專利名稱：一種高強高韌鑄造鎂合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料鎂合金領域，具體為一種高強高韌鑄造鎂合金及其制備方法。
背景技術：
鎂合金是最輕的金屬結構材料，具有諸多優點，例如比強度、比剛度高，鑄造性能好，導電導熱性和電磁屏蔽性好，切削加工性能優良，同時易于回收再利用，這些特點使鎂合金在電子、汽車和航空航天等領域得到廣泛應用。目前，在現有鎂合金的應用中，鑄造鎂合金的占有量達到90%，主要用于汽車工業。使用量最大的商業鑄造鎂合金包括AZ91D、AM60B、AS41和AE42等，這些鎂合金用于制備變速箱殼體、氣冷汽車引擎和儀表板等一般零部件。然而，隨著鎂合金在汽車上應用的不斷拓展，一些重要位置上的承重結構件，例如前置架支撐組件、轉向架和輪轂等，也希望使用鑄造鎂合金制備。但是，以上商用鑄造鎂合金抗拉強度普遍低于260MPa，其強度不足以滿足承重件的性能要求。因此提高鑄造鎂合金強度使其具有良好的綜合力學性能，是新型鑄造鎂合金的開發熱點之一。高強度鑄造鎂合金性能提升主要依靠合金元素產生的細晶強化，固溶強化和析出強化作用，其中通過時效處理產生的析出強化是提高鑄造鎂合金強度最重要的手段。稀土元素(RE)和Zn元素可以產生強烈的時效強化效果，因此研究較廣的高強度鑄造鎂合金主要有Mg-RE系和Mg-Zn系。前者以Mg-Y-Nd-Zr系鑄造鎂合金和Mg-Gd-Y-Zr系鑄造鎂合金為代表，合金時效處理后屈服強度普遍高于200MPa，抗拉強度高于300MPa。然而，Mg-RE系鑄造鎂合金往往含有大量重稀土元素，價格昂貴，制備成本極高，主要用于軍用和航空航天領域，一般不用于民用。Mg-Zn系鑄造鎂合金以低成本和高強度的特點而備受關注，ZK61鑄造鎂合金是典型的商業高強鎂合金，成本明顯低于一般稀土鎂合金，且時效處理后抗拉強度可達275-305MPa。雖然如此，但該合金中含有Zr元素，Zr元素添加困難，成本也相對較高。此外，ZK61鎂合金室溫延伸率僅為4-7%，不適宜制備高性能結構件。因此，開發一種低成本不含Zr，同時具有高強度和高塑性的鑄造Mg-Zn系列合金對拓展鎂合金的應用領域具有重要意義。

發明內容
本發明提供一種高強高韌鑄造鎂合金及其制備方法，其目的是制備出屈服強度彡205MPa，抗拉強度彡305MPa，延伸率彡10%的高強高韌鑄造鎂合金。本發明是通過以下技術方案實施的一種高強高韌鑄造鎂合金，合金各組分及其重量百分比為6. 0 8. 0%Zn、0. 5 I. 5%A1、0. 5 I. 0%Cu、0. 3 0. 7%Mn,其余為 Mg 和不可避免的雜質元素，雜質元素含量< 0. 01%。所述的高強高韌鑄造鎂合金，鎂合金的室溫拉伸屈服強為205 230MPa，鎂合金的室溫抗拉強度為305 330MPa，鎂合金的室溫延伸率為10 16%。所述的高強高韌鑄造鎂合金，Mn以Mg-Mn中間合金(Mg90wt. %>MnlOwt. %)的形式加入，Zn、Al和Cu以純Zn、純Al和純Cu的方式來加入。所述高強高韌鑄造鎂合金的制備方法，按以下步驟進行(I)配料原料采用金屬Mg、金屬Zn、金屬Al、金屬Cu和Mg-lOwt. %Mn中間合金，按照所述的重量百分比配料；(2)熔煉采用鐵坩堝，在電阻爐中熔煉，控制熔煉溫度為74(T760°C，采用混合CO2和SF6作為保護氣體；原料在18(T220°C預熱，首先加入金屬Mg，待金屬Mg全部熔化后，力口入金屬Cu，熔煉1(T20分鐘，后加入Mg-Mn中間合金，熔煉10 20分鐘，最后加入金屬Zn和Al，熔煉5 15分鐘，得到合金熔體；(3)澆注將得到的合金熔體攪拌扒渣并靜置15 20分鐘后，溫度調到70(T72(TC， 按Mg-Zn系鑄造鎂合金要求快速平穩澆注，得到鑄錠；(4)熱處理將步驟(3)得到的合金在35(T400°C固溶處理24 64小時，40 60°C溫水淬火，之后在5(T70°C預時效8 24小時，最后在15(T200°C時效2飛小時，得到高強高
