專利名稱：一種高強(qiáng)度az91hp鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂合金制備技術(shù)，具體為一種高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
環(huán)保、節(jié)能是21世紀(jì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略要求。鎂具有儲(chǔ)量豐富、重量輕、比強(qiáng)度高、減震性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，是理想的環(huán)保、節(jié)能材料，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。近年來(lái)受到人們廣泛關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。采用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的鎂合金往往強(qiáng)度低、耐腐蝕性能差，因此，如何改善鎂合金力學(xué)性能成為鎂合金材料研究領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。鎂合金材料力學(xué)性能的改善對(duì)鎂合金材料的應(yīng)用具有重大現(xiàn)實(shí)意義。
鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，但與鋁合金相比，鎂合金的研究和發(fā)展還很不充分，鎂合金的應(yīng)用也還很有限。目前，鎂合金的產(chǎn)量只有鋁合金的1％。鎂合金作為結(jié)構(gòu)應(yīng)用的最大用途是鑄件，其中90％以上是壓鑄件。限制鎂合金廣泛應(yīng)用的主要問(wèn)題是由于鎂元素極為活潑，鎂合金在熔煉和加工過(guò)程中極容易氧化燃燒，因此，鎂合金的生產(chǎn)難度很大；鎂合金的生產(chǎn)技術(shù)還不成熟和完善，特別是鎂合金成形技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展；鎂合金的耐蝕性較差；現(xiàn)有工業(yè)鎂合金的高溫強(qiáng)度、蠕變性能較低，限制了鎂合金在高溫(150～350℃)場(chǎng)合的應(yīng)用；鎂合金的常溫力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度和塑韌性有待進(jìn)一步提高。
近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)鎂合金材料進(jìn)行了深入研究，特別是在如何改善力學(xué)性能方面做了大量的工作。目前，改善鎂合金力學(xué)性能的途徑主要有形變硬化、晶粒細(xì)化、合金化、熱處理、鎂合金與陶瓷相復(fù)合等多種方法。
耐蝕高純AZ91HP鎂合金在鹽霧試驗(yàn)中的耐蝕性大約是AZ91C的100倍，超過(guò)了壓鑄鋁合金A380，比低碳鋼還好得多。目前，AZ91HP鎂合金的熔煉工藝為熔劑法和無(wú)熔劑熔煉法，其不足之處在于鹽和氟鹽高溫下易揮發(fā)產(chǎn)生某些有毒氣體，熔劑揮發(fā)的氣體如HCl有可能滲入合金液，成為材料使用過(guò)程中的腐蝕源，加速材料的腐蝕，降低材料的使用壽命。AZ91HP鎂合金的鑄造工藝為壓鑄技術(shù)和半固態(tài)成形技術(shù)，其不足之處在于鎂合金壓鑄時(shí)，由于壓射速度高，當(dāng)鎂液充填到模具型腔時(shí)，不可避免會(huì)有金屬液紊流及卷氣現(xiàn)象發(fā)生，造成工件內(nèi)部和表面產(chǎn)生孔洞缺陷，因此對(duì)于要求高的鑄件，如何提高其成品率是鎂合金壓鑄所面臨的主要問(wèn)題之一。鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)包括觸變鑄造，其制備預(yù)制坯料需要巨大的投資，而且關(guān)鍵技術(shù)為國(guó)外少數(shù)幾家公司所壟斷，導(dǎo)致其成本居高不下，僅適于制造需高強(qiáng)度的關(guān)鍵零件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金及其制備方法，該方法工藝成本低且簡(jiǎn)便易行，獲得的鎂合金具有較高壓縮強(qiáng)度和塑性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金，鎂合金組織由初晶α-Mg和第二相β-Mg17Al12組成，其中，初晶α-Mg所占的體積分?jǐn)?shù)為0.6-0.8，第二相β-Mg17Al12所占的體積分?jǐn)?shù)為0.2-0.4，該合金的初晶α-Mg晶粒粒徑為10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均勻、彌散分布，粒徑為3-5μm，二次枝晶間距為6-10μm。
