專利名稱：含硅的高鋅鎂合金及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于熔體壓鑄或重力鑄造的低成本高性能的含硅的高鋅鎂合金及其制備工藝。
背景技術(shù)：
鎂合金作為金屬中最輕的工業(yè)結(jié)構(gòu)材料，具有最好的阻尼性能、較高的比強度和比剛度以及良好的磁屏蔽性能等特點，倍受工業(yè)界的青睞，被譽為“21世紀(jì)最具開發(fā)潛力和應(yīng)用前景的綠色工程材料”。目前在汽車上應(yīng)用最廣的鎂合金是Mg-Al系列，如AZ91和AM60等，用以制造儀表盤、手動變速箱和座椅框架等。但這類Mg-Al系列的合金只能用于常溫下，當(dāng)溫度超過120℃時，合金的力學(xué)性能就會大幅度下降。目前，國內(nèi)外的研究主要是向Mg-Al系列合金中添加RE、Ca、Si、Sb等元素來提高其耐熱性能。已經(jīng)開發(fā)出來的AS(AS21、AS41)和AE(AE22、AE42、AE51)系列鎂合金雖然具有良好的高溫力學(xué)性能，但它們的鑄造性能差或成本昂貴使得其在汽車上難以廣泛應(yīng)用。
Mg-Zn-Al系合金當(dāng)Zn/Al原子比較高時，主要析出相為Mg32(Al，Zn)49和MgZn等熱強相，屬新型的耐熱系合金。但該系合金的結(jié)晶溫度間隔較大，致使其鑄造性能較差。
A.Lou等人研究的ZAC8506合金，通過向Mg-8Zn-5Al合金中加入0.6％的Ca來提高其高溫性能和降低熱裂傾向，其最大抗拉強度達(dá)到219MPa，150℃下延伸率達(dá)到10.5％，熱裂減少。但是Ca非常難加入，而且降低合金的抗蝕性(A.Lou andT.Shinoda，Development of a creep-resistant magnesium alloy for die castingapplications，Magnesium alloys and their applications，B.L.Mordike andK.U.Kainer，Werkstoff-Informationsgeserschaft，Wolfsburg，Germany，1998，p151)王迎新等研究了Mg-(6～10)Zn-(3～5)Al-0.3Mn-(0.5～1.5)RE合金的顯微組織和力學(xué)性能，室溫下最大抗拉強度達(dá)到220MPa，屈服強度達(dá)到161MPa。鑄造性能良好。
宋海寧等人研究了Mg-6Zn-1Si-0.25Ca合金的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明加Ca較明顯地細(xì)化了漢字形Mg2Si及基體組織，合金的室溫抗拉強度達(dá)170MP(宋海寧，袁廣銀等.耐熱Mg-Zn-Si-Ca合金的顯微組織和力學(xué)性能[J].中國有色屬學(xué)報，2002，12(5)956-960.)。但加Ca同樣面臨難加和降低抗蝕性的問題。
Kim J J，Kim D H等人研究了AZ51合金中加入0.7Si，同時加入0.2Ca或0.03P，顯著細(xì)化了漢字形Mg2Si及基體組織，室溫下最大抗拉強度達(dá)到213MPa(擠壓)(Kim J J，Kim DH，et al.Modification of Mg2Si morphology in squeeze castMg-Al-Zn-Si alloys by Ca or P addition.Scripta Materialia，1999，41(3)333-340.)。但是純磷加入時易燃燒，產(chǎn)生大量煙霧污染環(huán)境。