韌鑄造鎂合金。澆注時，在正常鑄造工藝下，模具采用金屬型或砂型，鑄造方法采用半連續鑄造、金屬型鑄造或者砂型鑄造。本發明的有益效果是I、本發明制備的高強高韌鑄造鎂合金，在室溫拉伸測試下，屈服強度彡205MPa，抗拉強度> 305MPa，延伸率> 10%，具有優良的綜合力學性能。2、本發明提供一種同時含有Zn、Al、Cu和Mn元素的高強高韌鑄造鎂合金，各元素含量控制為Zn6. 0 8. 0%、A10. 5 I. 5%、CuO. 5 I. 0%、MnO. 3 0. 7%。Zn元素具有優異的時效強化能力，時效析出的￠/相(MgZn2)與基體具有共格關系，對合金強化作用非常顯著；Cu元素可以提高Mg-Zn系合金的固溶處理溫度以使更多的Zn元素固溶于基體中，提高后續時效處理析出相的數量；Al元素可以細化￠/相，并提高其析出數量，進一步增強合金時效硬化能力；Mn元素可以有效改善鎂合金耐蝕能力；此外，Al和Mn同時添加可以形成Al-Mn顆粒作為Mg的形核基底，起到細化晶粒和提高強度的作用。3、本發明鎂合金的熱處理先在35(T400°C固溶處理24 64小時，4(T60°C溫水淬火，之后在5(T70°C預時效8 24小時，最后在15(T200°C時效2飛小時，得到高強高韌鑄造鎂合金。對鎂合金進行雙級時效處理可以有效提高強度，同時對塑性的惡化作用較小，這時因為較長時間低溫預時效處理可以形成數量更多且更加彌散分布的G.P.區，G.P.區是后續時效處理形成￠/相的基礎。因此，雙級時效處理后鎂合金的析出相數量多且細小、彌散，這樣的析出相可以有效釘扎位錯提高合金強度，同時抑制粗大的孿晶的形成，降低微裂紋形成風險。


圖I為實施例2中合金顯微組織照片；圖2為實施例2中合金拉伸應力-應變曲線。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細描述。實施例I本實施例中，高強高韌鑄造鎂合金各組分及其重量百分比為8. 0%Zn、0. 5%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余為Mg和不可避免的雜質元素，雜質元素含量〈O. 01%。制備方法如下(I)配料原料采用金屬Mg、金屬Zn、金屬Al、金屬Cu和Mg-lOwt. %Mn中間合金，合金各組分及其重量百分比為8. 0%Zn、0. 5%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余為Mg ；
(2)熔煉采用鐵坩堝，在電阻爐中熔煉，控制熔煉溫度為740V，采用CO2和SF6混合作為保護氣體(按體積百分比計，99%C02+1%SF6)，原料在200°C預熱，首先加入金屬Mg，待金屬Mg全部熔化后,加入金屬Cu,熔煉15分鐘,后加入Mg-Mn中間合金,熔煉15分鐘,最后加入金屬Zn和Al，熔煉10分鐘，得到合金熔體；(3)澆注將得到的合金熔體攪拌扒渣并靜置18分鐘后，溫度調到720°C快速平穩燒注，得到鑄錠；(4)熱處理將步驟(3)得到的合金在380°C固溶處理36小時，50°C溫水淬火，之后在70°C預時效24小時，最后在170°C時效4小時，得到高強高韌鑄造鎂合金。得到的Mg-8Zn-0. 5A1-0. 5Cu_0. 5Mn鎂合金屈服強度為213. OMPa,抗拉強度為312. 6MPa，延伸率為 11. 87%。實施例2本實施例中，高強高韌鑄造鎂合金各組分及其重量百分比為8. 0%Zn、l. 0%A1、
