元素成分含量和制备方法对制备出的镁合金力学性能的影响。
实施例1
(1)将纯镁升温到160℃，保温15分钟，之后在SF6+CO2保护气体保护下将纯镁熔化；
(2)将纯镁熔液升温到650℃，将镁锡合金(锡元素的最终重量百分比含量为3％)、镁锶合金(锶元素的最终重量百分比含量为2％)、镁钙合金(钙元素的最终重量百分比含量为1％)、镁钪合金(钪元素的最终重量百分比含量为1％)和镁锰合金(锰元素的最终重量百分比含量为1％)升温到160℃，保温15分钟，并分别添加到纯镁熔液中，使所添加的合金和镁熔化，制成合金熔液；
(3)撇去熔液表面的浮渣，搅拌15分钟，之后升温到750℃静置60分钟；
(4)冷却至铸造温度进行铸造，制备Mg-Sn-Sr-Ca-Sc-Mn合金锭子，铸造的工艺参数为：温度范围为750℃；
(5)对镁合金锭子进行预处理，预处理工艺按下述进行：在400℃对镁合金锭子进行均匀化处理，均匀化时间为600分钟；
(6)采用拉拔、轧制、挤压、锻压等变形方式、或上述变形方式的复合变形方式制备耐热高强变形镁合金件，如板材、管材、型材、棒材、线材或各种锻件。
实施例2
(1)将纯镁升温到180℃，保温13分钟，之后在SF6+CO2保护气体保护下将纯镁熔化；
(2)将纯镁熔液升温到670℃，将镁锡合金(锡元素的最终重量百分比含量为4％)、镁锶合金(锶元素的最终重量百分比含量为3％)、镁钙合金(钙元素的最终重量百分比含量为1％)、镁钪合金(钪元素的最终重量百分比含量为0.5％)和镁锰合金(锰元素的最终重量百分比含量为0.5％)升温到180℃，保温13分钟，并分别添加到纯镁熔液中，使所添加的合金和镁熔化，制成合金熔液；
(3)撇去熔液表面的浮渣，搅拌10分钟，之后升温到800℃静置35分钟；
(4)冷却至铸造温度进行铸造，制备Mg-Sn-Sr-Ca-Sc-Mn合金锭子，铸造的工艺参数为：温度范围为770℃；
(5)对镁合金锭子进行预处理，预处理工艺按下述进行：在480℃对镁合金锭子进行固溶处理，固溶处理时间为180分钟；
(6)采用拉拔、轧制、挤压、锻压等变形方式或上述变形方式的复合变形方式制备耐热高强变形镁合金件，如板材、管材、型材、棒材、线材或各种锻件。
实施例3
(1)将纯镁升温到200℃，保温11分钟，之后在SF6+CO2保护气体保护下将纯镁熔化；
(2)将纯镁熔液升温到700℃，将镁锡合金(锡元素的最终重量百分比含量为5％)、镁锶合金(锶元素的最终重量百分比含量为4％)、镁钙合金(钙元素的最终重量百分比含量为0.4％)、镁钪合金(钪元素的最终重量百分比含量为0.1％)和镁锰合金(锰元素的最终重量百分比含量为0.1％)升温到200℃，保温11分钟，并分别添加到纯镁熔液中，使所添加的合金和镁熔化，制成合金熔液；
(3)撇去熔液表面的浮渣，搅拌3分钟，之后升温到760℃静置20分钟；
(4)冷却至铸造温度进行铸造，制备Mg-Sn-Sr-Ca-Sc-Mn合金锭子，铸造的工艺参数为：温度范围为790℃；
(5)对镁合金锭子进行预处理，预处理工艺按下述进行：在350℃对镁合金锭子进行均匀化处理，均匀化时间为400分钟；
(6)采用拉拔、轧制、挤压、锻压等变形方式、或上述变形方式的复合变形方式制备耐热高强变形镁合金件，如板材、管材、型材、棒材、线材或各种锻件。
实施例4
(1)将纯镁升温到220℃，保温9分钟，之后在SF6+CO2保护气体保护下将纯镁熔化；
(2)将纯镁熔液升温到750℃，将镁锡合金(锡元素的最终重量百分比含量为6％)、镁锶合金(锶元素的最终重量百分比含量为3％)、镁钙合金(钙元素的最终重量百分比含量为0.4％)、镁钪合金(钪元素的最终重量百分比含量为0.1％)和镁锰合金(锰元素的最终重量百分比含量为0.1％)升温到220℃，保温9分钟，并分别添加到纯镁熔液中，使所添加的合金和镁熔化，制成合金熔液；
(3)撇去熔液表面的浮渣，搅拌30分钟，之后升温到790℃静置100分钟；
(4)冷却至铸造温度进行铸造，制备Mg-Sn-Sr-Ca-Sc-Mn合金锭子，铸造的工艺参数为：温度范围为760℃；
(5)对镁合金锭子进行预处理，预处理工艺按下述进行：在440℃对镁合金锭子进行固溶处理，固溶处理时间为300分钟；
(6)采用拉拔、轧制、挤压、锻压等变形方式、或上述变形方式的复合变形方式制备耐热高强变形镁合金件，如板材、管材、型材、棒材、线材或各种锻件。
实施例5
(1)将纯镁升温到240℃，保温7分钟，之后在SF6+CO2保护气体保护下将纯镁熔化；
(2)将纯镁熔液升温到770℃，将镁锡合金(锡元素的最终重量百分比含量为3％)、镁锶合金(锶元素的最终重量百分比含量为5％)、镁钙合金(钙元素的最终重量百分比含量为0.4％)、镁钪合金(钪元素的最终重量百分比含量为0.75％)和镁锰合金(锰元素的最终重量百分比含量为0.75％)升温到240℃，保温7分钟，并分别添加到纯镁熔液中，使所添加的合金和镁熔化，制成合金熔液；