袁廣銀等研究了AZ51合金中加入0.7Si，同時加入0.5Sb后，漢字形Mg2Si及基體組織得到顯著細(xì)化，室溫最大抗拉強度達(dá)235MPa，150℃下最大延伸率達(dá)到14％。該合金專利號為1341766。但是Sb的密度大，易產(chǎn)生比重偏析。
Adachi等研究了Mg-(6～12)Al-(0.01～2.0)Zn-(0.3～1.5)Si-(0.1～0.2)Sr合金的顯微組織和力學(xué)性能，其最大抗拉強度達(dá)到280MPa(壓鑄)，同時熱裂減少(專利號WO9740201)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服高鋅鎂合金結(jié)晶區(qū)間大、鑄造性能差的缺點，通過加Si、加AlP改善其不足，從而提供一種具有良好鑄造性能和力學(xué)性能、適用于壓鑄、砂鑄和金屬型鑄造的低成本高溫高強的含硅的高鋅鎂合金及其制備工藝。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是以下述方式實現(xiàn)的一種鑄造或壓鑄含硅的高鋅鎂合金，其各組成成分質(zhì)量份數(shù)為6～10％Zn2～5％Al0.2～0.4％Mn0.3～1.6％Si余量為Mg。
為進(jìn)一步改善含硅鎂合金的組織和性能，本發(fā)明的技術(shù)方案還可以以下述方式實現(xiàn)一種鑄造或壓鑄含硅的高鋅鎂合金，其各組成成分質(zhì)量份數(shù)為6～10％Zn2～5％Al
0.2～0.4％Mn0.3～1.6％Si0.001～0.1％AlP(AlP的量是按P量計算)余量為Mg。
所述的鑄造或壓鑄含硅的高鋅鎂合金制備工藝為1)坩堝燒至暗紅(400～500℃)，內(nèi)壁及底部撒上JDRJ1覆蓋劑，加入工業(yè)純鎂錠、鋁錠及Al-Mn中間合金，并在其上撒覆蓋劑，升溫至700～740℃。2)待爐料全部熔化后加入純Zn3)待Zn熔化后，加入Al-Si中間合金，升溫至740～780℃，保溫20～50分鐘；4)精煉精煉溫度為700～750℃，精煉劑為JDRJ2；5)將坩堝放入爐中，升溫至750～780℃，保溫20～30分鐘，熔體降溫至720～750℃時澆入金屬型模具中。
所述的鑄造或壓鑄含硅的高鋅鎂合金制備工藝為1)坩堝燒至暗紅(400～500℃)，內(nèi)壁及底部撒上JDRJ1覆蓋劑，加入工業(yè)純鎂錠、鋁錠及Al-Mn中間合金，并在其上撒覆蓋劑，升溫至700～740℃；2)待爐料全部熔化后加入純Zn；3)待Zn熔化后，加入Al-Si中間合金，升溫至740～780℃，保溫20～50分鐘；4)加入AlP，升溫至770～800℃，保溫20～60分鐘，5)精煉精煉溫度為700～750℃，精煉劑JDRJ2；6)坩堝放入爐中，升溫至750～780℃，保溫20～30分鐘，熔體降溫至720～750℃時澆入金屬型模具中。
本發(fā)明的發(fā)明點在于設(shè)計了新的高鋅鎂合金的合金配方并制訂了相應(yīng)的制備工藝。
由于元素Si的加入，使合金流動性最大值達(dá)到975mm(螺旋試樣法)，鑄造性能顯著改善。同時由于Mg2Si高熔點、低密度、高彈性模量及低熱膨脹系數(shù)等特點，使得合金的力學(xué)性能也得到提高。該合金主要組成相為α(Mg)相、τ(Mg32(Al，Zn)49)相、(Al2Mg5Zn2)相及Mg2Si相。當(dāng)Si量達(dá)到0.9％以上時，發(fā)生τ(Mg32(Al，Zn)49)相向(Al2Mg5Zn2)相的轉(zhuǎn)變，使得合金由不加Si時的以析出τ相為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕龀霁邢酁橹?Si量在0.9％以上)，同時形成新相Mg3ZnAl。