0.5%Cu、0. 5%Mn，其余為Mg和不可避免的雜質元素，雜質元素含量〈O. 01%。制備方法如下(I)配料原料采用金屬Mg、金屬Zn、金屬Al、金屬Cu和Mg-lOwt. %Mn中間合金，合金各組分及其重量百分比為8. 0%Zn、l. 0%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余為Mg ；(2)熔煉采用鐵坩堝，在電阻爐中熔煉，控制熔煉溫度為740V，采用CO2和SF6混合作為保護氣體(按體積百分比計，99%C02+1%SF6)，原料在200°C預熱，首先加入金屬Mg，待金屬Mg全部熔化后,加入金屬Cu,熔煉15分鐘,后加入Mg-Mn中間合金,熔煉15分鐘,最后加入金屬Zn和Al，熔煉10分鐘，得到合金熔體；(3)澆注將得到的合金熔體攪拌扒渣并靜置15分鐘后，溫度調到720°C快速平穩燒注，得到鑄錠；(4)熱處理將步驟(3)得到的合金在360°C固溶處理56小時，40°C溫水淬火，之后在65°C預時效24小時，最后在180°C時效3小時，得到高強高韌鑄造鎂合金。得到的Mg-8Zn-l. 0A1-0. 5Cu_0. 5Mn鎂合金屈服強度為221. 2MPa，抗拉強度為321. 7MPa，延伸率為 11. 73%。如圖I所示，從本實施例制得的Mg-8Zn-l. 0A1-0. 5Cu_0. 5Mn鎂合金顯微組織照片，可以看到，合金晶粒尺寸約為78 yn，晶界和枝晶間分布這灰色和黑色的第二相。如圖2所示，從本實施例制得的Mg-8Zn-l. 0A1-0. 5Cu_0. 5Mn鎂合金T6狀態下工程應力-應變曲線，可以看到，該合金試樣屈服強度達到230MPa，抗拉強度達到330MPa，延伸率為14. 5%o
實施例3本實施例中，高強高韌鑄造鎂合金各組分及其重量百分比為8. 0%Zn、0. 5%A1、
I.0%Cu、0. 5%Mn，其余為Mg和不可避免的雜質元素，雜質元素含量〈O. 01%。制備方法如下(I)配料原料采用金屬Mg、金屬Zn、金屬Al、金屬Cu和Mg-lOwt. %Mn中間合金，合金各組分及其重量百分比為8. 0%Zn、0. 5%A1、1. 0%Cu、0. 5%Mn，其余為Mg ；(2)熔煉采用鐵坩堝，在電阻爐中熔煉，控制熔煉溫度為750°C，采用CO2和SF6混合作為保護氣體(按體積百分比計，99%C02+1%SF6)，原料在200°C預熱，首先加入金屬Mg，待金屬Mg全部熔化后,加入金屬Cu,熔煉15分鐘,后加入Mg-Mn中間合金,熔煉15分鐘,最后加入金屬Zn和Al，熔煉10分鐘，得到合金熔體；(3)澆注將得到的合金熔體攪拌扒渣并靜置20分鐘后，溫度調到720°C快速平穩燒注，得到鑄錠；(4)熱處理將步驟(3)得到的合金在400°C固溶處理24小時，60°C溫水淬火，之后在70°C預時效24小時，最后在200°C時效2小時，得到高強高韌鑄造鎂合金。得到的Mg-8Zn-0. 5A1-1. OCu-O. 5Mn鎂合金屈服強度為209. 4MPa，抗拉強度為
308.2MPa，延伸率為 11. 4%。實施例4本實施例中，高強高韌鑄造鎂合金各組分及其重量百分比為7. 0%Zn、l. 0%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余為Mg和不可避免的雜質元素，雜質元素含量〈O. 01%。制備方法如下(I)配料原料采用金屬Mg、金屬Zn、金屬Al、金屬Cu和Mg-lOwt. %Mn中間合金，合金各組分及其重量百分比為7. 0%Zn、l. 0%A1、0. 5%Cu、0. 5%Mn，其余為Mg ；(2)熔煉采用鐵坩堝，在電阻爐中熔煉，控制熔煉溫度為760°C，采用CO2和SF6混合作為保護氣體(按體積百分比計，99%C02+1%SF6)，原料在200°C預熱，首先加入金屬Mg，待金屬Mg全部熔化后,加入金屬Cu,熔煉15分鐘,后加入Mg-Mn中間合金,熔煉15分鐘,最后加入金屬Zn和Al，熔煉10分鐘，得到合金熔體；(3)澆注將得到的合金熔體攪拌扒渣并靜置16分鐘后，溫度調到720°C快速平穩燒注，得到鑄錠；(4)熱處理將步驟(3)得到的合金在375°C固溶處理24小時，45°C溫水淬火，之后在50°C預時效12小時，最后在150°C時效4小時，得到高強高韌鑄造鎂合金。得到的Mg-7Zn-l. 0A1-0. 5Cu_0. 5Mn鎂合金屈服強度為208. 3MPa，抗拉強度為
