一種高強鑄造鎂合金及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種非稀土低成本高強度鑄造鎂合金及其制備方法，具體涉及一種Mg-B1-Al-Zn-Sr合金及其制備方法，屬于金屬材料類及冶金領域。
【背景技術】
[0002]鎂合金是目前實際應用的最輕的金屬工程結構材料，純鎂的密度約為1.74g/cm3，其密度約為鋼鐵的1/4，鋅的1/3，鋁合金的2/3。鎂合金所具有的較高的比強度，優良的機械切削性能和阻尼減震性能等特點滿足了現代汽車工業對減重和環保的迫切需求。20世紀80年代以來，隨著汽車工業的迅猛發展，大量鎂合金材料開始在汽車里部件上使用，其中使用量較大的商用鑄造鎂合金包括AZ91D、AM60B和AS41等，這些鎂合金主要應用于制備變速箱殼體，方向盤骨架和儀表盤等一般零部件。隨著輕量化要求的日益迫切，汽車輪轂、轉向架和前置架支撐組件等一些重要的位置上的承重結構件也迫切需要密度更低的鎂合金，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組件對力學性能的要求。因此，開發新型高強鎂合金越來越得到各個國家的重視。
[0003]現有技術中，CN1888109公開了一種高強度鑄造鎂合金，通過向AZ91合金中引入重量百分數為0.01?3.0wt %的Ho，提高合金的強度，室溫下合金的抗拉強度在228?277.5MPa之間，延伸率在4.0?5.8%之間。CN102534330A公開了一種高強度鑄造鎂合金，該合金的組分的重量百分數為Gd 8?14wt%、Y I?5wt%、Al 0.6?2wt%，其余為鎂及不可避免的雜質元素，經過固溶和時效處理后，該合金的抗拉強度在300?355MPa之間，屈服強度210?255MPa之間，延伸率在彡2_8%之間，具有較高的強度。但該合金中需要添加大量的Gd、Y等較昂貴的稀土元素，直接增加了合金的成本，并且增加了合金的密度，還會導致鑄造成形性能變差。CN1752251公開了一種高強度鎂合金及其制備方法，其組成成分的重量百分比分別為:Nd 2.5?3.6wt%、Zr 0.35?0.8wt%、Zn含量不大于0.4wt%、Ca含量不大于0.5wt %，其余為鎂及不可避免雜質。該合金經過固溶和時效處理后，具有較高的力學性能，抗拉強度280?320MPa，屈服強度140?155MPa，延伸率5?12%，并且合金中同樣含有較多的貴重元素(Nd 2.5?3.6wt% )，間接提高了合金的成本。
[0004]由此可見，為了更好地滿足汽車等行業對高強鑄造鎂合金的低成本、易加工、高性能的要求，發明一種兼具低成本無稀土的高強度鑄造鎂合金具有重要的經濟和社會意義。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有技術的不足，提供一種高強鑄造鎂合金及其制備方法。該鎂合金為一種新型Mg-B1-Al-Zn-Sr鎂合金，通過添加Bi，Al，Zn和Sr元素合金化之后，配合合適的固溶處理和時效處理等熱處理手段，調控合金中析出相，最終獲得高強度鎂合金，其原材料及制備成本低廉。
[0006]本發明的技術方案是:
[0007]一種高強鑄造鎂合金，是Mg-B1-Al-Zn-Sr合金，其組分的重量百分比為:Bi 3?8.0wt % ；A1 0.5 ?4.0wt % ；Ζη 0.1 ?1.0wt % ；Sr 0.05 ?0.15wt %，其余為 Mg。
[0008]所述的一種高強鑄造鎂合金的制備方法，包括以下步驟:
[0009]I)配料:以純Mg錠、純B1、純Al、純Zn和Mg-Sr中間合金為原料，按照所述的鎂合金成分進行配料；
[0010]2)熔煉:將純Mg錠放入熔煉爐的坩禍中，設定爐溫700?730 °C并保持，待其熔化后，分別將預熱到200?250°C的純B1、純Al、純Zn和Mg-Sr中間合金加入到鎂熔液中；接著升高恪煉溫度10?20°C，保溫5?10分鐘，然后機械攪拌2?5分鐘，再充入氬氣進行精煉除氣；
[0011]3)澆注:之后將爐溫調低10-30°c至澆注溫度，將鎂合金熔體澆注到相應的模具中，制得鑄態鎂合金；從熔煉到澆注的整個過程中均在C02/SFjg合氣體保護下進行；
[0012]4)固溶:對得到的鑄態鎂合金進行固溶處理，在固溶處理溫度為500?530°C，時間為4?12小時，用40?80°C溫水淬火；固溶處理的加熱和保溫過程中通入惰性氣體(氬氣)進行保護；
