一种高强铸造镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术为一种高强铸造镁合金，是Mg-Bi-Al-Zn-Sr合金，其组分的重量百分比为：Bi3～8.0wt％；Al 0.5～4.0wt％；Zn 0.1～1.0wt％；Sr 0.05～0.15wt％，其余为Mg。本发明专利技术以Bi元素作为主要合金元素，通过简单的合金化手段，形成大量的Mg3Bi2相，辅以少量的铝元素和锌元素来提高合金的强度，从而在该合金系列中开发出高强铸造镁合金，合金的抗拉强度276～296MPa，屈服强度155～170MPa，延伸率5.3～7.3％，达到了与稀土镁合金相媲美的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高强铸造镁合金及其制备方法
本专利技术涉及一种非稀土低成本高强度铸造镁合金及其制备方法，具体涉及一种Mg-Bi-Al-Zn-Sr合金及其制备方法，属于金属材料类及冶金领域。
技术介绍
镁合金是目前实际应用的最轻的金属工程结构材料，纯镁的密度约为1.74g/cm3，其密度约为钢铁的1/4，锌的1/3，铝合金的2/3。镁合金所具有的较高的比强度，优良的机械切削性能和阻尼减震性能等特点满足了现代汽车工业对减重和环保的迫切需求。20世纪80年代以来，随着汽车工业的迅猛发展，大量镁合金材料开始在汽车里部件上使用，其中使用量较大的商用铸造镁合金包括AZ91D、AM60B和AS41等，这些镁合金主要应用于制备变速箱壳体，方向盘骨架和仪表盘等一般零部件。随着轻量化要求的日益迫切，汽车轮毂、转向架和前置架支撑组件等一些重要的位置上的承重结构件也迫切需要密度更低的镁合金，但是以上商用铸造镁合金抗拉强度普遍低于260MPa，其强度不足以满足承重组件对力学性能的要求。因此，开发新型高强镁合金越来越得到各个国家的重视。现有技术中，CN1888109公开了一种高强度铸造镁合金，通过向AZ91合金中引入重量百分数为0.01～3.0wt％的Ho，提高合金的强度，室温下合金的抗拉强度在228～277.5MPa之间，延伸率在4.0～5.8％之间。CN102534330A公开了一种高强度铸造镁合金，该合金的组分的重量百分数为Gd8～14wt％、Y1～5wt％、Al0.6～2wt％，其余为镁及不可避免的杂质元素，经过固溶和时效处理后，该合金的抗拉强度在300～355MPa之间，屈服强度210～255MPa之间，延伸率在≥2-8％之间，具有较高的强度。但该合金中需要添加大量的Gd、Y等较昂贵的稀土元素，直接增加了合金的成本，并且增加了合金的密度，还会导致铸造成形性能变差。CN1752251公开了一种高强度镁合金及其制备方法，其组成成分的重量百分比分别为：Nd2.5～3.6wt％、Zr0.35～0.8wt％、Zn含量不大于0.4wt％、Ca含量不大于0.5wt％，其余为镁及不可避免杂质。该合金经过固溶和时效处理后，具有较高的力学性能，抗拉强度280～320MPa，屈服强度140～155MPa，延伸率5～12％，并且合金中同样含有较多的贵重元素(Nd2.5～3.6wt％)，间接提高了合金的成本。由此可见，为了更好地满足汽车等行业对高强铸造镁合金的低成本、易加工、高性能的要求，专利技术一种兼具低成本无稀土的高强度铸造镁合金具有重要的经济和社会意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种高强铸造镁合金及其制备方法。该镁合金为一种新型Mg-Bi-Al-Zn-Sr镁合金，通过添加Bi，Al，Zn和Sr元素合金化之后，配合合适的固溶处理和时效处理等热处理手段，调控合金中析出相，最终获得高强度镁合金，其原材料及制备成本低廉。本专利技术的技术方案是：一种高强铸造镁合金，是Mg-Bi-Al-Zn-Sr合金，其组分的重量百分比为：Bi3～8.0wt％；Al0.5～4.0wt％；Zn0.1～1.0wt％；Sr0.05～0.15wt％，其余为Mg。所述的一种高强铸造镁合金的制备方法，包括以下步骤：1)配料：以纯Mg锭、纯Bi、纯Al、纯Zn和Mg-Sr中间合金为原料，按照所述的镁合金成分进行配料；2)熔炼：将纯Mg锭放入熔炼炉的坩埚中，设定炉温700～730℃并保持，待其熔化后，分别将预热到200～250℃的纯Bi、纯Al、纯Zn和Mg-Sr中间合金加入到镁熔液中；接着升高熔炼温度10～20℃，保温5～10分钟，然后机械搅拌2～5分钟，再充入氩气进行精炼除气；3)浇注：之后将炉温调低10-30℃至浇注温度,将镁合金熔体浇注到相应的模具中，制得铸态镁合金；从熔炼到浇注的整个过程中均在CO2/SF6混合气体保护下进行；4)固溶：对得到的铸态镁合金进行固溶处理，在固溶处理温度为500～530℃，时间为4～12小时，用40～80℃温水淬火；固溶处理的加热和保温过程中通入惰性气体(氩气)进行保护；5)对得到的合金进行12～48小时的时效处理，时效温度为140～200℃，得到所述高强铸造镁合金。所述的Mg-Sr中间合金优选为Mg-5Sr中间合金。所述的CO2/SF6混合气体组成优选为体积比CO2:SF6＝100:1。上述超高强度新型镁合金的制备方法，所用的原材料和设备均通过公知的途径获得，所用的操作工艺是本