(3)撇去熔液表面的浮渣，搅拌25分钟，之后升温到770℃静置70分钟；
(4)冷却至铸造温度进行铸造，制备Mg-Sn-Sr-Ca-Sc-Mn合金锭子，铸造的工艺参数为：温度范围为800℃；
(5)对镁合金锭子进行预处理，预处理工艺按下述进行：在425℃对镁合金锭子进行均匀化处理，均匀化时间为200分钟；
(6)采用拉拔、轧制、挤压、锻压等变形方式、或上述变形方式的复合变形方式制备耐热高强变形镁合金件，如板材、管材、型材、棒材、线材或各种锻件。
实施例6
(1)将纯镁升温到250℃，保温5分钟，之后在SF6+CO2保护气体保护下将纯镁熔化；
(2)将纯镁熔液升温到800℃，将镁锡合金(锡元素的最终重量百分比含量为3％)、镁锶合金(锶元素的最终重量百分比含量为3％)、镁钙合金(钙元素的最终重量百分比含量为2％)、镁钪合金(钪元素的最终重量百分比含量为0.5％)和镁锰合金(锰元素的最终重量百分比含量为0.5％)升温到250℃，保温5分钟，并分别添加到纯镁熔液中，使所添加的合金和镁熔化，制成合金熔液；
(3)撇去熔液表面的浮渣，搅拌20分钟，之后升温到775℃静置50分钟；
(4)冷却至铸造温度进行铸造，制备Mg-Sn-Sr-Ca-Sc-Mn合金锭子，铸造的工艺参数为：温度范围为750℃；
(5)对镁合金锭子进行预处理，预处理工艺按下述进行：在420℃对镁合金锭子进行固溶处理，固溶处理时间为350分钟；
(6)采用拉拔、轧制、挤压、锻压等变形方式、或上述变形方式的复合变形方式制备耐热高强变形镁合金件，如板材、管材、型材、棒材、线材或各种锻件。
为了测试本发明所制备镁合金的力学性能，将6个实施例所制备的镁合金放在250℃(蠕变载荷100MPa)和350℃高温下(蠕变载荷30MPa)，测试其力学性能如下表如示：
如表所示，相比绝大多数的镁合金只能在200℃以下使用，本发明的合金在250-350℃的高温下具有优异的性能，而且本发明所用的合金元素价格低，导致生产成本低。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，其成分合金元素为锡、锶、钙、钪、锰，其余成分为镁；
所述锡、锶、钙、钪、锰元素的重量百分比分别为4％、3％、1％、0.5％和0.5％，其余成分为镁；
所述的耐热抗蠕变镁合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将纯镁升温熔化，将Mg-Sn、Mg-Sr、Mg-Mn和Mg-Ca及Mg-Sc中间合金添加到纯镁熔液中，使所添加的合金和镁熔化，制成合金熔液；
步骤二：将合金熔液进行精炼处理后，冷却至铸造温度铸造，制备镁合金坯料；
步骤三：对镁合金坯料进行预处理并预热，采用变形方法制造耐热抗蠕变镁合金件；
所述步骤三的预处理过程具体为：在350-450℃对镁合金坯料进行均匀化处理，均匀化时间为120-600分钟，或者在420-500℃对镁合金坯料进行固溶处理，固溶处理时间为180-400分钟。
2.根据权利要求1所述的耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，所述镁合金的工作温度为250-350℃。
3.根据权利要求1所述的耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，所述步骤一的升温熔化过程具体为：将纯镁升温到160-250℃，保温5-15分钟，之后在保护气体或者阻燃覆盖物保护下将纯镁熔化。
4.根据权利要求1所述的耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，所述步骤一的添加过程具体为：将纯镁熔液升温到650-800℃，将Mg-Sn、Mg-Sr、Mg-Mn和Mg-Ca及Mg-Sc中间合金升温到160-250℃，保温5-15分钟，并分别添加到纯镁熔液中。
5.根据权利要求1所述的耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，所述步骤二的精炼处理过程具体为：将合金熔液搅拌3-30分钟，之后升温到750--800℃静置20-100分钟；所述铸造的工艺参数为：温度范围为650-800℃。
6.根据权利要求1所述的耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，所述步骤三的预热温度为300-450℃，时间为30-120分钟；变形方法为拉拔、轧制、挤压、锻压，或上述变形方法的复合变形方式；镁合金件为板材、管材、型材、棒材、线材或锻件。
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