加入變質(zhì)劑AlP后，AlP作為Mg2Si初生相的異質(zhì)核心，使其由粗大的漢字狀變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀，平均尺寸由原來的252μm降到8μm左右，同時分布也更趨均勻、彌散；基體組織也得到明顯細(xì)化，合金的平均晶粒尺寸由原來的100μm左右降到40μm左右，三元相也有不同程度的斷開，合金的常溫及高溫(150℃)拉伸性能顯著提高，最大拉伸強度(室溫)達(dá)到230Mp。
本發(fā)明的積極效果1、在高鋅鎂合金中加入低成本元素Si，提高了合金的流動性，從而改善了鑄造性能。同時由于Mg2Si的高熔點、與基體相近的低密度、低熱膨脹系數(shù)等特點，使得合金的力學(xué)性能也得到改善。
2、將變質(zhì)劑AlP以鋁基中間合金形式加入到合金中，顯著細(xì)化了漢字形Mg2Si及基體組織，改善了力學(xué)性能，而且由于該變質(zhì)劑成本低廉，用量少，并不使合金成本增加，同時也證明了該變質(zhì)劑(中間合金)在鎂合金中易于加入，易于吸收，無污染，無反應(yīng)渣，變質(zhì)效果長效穩(wěn)定等特點，屬于環(huán)保型變質(zhì)劑，克服了現(xiàn)有的該類變質(zhì)劑的種種不足。
3、本發(fā)明人研究中發(fā)現(xiàn)合金中當(dāng)加入Si量超過0.9％時，組織中τ(Mg32(Al，Zn)49)相大部分轉(zhuǎn)化成(Al2Mg5Zn2)相，再加入AlP后，組織中相又轉(zhuǎn)化成τ相這一現(xiàn)象。由于τ相熱穩(wěn)定性優(yōu)于相，這種相轉(zhuǎn)化對提高合金的高溫性能很有益處。此外，當(dāng)合金中Si量在0.9％以上時，組織中還生成了新相Mg3ZnAl。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明實施例1(1#合金)Mg-6Zn-3Al-0.3Mn-0.36Si制備工藝1)坩堝燒至暗紅(400℃)，內(nèi)壁及底部撒上JDRJ1覆蓋劑(上海交通大學(xué)生產(chǎn))，加入工業(yè)純鎂錠、鋁錠及Al-Mn中間合金，并在其上撒覆蓋劑，放入爐中升溫至720℃；2)爐料全部熔化后加入純Zn；3)待Zn熔化后，加入Al-Si中間合金，升溫至760℃，保溫40分鐘；4)取出坩堝，扒渣，精煉；精煉溫度為730℃，精煉劑JDRJ2(上海交大生產(chǎn))用鋁箔包好放入鐘罩內(nèi)，浸入鎂液2/3處上下攪動，同時不斷往液面撒精練劑，直到鎂液表面不再有白色氧化物從熔池下部翻上來，液面呈光亮鏡面為止。扒渣，撒上點覆蓋劑；5)坩堝放入爐中，升溫至750℃，保溫30分鐘，熔體降溫至720℃時澆入8*φ25*100金屬型(預(yù)熱至200℃)及螺旋式流動性測試砂型中，測得流動性為600mm，用澆得試棒制備金相及SEM、XRD試樣以及力學(xué)性能試棒，力學(xué)性能試棒的熱處理工藝為335℃*12h，水淬，175℃*8h。經(jīng)SEM能譜分析及XRD相分析確定該合金組成相為α(Mg)相、τ(Mg32(Al，Zn)49)相、Mg2Si相及少量(Al2Mg5Zn2)相。其中Mg2Si相呈塊狀，晶粒尺寸由加Si前的130μm降至90μm左右。合金組織中由于形成了高熔點、低密度、高彈性模量及低熱膨脹系數(shù)的Mg2Si，使得合金的力學(xué)性能得到提高。如表1所示。