的技术人员所能掌握的。本专利技术的实质性特点为：本专利技术的镁合金以Bi为主要合金化元素，因为在200℃时Bi在Mg中的固溶度几乎为零，而在553℃时的固溶度为8.73wt％，因此Bi元素的加入，并配合合适的固溶和时效处理，可以保障合金具有良好的时效析出强化效果。合金中的高熔点Mg3Bi2相(熔点为823℃)，其高热稳定性可以与镁稀土合金中的高熔点强化相的热稳定性相媲美，而价格低廉，Mg3Bi2相可有效钉扎晶界的移动，阻碍位错运动，抑制再结晶晶粒长大，进而提高合金的力学性能。合金中Al起到固溶强化和析出强化的作用，Zn元素的少量加入，可以增强Bi在合金中的时效析出效果，同时起到一定的固溶强化作用，微量Sr元素的加入可以对合金中的第二相起到一定得细化作用。本专利技术的有益效果在于：1)全新的镁合金系列，本专利技术的镁合金以Bi元素作为主要合金元素，通过简单的合金化手段，形成大量的Mg3Bi2相，辅以少量的铝元素和锌元素来提高合金的强度，从而在该合金系列中开发出高强铸造镁合金，合金的抗拉强度276～296MPa，屈服强度155～170MPa，延伸率5.3～7.3％，达到了与稀土镁合金相媲美的力学性能。2)本专利技术中Mg-Bi-Al-Zn-Sr合金的制备方法，由于所采用的原料中金属Bi、Al、Zn和Mg-Sr中间合金的熔点都比较低，熔炼简便，节省能源。由于合金中强化相Mg3Bi2相是原位生成的，所以现有的镁合金熔炼和热处理设备都可对其进行加工，无需额外改进，对生产设备的要求低。(设备简单，生产效率高)3)本专利技术镁合金合金成本低廉。由于不含稀土等金属，只添加微量的Sr(0.05-0.15wt％)。用于原位生成高热稳定性的Mg3Bi2相的金属Bi价格低廉，合金成本低(稀土一般1000到5000元每公斤，而本专利所用的金属Bi每公斤只用200元左右)；可以广泛用于汽车上铸造零部件等民用用途。4)本专利技术所开发合金具有作为耐热镁合金的前景。合金中的Mg3Bi2相具有较高的熔点(823℃)，可以提高合金中合金相的初始熔化温度，使合金可以具有较好的耐热性能，高温时，由于热稳定性较好，仍能钉扎晶界，其强化作用仍能保持。5)本合金的主要合金元素Bi元素对环境和人体没有毒害作用，属于环境友好型材料。6)本专利技术的镁合金由于具有较好的时效析出强化效果，可以在热塑性变形中，发生强烈的动态析出，从而还可以用于挤压等热塑性加工，从而得到更高强度性能的合金。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术做进一步的描述。图1为实施例1所得合金的微观组织形貌；其中，图1a为其放大100倍时的微观组织、图1b为其放大200倍时的微观组织。图2为实施例2所得合金的微观组织形貌；其中，图2a为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强铸造镁合金，其特征为该合金为Mg‑Bi‑Al‑Zn‑Sr合金，其组分的重量百分比为：Bi 3～8.0wt％；Al 0.5～4.0wt％；Zn 0.1～1.0wt％；Sr 0.05～0.15wt％，其余为Mg。

【技术特征摘要】
1.一种高强铸造镁合金的制备方法，其特征为该合金为Mg-Bi-Al-Zn-Sr合金，其组分的重量百分比为：Bi3.8～8.0wt％；Al0.5～4.0wt％；Zn0.1～1.0wt％；Sr0.05～0.15wt％，其余为Mg；所述的制备方法，包括以下步骤：1)配料：以纯Mg锭、纯Bi、纯Al、纯Zn和Mg-Sr中间合金为原料，按照所述的镁合金成分进行配料；2)熔炼：将纯Mg锭放入熔炼炉的坩埚中，设定炉温700～730℃并保持，待其熔化后，分别将预热到200～250℃的纯Bi、纯Al、纯Zn和Mg-Sr中间合金加入到镁熔液中；接着升高熔炼温度10～20℃，保温5～10分钟，然后机械搅拌2～5分钟，再充入氩气进行精炼除气；3)浇注：之后将炉...

【专利技术属性】
技术研发人员：余晖，孟帅举，秦春玲，王志峰，赵维民，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12