CN1341767A - 汽车用多元耐热镁合金及其熔铸工艺 - Google Patents

Abstract

一种汽车用多元耐热镁合金及其熔铸工艺,其成分配方(重量百分比)为5－7Al,0.5－1.0Zn,0.6－1.5Si,0.4－0.7Sb,0.1－0.3RE,0.002%Be,杂质元素Fe<0.005%,Cu<0.015%,Ni<0.002%,其余为Mg。在熔剂或气体保护熔炼条件下,将工业纯镁完全熔化后,再分别以工业纯铝、工业纯锌,Al－Si中间合金、工业纯锑、Mg－RE中间合金、Al－Be中间合金形式加入合金元素Al,Zn,Si,Sb,RE,Be,待合金元素全部溶解后,搅拌均匀,精炼后再进行铸造。本发明铸造合金的显微组织明显细化,提高了合金的室温和高温抗拉强度、屈服强度和延伸率,可应用于轿车/微型车以及摩托车发动机部件。

Description

汽车用多元耐热镁合金及其熔铸工艺

技术领域：

本发明是一种汽车用多元耐热镁合金及其熔铸工艺，涉及一种具有较高耐热性能的廉价耐热镁合金成分配方及其熔铸工艺，属于金属材料类及冶金领域。

背景技术：

汽车工业为了降低轿车/微型车自身的重量，提高燃料利用率、减轻尾气排放造成的环境污染，越来越多地采用轻合金制造的零部件。镁合金作为最轻的金属结构材料，同时具有较高的比强度、比刚度以及良好的减振性能和铸造性能，成为目前汽车工业首选的减重材料。但是，镁合金制品目前在汽车上应用还很有限，尤其在发动机部件上使用镁合金更为罕见，障碍是镁合金的高温力学性能差，在温度超过120℃时力学性能将大幅度下降。尽管目前已开发出了在高温下具有良好蠕变抗力的镁合金，如AE42，WE43等，但这类合金大多采用高含量RE(＞2.5％)，Y、Th等贵金属合金化得到的，这使得合金的成本大幅度的上升，目前只限于赛车、导弹等的高性能发动机上，并未能在汽车上广泛应用。

目前，除了稀土具有提高镁合金的耐热性能外，硅也是对提高合金耐热性能有益的元素，但是Si加入镁合金后会形成粗大的汉字状的Mg₂Si相，只适于冷却速度较快的压铸，而不适于砂铸及金属型铸造。如70年代德国大众汽车公司开发的压铸镁合金AS41(Mg-4Al-1Si)及AS21(Mg-2Al-1Si)(A.Luo andM.O.Pekguleryuz，J.Mater.Sci.，29(1994)：5259-5271)，170℃时这类合金的蠕变强度高于AZ91和AM60镁合金，它具有良好的延伸率、屈服强度和抗拉强度，应用于空冷汽车发动机曲轴箱、通风机壳等大众汽车零部件。其中AS21(Mg-2Al-1Si)镁合金的蠕变强度优于AS41镁合金，但是，由于Al含量较低，合金的室温抗拉强度和屈服强度都较AZ91和AM60低，铸造性能也更差。此外，由于合金中的主要强化相Mg₂Si在凝固速度较慢的条件下会变成粗大的“汉字状”，从而严重损害合金的性能。目前尽管已有文献报道Ca能够改善Mg₂Si的形貌，但是Ca的加入同时也增加了合金的热裂倾向。所以含有Mg₂Si强化相的镁合金目前只能应用于凝固速度较快的压铸生产，而不能砂铸，从而限制了该合金的应用范围。AE42合金虽有与AS21合金相当的抗蠕变强度，但其材料成本较高，且有较高的铸造热裂倾向。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可应用多种铸造工艺生产的廉价耐热镁合金的成分配方及其熔铸工艺，其应用对象是轿车/微型车以及摩托车发动机部件，而合金成本则与常用镁合金AZ91相当。

本发明的技术方案主要如下：

本发明的成分配方(重量百分比)：5-7Al，0.5-1.0Zn，0.6-1.5Si，0.4-0.7Sb，0.1-0.3RE(富Ce混合稀土)，0.002％Be，杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

本发明的指导思想为：新合金的耐热性能与目前含稀土的抗蠕变镁合金AE42相当，铸造性能、耐腐蚀性能及成本与镁合金AZ91相当。在上述思想指导下，确定以5-7％Al作为基本成分，同时加入0.5-1.0％Zn赋予合金以必要的强度与铸造性能，加入1％Si以提高合金的耐热性能，加入Sb是为了改善Mg₂Si强化相的形貌以及提高合金的耐热性能，加入0.1-0.3％的混合稀土是为了提高合金的抗腐蚀性能，加入0.002％Be是为了减少熔铸过程中的氧化。

本发明的熔炼和铸造工艺如下：在熔剂或气体保护熔炼条件下，将工业纯镁加入到刷过涂料的烘干的坩埚中，在炉底撒少许覆盖剂，镁完全熔化后，650℃左右加入合金元素Al，Zn，Si，Sb，RE，Be，其中Al，Zn，Si，Sb，RE，Be分别以工业纯铝、工业纯锌、Al-Si中间合金、工业纯锑、Mg-RE中间合金、Al-Be中间合金形式加入。待合金元素全部溶解后，用工具搅拌使其混合均匀继续升高温度至710℃-730℃，对合金液进行精炼10-20分钟。然后静置20分钟，捞去表面浮渣后进行铸造，铸造方法可采用压铸、低压铸造、金属型铸造或砂铸。