309.IMPa，延伸率為 10. 9%o最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制技術方案，盡管申請人參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍之中。
權利要求
1.一種高強高韌鑄造鎂合金，其特征在于，合金各組分及其重量百分比為6.0 8· 0%Ζη、0· 5 I. 5%Α1、0· 5 I. 0%Cu、0. 3 O. 7%Mn,其余為Mg和不可避免的雜質元素，雜質元素含量< O. 01%。
2.按照權利要求I所述的高強高韌鑄造鎂合金，其特征在于，Mn以Mg-lOwt.%Mn中間合金的形式加入，Zn、Al和Cu以純Zn、純Al和純Cu的方式來加入。
3.按照權利要求I所述的高強高韌鑄造鎂合金，其特征在于，在室溫拉伸測試下，屈服強度≥205MPa，抗拉強度≥305MPa，延伸率≥10%。
4.按照權利要求I所述的高強高韌鑄造鎂合金，其特征在于，鎂合金的室溫拉伸屈服強度為205 230MPa，鎂合金的室溫抗拉強度為305 330MPa，鎂合金的室溫延伸率為IO"I6%ο
5.按照權利要求I所述的高強高韌鑄造鎂合金的制備方法，其特征在于，按以下步驟進行 (1)配料原料采用金屬Mg、金屬Zn、金屬Al、金屬Cu和Mg-lOwt.%Mn中間合金,按照所述的重量百分比配料； (2)熔煉采用鐵坩堝，在電阻爐中熔煉，控制熔煉溫度為74(T760°C，采用混合CO2和SF6作為保護氣體；原料在18(T220°C預熱，首先加入金屬Mg，待金屬Mg全部熔化后，加入金屬Cu，熔煉1(Γ20分鐘，后加入Mg-Mn中間合金，熔煉10 20分鐘，最后加入金屬Zn和Al，熔煉5 15分鐘，得到合金熔體； (3)澆注將得到的合金熔體攪拌扒渣并靜置15 20分鐘后，溫度調到70(T720°C，快速平穩澆注，得到鑄錠； (4)熱處理將步驟(3)得到的合金在35(T400°C固溶處理24 64小時，4(T60°C溫水淬火，之后在5(T70°C預時效8 24小時，最后在15(T200°C時效2飛小時，得到高強高韌鑄造鎂合金。
6.按照權利要求5所述的高強高韌鑄造鎂合金的制備方法，其特征在于，澆注時，在正常鑄造工藝下，模具采用金屬型或砂型，鑄造方法采用半連續鑄造、金屬型鑄造或者砂型鑄造。
全文摘要
本發明涉及金屬材料鎂合金領域，具體為一種含有Zn、Al、Cu和Mn元素的高強高韌鑄造鎂合金。合金各組分及其重量百分比為6.0~8.0%Zn、0.5~1.5%Al、0.5~1.0%Cu、0.3~0.7%Mn，其余為Mg和不可避免的雜質元素，雜質元素含量<0.01%。制備方法用鐵坩堝熔煉Mg，熔煉溫度為740~760℃，當純鎂全部熔化后，再依次加入預熱好的純金屬Zn、Al、Cu和Mg-10wt.%Mn中間合金進行合金化，純鎂熔化和合金化過程均采用混合CO2和SF6作為保護氣體，攪拌扒渣并靜置15~20分鐘后將合金熔體溫度調到700~720℃，澆鑄成錠。合金在350~400℃固溶處理24~64小時，40～60℃溫水淬火，之后在50~70℃預時效8~24小時，最后在150~200℃時效2~6小時，得到高強高韌鑄造鎂合金，在室溫拉伸測試下，屈服強度≥205MPa，抗拉強度≥305MPa，延伸率≥10%，具有優良的綜合力學性能。
文檔編號C22C1/02GK102978497SQ20121047588
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月21日 優先權日2012年11月21日
發明者楊院生, 王晶, 董旭光, 劉瑞東, 羅天驕 申請人:中國科學院金屬研究所