所制備的快速凝固AZ91HP鎂合金力學(xué)性能指標(biāo)如下壓縮屈服強(qiáng)度σ0.2＝170-190Mpa；壓縮斷裂強(qiáng)度σf＝360-395Mpa；壓縮塑性應(yīng)變?chǔ)舙＝4％-8％。
所述的制備高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金的方法，采用銅模澆鑄來(lái)制備快速凝固AZ91HP鎂合金樣品，鎂合金晶粒得到細(xì)化，由于晶粒細(xì)化和第二相粒子的沉淀強(qiáng)化，使得AZ91HP鎂合金的強(qiáng)度得以提高。銅模澆鑄具體工藝參數(shù)如下真空度10-1～10-3Pa，溫度500～700℃，冷卻速度10～102K/s。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用了AZ91HP鎂合金，無(wú)需通過(guò)形變硬化和合金化來(lái)改善鎂合金的力學(xué)性能，而是通過(guò)銅模澆鑄來(lái)增大冷卻速率，使晶粒得到細(xì)化以獲得高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金，工藝成本低且簡(jiǎn)便易行。
2、本發(fā)明涉及鎂合金為鎂鋁系合金體系，其成分為Mg-9％Al-1％Zn(質(zhì)量百分比)組成，采用銅模澆鑄的方法制備。銅模澆鑄工藝的快速冷卻使合金的晶粒細(xì)化，第二相均勻、彌散分布，從而使該鎂合金具有高的壓縮強(qiáng)度和塑性。本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一種制備高壓縮強(qiáng)度AZ91HP鎂合金的新方法，拓展了鎂合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1為銅模冷卻AZ91HP的X-射線譜。
圖2為銅模冷卻AZ91HP的光學(xué)照片。
圖3為銅模冷卻AZ91HP的背散射照片。
具體實(shí)施例方式
以下通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1AZ91HP鎂合金成分包括90.023％Mg，8.97％Al，0.714％Zn，0.265％Mn，0.0078％Si，0.0019％Cu，0.001％Ni，0.0073％Fe和0.01％其它雜質(zhì)(質(zhì)量百分比)。
本發(fā)明AZ91HP鎂合金冶煉方法為常規(guī)技術(shù)，本實(shí)施例鎂合金采用真空熔煉，具體工藝參數(shù)有真空度10-1～10-3pa，加熱溫度700～850℃。將獲得的合金液體在真空度10-2pa、溫度600℃下，通過(guò)銅模澆鑄來(lái)增大冷卻速率，冷卻速度50K/s，使晶粒得到細(xì)化，以獲得高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金。鎂合金組織由初晶α-Mg和第二相β-Mg17Al12組成，本實(shí)施例中，初晶α-Mg所占的體積分?jǐn)?shù)為0.6-0.7，第二相β-Mg17Al12所占的體積分?jǐn)?shù)為0.3-0.4，該合金的初晶α-Mg晶粒粒徑為10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均勻、彌散分布，粒徑為3-5μm，二次枝晶間距為6-10μm，結(jié)果見(jiàn)圖1-3。
圖1為銅模冷卻AZ91HP的X-射線譜。經(jīng)X射線衍射分析可知，圖1中該合金包括α-Mg、β-Mg17Al12、Al8Mn5三相，其中Al8Mn5相尺寸小、數(shù)量少，很難在光學(xué)顯微鏡下觀察到。從圖中可以明顯看出快速凝固樣品的衍射譜比較寬，這可能是由于顯微組織存在內(nèi)應(yīng)力所引起的。
圖2為銅模冷卻AZ91HP的光學(xué)照片。圖2給出了其典型的組織共晶組織中的α-Mg先依附在原有的先共晶的α-Mg上，具有黑色輪廓線的離異共晶β-Mg17Al12以不規(guī)則的塊狀分布于晶界上，然后析出片層狀的二次β-Mg17Al12。
圖3為銅模冷卻AZ91HP的背散射照片。由于Al8Mn5相在光學(xué)顯微鏡下很難被觀察到，但是在掃描電鏡的背散射照片中很容易被觀察到，這些顆粒細(xì)小、均勻的分布在基體上，粒度在3μm以下，為雜質(zhì)相，對(duì)鎂合金性能影響很小，其體積分?jǐn)?shù)含量在5％以下。
由于晶粒細(xì)化和第二相粒子的沉淀強(qiáng)化，使得AZ91HP鎂合金的強(qiáng)度得以提高，該合金具有較高的壓縮強(qiáng)度，其性能指標(biāo)如下壓縮屈服強(qiáng)度σ0.2＝185MPa；壓縮斷裂強(qiáng)度σf＝370MPa；壓縮塑性應(yīng)變?chǔ)舙＝4.6％。