實施例2(2#合金)Mg-10Zn-5Al-0.3Mn-0.71Si制備工藝1)坩堝燒至暗紅(450℃)，內(nèi)壁及底部撒上JDRJ1覆蓋劑(上海交通大學(xué)生產(chǎn))，加入工業(yè)純鎂錠、鋁錠及Al-Mn中間合金，并在其上撒覆蓋劑，2)將坩鍋放入爐子內(nèi)升溫至730℃，2)爐料全部熔化后加入純Zn；3)加入Al-Si中間合金后爐子升溫至780℃，保溫30分鐘，4)取出坩堝，扒渣，精煉；精煉溫度為750℃，精煉劑JDRJ2(上海交大生產(chǎn))用鋁箔包好放入鐘罩內(nèi)，浸入鎂液2/3處上下攪動，同時不斷往液面撒精練劑，直到鎂液表面不再有白色氧化物從熔池下部翻上來，液面呈光亮鏡面為止。扒渣，撒上點覆蓋劑；5)坩堝放入爐中，升溫至760℃，保溫30分鐘，熔體降溫至730℃時澆入8*φ25*100金屬型(預(yù)熱至200℃)及螺旋式流動性測試砂型中，測得流動性為710mm，用澆得試棒制備金相及SEM、XRD試樣以及力學(xué)性能試棒，力學(xué)性能試棒的熱處理工藝為335℃*12h，水淬，175℃*8h。經(jīng)SEM能譜分析及XRD相分析確定該合金組成相為α(Mg)相、τ(Mg32(Al，Zn)49)相、(Al2Mg5Zn2)相及Mg2Si相。其中Mg2Si相主要呈漢字狀，合金晶粒尺寸為80μm左右。合金的力學(xué)性能如表1所示。
實施例3(3#合金)Mg-8Zn-4Al-0.3Mn-0.96Si-AlP(按P量計算為0.01％)制備工藝1)坩堝燒至暗紅(450℃)，內(nèi)壁及底部撒上JDRJ1覆蓋劑，加入工業(yè)純鎂錠、鋁錠及Al-Mn中間合金，并在其上撒覆蓋劑，升溫至730℃。2)爐料全部熔化后加入純Zn；3)待Zn熔化后，加入Al-Si中間合金，升溫至780℃，保溫30分鐘；4)加入AlP，升溫至790℃，保溫30分鐘，攪拌均勻；5)取出坩堝，扒渣，精煉；精煉溫度為740℃。精煉劑JDRJ2用鋁箔包好放入鐘罩內(nèi)，浸入鎂液2/3處上下攪動，同時不斷往液面撒精練劑，直到鎂液表面不再有白色氧化物從熔池下部翻上來，液面呈光亮鏡面為止；扒渣，撒上點覆蓋劑；6)坩堝放入爐中，升溫至760℃，保溫20分鐘；熔體降溫至730℃時澆入8*φ25*100金屬型模具(預(yù)熱至200℃)及螺旋式流動性測試砂型中，測得流動性為720mm，用澆得試棒制備金相及SEM、XRD試樣以及力學(xué)性能試棒，力學(xué)性能試棒的熱處理工藝為335℃*12h，水淬，175℃*8h。經(jīng)SEM能譜分析及XRD相分析確定該合金組成相為α(Mg)相、τ(Mg32(Al，Zn)49)相、Mg2Si相以及少量(Al2Mg5Zn2)相和新相Mg3ZnAl。由于變質(zhì)劑AlP的加入，基體合金中原有的漢字形Mg2Si相變?yōu)榧?xì)小彌散分布的顆粒狀，同時基體組織也得到顯著細(xì)化，合金的力學(xué)性能有較大的改進(jìn)。如表1所示。
表1合金的力學(xué)性能

權(quán)利要求
1.一種鑄造或壓鑄含硅的高鋅鎂合金，其各組成成分質(zhì)量份數(shù)為6～10％Zn，2～5％Al，0.2～0.4％Mn，0.3～1.6％Si，余量為Mg。
2.一種鑄造或壓鑄含硅的高鋅鎂合金，其各組成成分質(zhì)量份數(shù)為6～10％Zn，2～5％Al，0.2～0.4％Mn，0.3～1.6％Si，0.001～0.1％AlP(AIP的量是按P量計算)，余量為Mg。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造或壓鑄含硅的高鋅鎂合金的制備工藝，其特征在于1)坩堝燒至暗紅(400～500℃)，內(nèi)壁及底部撒上JDRJ1覆蓋劑，加入工業(yè)純鎂錠、鋁錠及Al-Mn中間合金，并在其上撒覆蓋劑，升溫至700～740℃；2)待爐料全部熔化后加入純Zn；3)待Zn熔化后，加入Al-Si中間合金，升溫至740～780℃，保溫20～50分鐘；4)精煉精煉溫度為700～750℃，精煉劑為JDRJ2；5)將坩堝放入爐中，升溫至750～780℃，保溫20～30分鐘，熔體降溫至720～750℃時澆入金屬型模具中。