本发明具有实质性特点和显著进步，铸造合金的显微组织明显细化，Mg₂Si形貌由粗大的汉字状转变为细小的颗粒状，同时晶粒尺寸由138um减少为68um(金属型铸造)，合金的室温抗拉强度、屈服强度、延伸率分别大于230Mpa，95MPa，10％，150℃下抗拉强度、屈服强度、延伸率分别大于：170Mpa，90Mpa，12％。200℃，50Mpa蠕变条件下的最小稳态蠕变速率6.9×10^-6％/S，而相同条件下AZ91镁合金的稳态蠕变速率为7.7×10^-5％/S，即新合金的抗高温蠕变性能比目前常用的AZ91镁合金提高近1个数量级，达到AE42耐热镁合金的水平，而合金成本则与AZ91相当，比AE42低得多。

具体实施方式：

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1：

合金成分(重量百分比)：5.0％Al、0.9Zn、0.6Si、0.5Sb、0.1RE、0.003Be，杂质元素Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002，其余为Mg.

按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁15公斤，同时撒少量覆盖剂(JDF)0.3Kg在坩埚底部，合金完全熔化后，先后加入工业纯铝0.52Kg、工业纯锌0.15Kg、Al-25Si中间合金0.39Kg、工业纯锑0.12Kg(按70％的收得率)、Mg-10RE中间合金0.24Kg(按70％的收得率)，Al-3Be中间合金0.01Kg，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌使其混合均匀继续升高温度至710℃-730℃，用精炼剂0.4Kg对合金液进行精炼10分钟，精炼好的镁液呈银白色镜面，镁液不粘搅拌工具。然后保温静置20分钟，捞去表面浮渣后即可用浇包进行金属型浇铸。本实施例合金的常温抗拉强度、冲击功及延伸率分别达到235MPa，30J，10.5％。高温150℃抗拉强度、延伸率分别为：172MPa，13％。

实施例2：

合金的成分(重量百分比)：6.0％Al、1.0Zn、0.7Si、0.4Sb、0.2RE、0.002Be，杂质元素Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002，其余为Mg.

按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁15公斤，同时采用FS₆0.5％/CO₂混合气体保护，合金完全熔化后，先后加入工业纯铝0.66Kg、工业纯锌0.16Kg、Al-25Si中间合金0.46Kg、工业纯锑0.1Kg、Mg-10RE中间合金0.5Kg，Al-3Be中间合金0.01Kg，待合金元素全部溶解后，继续升高温度至710℃-730℃，通氩气搅拌开始用精炼剂对合金液进行精炼，精炼剂用量为0.5kg，时间10分钟，精炼好的镁液呈银白色镜面，镁液不粘附Ar气管。然后保温静置20分钟，捞去表面浮渣后在低压铸造炉内采用氮气给压进行低压铸造。本实施例合金的常温抗拉强度、冲击功及延伸率分别达到238MPa，30J，10％。高温150℃抗拉强度、延伸率分别为：175MPa，12％.

实施例3：

合金的成分(重量百分比)：7.0％Al、0.8Zn、0.8Si、0.6Sb、0.2RE、0.002Be，杂质元素Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002，其余为Mg.

按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁15公斤，同时撒少量覆盖剂0.4Kg在坩埚底部，合金完全熔化后，先后加入工业纯铝0.76Kg、工业纯锌0.13Kg、Al-25Si中间合金0.53Kg、工业纯锑0.13Kg、Mg-10RE中间合金0.5Kg、Al-3Be中间合金0.01Kg，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌使其混合均匀继续升高温度至710℃-730℃，用精炼剂0.5Kg对合金液进行精炼10分钟。然后保温静置20分钟，捞去表面浮渣后即可用浇包进行砂型浇铸，浇铸过程中在熔体上方通保护气体进行保护。本实施例合金的常温抗拉强度、冲击功及延伸率分别达到230MPa，20J，5％。高温150℃抗拉强度、延伸率分别为：170MPa，10％。

Claims (3)

1、一种汽车用多元耐热镁合金，其特征在于成分配方(重量百分比)为5-7Al，0.5-1.0Zn，0.6-1.5Si，0.4-0.7Sb，0.1-0.3RE，0.002％Be，杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

2、一种汽车用多元耐热镁合金的熔铸工艺，其特征在于在熔剂或气体保护熔炼条件下，将工业纯镁加入到坩埚中，镁完全熔化后，在650℃左右分别以工业纯铝、工业纯锌、Al-Si中间合金、工业纯锑、Mg-RE中间合金、Al-Be中间合金形式加入合金元素Al，Zn，Si，Sb，RE，Be，待合金元素全部溶解后，搅拌混合均匀并继续升高温度至710℃-730℃，精炼10-20分钟后静置20分钟，捞去表面浮渣后进行铸造。

3、如权利要求2所说的一种汽车用多元耐热镁合金的熔铸工艺，其特征在于铸造方法可采用压铸、低压铸造、金属型铸造或砂铸。