相關(guān)比較例1AZ91HP鎂合金冶煉方法具體工藝參數(shù)同上，鑄造過(guò)程是采用的鎂合金液澆注溫度為690℃，初始模具的溫度為420℃，內(nèi)澆口速度為0.5m/s。
性能指標(biāo)如下壓縮屈服強(qiáng)度σ0.2＝135MPa；壓縮斷裂強(qiáng)度σf*＝275MPa；壓縮塑性應(yīng)變?chǔ)舙＝3.16％。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于將鎂合金液體在真空度10-1Pa、溫度500℃下，通過(guò)銅模澆鑄來(lái)增大冷卻速率，冷卻速度10K/s，使晶粒得到細(xì)化，以獲得高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金。本實(shí)施例中，初晶α-Mg所占的體積分?jǐn)?shù)為0.65-0.75，第二相β-Mg17Al12所占的體積分?jǐn)?shù)為0.25-0.35，該合金的初晶α-Mg晶粒粒徑為10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均勻、彌散分布，粒徑為3-5μm，二次枝晶間距為6-10μm。由于晶粒細(xì)化和第二相粒子的沉淀強(qiáng)化，使得AZ91HP鎂合金的強(qiáng)度得以提高，該合金具有較高的壓縮強(qiáng)度，其性能指標(biāo)如下壓縮屈服強(qiáng)度σ0.2＝170MPa；壓縮斷裂強(qiáng)度σf＝360MPa；壓縮塑性應(yīng)變?chǔ)舙＝4％。
實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于將鎂合金液體在真空度10-3pa、溫度700℃下，通過(guò)銅模澆鑄來(lái)增大冷卻速率，冷卻速度102K/s，使晶粒得到細(xì)化，以獲得高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金。本實(shí)施例中，初晶α-Mg所占的體積分?jǐn)?shù)為0.6-0.7，第二相β-Mg17Al12所占的體積分?jǐn)?shù)為0.3-0.4，該合金的初晶α-Mg晶粒粒徑為10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均勻、彌散分布，粒徑為3-5μm，二次枝晶間距為6-10μm。由于晶粒細(xì)化和第二相粒子的沉淀強(qiáng)化，使得AZ91HP鎂合金的強(qiáng)度得以提高，該合金具有較高的壓縮強(qiáng)度，其性能指標(biāo)如下壓縮屈服強(qiáng)度σ0.2＝190MPa；壓縮斷裂強(qiáng)度σf＝395MPa；壓縮塑性應(yīng)變?chǔ)舙＝8％。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金，其特征在于鎂合金組織由初晶α-Mg和第二相β-Mg17Al12組成，其中，初晶α-Mg所占的體積分?jǐn)?shù)為0.6-0.8，第二相β-Mg17Al12所占的體積分?jǐn)?shù)為0.2-0.4，該合金的初晶α-Mg晶粒粒徑為10-20μm，第二相β-Mg17Al12粒子均勻、彌散分布，粒徑為3-5μm，二次枝晶間距為6-10μm。
2.按照權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金的制備方法，其特征在于采用銅模澆鑄來(lái)制備快速凝固AZ91HP鎂合金樣品，使鎂合金晶粒細(xì)化和第二相粒子的沉淀強(qiáng)化，使得AZ91HP鎂合金的強(qiáng)度得以提高。
3.按照權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金的制備方法，其特征在于銅模澆鑄具體工藝參數(shù)如下真空度10-1～10-3Pa，溫度500～700℃，冷卻速度10～102K/s。
4.按照權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金的制備方法，其特征在于所得鎂合金力學(xué)性能指標(biāo)如下壓縮屈服強(qiáng)度σ0.2＝170-190MPa；壓縮斷裂強(qiáng)度σf＝360-395MPa；壓縮塑性應(yīng)變?chǔ)舙＝4％-8％。
全文摘要
本發(fā)明涉及鎂合金制備技術(shù)，具體為一種高強(qiáng)度AZ91HP鎂合金及其制備方法。該合金為鎂鋁系合金體系，其成分為Mg－9％Al－1％Zn(質(zhì)量百分比)組成，該合金的初晶α－Mg晶粒粒徑為10－20μm，第二相β－Mg
文檔編號(hào)B22D21/04GK101074466SQ20061004658
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者張海峰, 蔡靜, 李宏, 王愛(ài)民, 孫文聲, 劉正, 胡壯麒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所