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求2所述的鑄造或壓鑄含Si鎂合金的制備工藝，其特征在于1)坩堝燒至暗紅(400～500℃)，內(nèi)壁及底部撒上JDRJ1覆蓋劑，加入工業(yè)純鎂錠、鋁錠及Al-Mn中間合金，并在其上撒覆蓋劑，升溫至700～740℃；2)待爐料全部熔化后加入純Zn；3)待Zn熔化后，加入Al-Si中間合金，升溫至740～780℃，保溫20～50分鐘；4)加入AlP，升溫至770～800℃，保溫20～60分鐘，5)精煉精煉溫度為700～750℃，精煉劑JDRJ2；6)坩堝放入爐中，升溫至750～780℃，保溫20～30分鐘，熔體降溫至720～750℃時澆入金屬型模具中。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎂合金的熔煉工藝，其特征在于1)坩堝燒至暗紅(400～500℃)，內(nèi)壁及底部撒上JDRJ1覆蓋劑，加入工業(yè)純鎂錠、鋁錠及Al-Mn中間合金，并在其上撒覆蓋劑，升溫至700～740℃；2)爐料全部熔化后加入純Zn；3)待Zn熔化后，加入Al-Si中間合金，升溫至740～780℃，保溫20～50分鐘；4)取出坩堝，扒渣，精煉；精煉溫度為700～750℃；精煉劑JDRJ2用鋁箔包好放入鐘罩內(nèi)，浸入鎂液2/3處上下攪動，同時不斷往液面撒精練劑，直到鎂液表面不再有白色氧化物從熔池下部翻上來，液面呈光亮鏡面為止，扒渣，撒上點覆蓋劑；5)坩堝放入爐中，升溫至750～780℃，保溫20～30分鐘，熔體降溫至720～750℃時澆入預(yù)熱至200～300℃的金屬型模具中。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鎂合金的熔煉工藝，其特征在于1)坩堝燒至暗紅(400～500℃)，內(nèi)壁及底部撒上JDRJ1覆蓋劑，加入工業(yè)純鎂錠、鋁錠及Al-Mn中間合金，并在其上撒覆蓋劑，升溫至700～740℃；2)爐料全部熔化后加入純Zn；3)待Zn熔化后，加入Al-Si中間合金，升溫至740～780℃，保溫20～50分鐘；4)加入AlP，升溫至770～800℃，保溫20～60分鐘，攪拌均勻；5)、取出坩堝，扒渣，精煉；精煉溫度為700～750℃，精煉劑JDRJ2用鋁箔包好放入鐘罩內(nèi)，浸入鎂液2/3處上下攪動，同時不斷往液面撒精練劑，直到鎂液表面不再有白色氧化物從熔池下部翻上來，液面呈光亮鏡面為止；扒渣，撒上點覆蓋劑；6)坩堝放入爐中，升溫至750～780℃，保溫20～30分鐘；熔體降溫至720～750℃時澆入預(yù)熱至200～300℃的金屬型模具中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含硅的高鋅鎂合金及其制備工藝，其各組成成分質(zhì)量份數(shù)為6～10％Zn，2～5％Al，0.2～0.4％Mn，0.3～1.6％Si，余量為Mg，Si的加入，形成Mg
文檔編號C22C23/00GK1546711SQ20031011019
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月3日
發(fā)明者關(guān)紹康, 張春香, 王建強, 王迎新, 石廣新 申請人:鄭州大學(xué)