[0013]5)對得到的合金進行12?48小時的時效處理，時效溫度為140?200°C，得到所述高強鑄造鎂合金。
[0014]所述的Mg-Sr中間合金優選為Mg-5Sr中間合金。
[0015]所述的0)2/3?6混合氣體組成優選為體積比CO 2: SF6= 100:1ο
[0016]上述超高強度新型鎂合金的制備方法，所用的原材料和設備均通過公知的途徑獲得，所用的操作工藝是本技術領域的技術人員所能掌握的。
[0017]本發明的實質性特點為:
[0018]本發明的鎂合金以Bi為主要合金化元素，因為在200°C時Bi在Mg中的固溶度幾乎為零，而在553°C時的固溶度為8.73wt%，因此Bi元素的加入，并配合合適的固溶和時效處理，可以保障合金具有良好的時效析出強化效果。合金中的高熔點Mg3Bijg (熔點為823°C )，其高熱穩定性可以與鎂稀土合金中的高熔點強化相的熱穩定性相媲美，而價格低廉，Mg3Bi2相可有效釘扎晶界的移動，阻礙位錯運動，抑制再結晶晶粒長大，進而提高合金的力學性能。合金中Al起到固溶強化和析出強化的作用，Zn元素的少量加入，可以增強Bi在合金中的時效析出效果，同時起到一定的固溶強化作用，微量Sr元素的加入可以對合金中的第二相起到一定得細化作用。
[0019]本發明的有益效果在于:
[0020]I)全新的鎂合金系列，本發明的鎂合金以Bi元素作為主要合金元素，通過簡單的合金化手段，形成大量的Mg3Bijg，輔以少量的鋁元素和鋅元素來提高合金的強度，從而在該合金系列中開發出高強鑄造鎂合金，合金的抗拉強度276?296MPa，屈服強度155?170MPa，延伸率5.3?7.3%，達到了與稀土鎂合金相媲美的力學性能。
[0021]2)本發明中Mg-B1-Al-Zn-Sr合金的制備方法，由于所采用的原料中金屬B1、Al、Zn和Mg-Sr中間合金的恪點都比較低，恪煉簡便，節省能源。由于合金中強化相Mg3Bi^是原位生成的，所以現有的鎂合金熔煉和熱處理設備都可對其進行加工，無需額外改進，對生產設備的要求低。(設備簡單，生產效率高)
[0022]3)本發明鎂合金合金成本低廉。由于不含稀土等金屬，只添加微量的Sr (0.05-0.15wt% )。用于原位生成高熱穩定性的Mg3Bijg的金屬Bi價格低廉，合金成本低(稀土一般1000到5000元每公斤，而本專利所用的金屬Bi每公斤只用200元左右)；
可以廣泛用于汽車上鑄造零部件等民用用途。
[0023]4)本發明所開發合金具有作為耐熱鎂合金的前景。合金中的Mg3Bi2相具有較高的熔點(823°C )，可以提高合金中合金相的初始熔化溫度，使合金可以具有較好的耐熱性能，高溫時，由于熱穩定性較好，仍能釘扎晶界，其強化作用仍能保持。
[0024]5)本合金的主要合金元素Bi元素對環境和人體沒有毒害作用，屬于環境友好型材料。
[0025]6)本發明的鎂合金由于具有較好的時效析出強化效果，可以在熱塑性變形中，發生強烈的動態析出，從而還可以用于擠壓等熱塑性加工，從而得到更高強度性能的合金。
【附圖說明】
[0026]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明做進一步的描述。
[0027]圖1為實施例1所得合金的微觀組織形貌；其中，圖1a為其放大100倍時的微觀組織、圖1b為其放大200倍時的微觀組織。
[0028]圖2為實施例2所得合金的微觀組織形貌；其中，圖2a為其放大100倍時的微觀組織、圖2b為其放大200倍時的微觀組織。
[0029]圖3為實施例3所得合金的微觀組織形貌；其中，圖3a為其放大100倍時的微觀組織、圖3b為其放大200倍時的微觀組織。
[0030]圖4為實施例1、實施例2、實施例3的典型拉伸曲線。
【具體實施方式】
[0031]下面用【具體實施方式】對本發明的技術方案做進一步說明，以下實施例均在本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0032]選取三種合金成分Mg-3.8Β?-3.2A1-0.5Zn_0.05Sr (wt % )(合金 I)、Mg-6B1-2.0A1-0.6Zn_0.08Sr (wt% )(合金 2)、Mg_7.0B1-l.0Al