本發(fā)明涉及一種輕金屬結(jié)構(gòu)材料，尤其是涉及一種耐熱鎂合金。

背景技術(shù)：

鎂合金具有密度小，比強度高等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域。但是，鑄造鎂合金普遍存在強度較低、高溫耐熱性能不足等問題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。目前應(yīng)用較多的鑄造鎂合金主要為mg-al-zn(mn)體系。由于熱裂、耐腐蝕性能等原因，mg-al-zn(mn)體系鎂合金中zn元素的含量被限制在1％以內(nèi)(質(zhì)量百分數(shù))。研究發(fā)現(xiàn)，通過選擇合適的zn/al比值，高鋅含量mg-zn-al合金同樣具有良好的鑄造性能及耐腐蝕性能。并且，該種合金的高溫力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的低鋅mg-al-zn(mn)合金，被認為是一種低成本的耐熱鎂合金體系。然而，由于mg-zn-al合金的鑄造性能(如抗熱裂性能)對鑄造工藝極其敏感，而且大量粗大、硬脆共晶第二相的形成導(dǎo)致合金的室溫塑性較差，因此該體系合金一直未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。

微量或少量堿土金屬元素(ca和sr等)的加入可以提高mg-zn-al體系合金的耐熱性能，但是會給合金帶來粘模等鑄造問題。在mg-zn-al合金中加入較高含量的輕稀土(或混合輕稀土)可以減少或抑制低熔點、粗大共晶第二相，生成高熱穩(wěn)定性的al2rezn2、al2re和al11re3(re為稀土)等第二相。而且，通過控制zn、al及re的含量，mg-zn-al-re合金具有良好的鑄造性能以及室溫和高溫強塑性。因此，進一步降低成本，發(fā)展通過稀土合金化和其它合金化元素共同作用改善mg-zn-al合金鑄造性能及力學(xué)性能的合金化方法，具有重要的工程應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種mg-zn-al-re-ca耐熱鎂合金，由以下的組分(質(zhì)量百分數(shù))組成：鋅2-8％、鋁2-8％、稀土0.1-4％、鈣0.1-4％、雜質(zhì)元素含量少于0.2％，其余為鎂。

本發(fā)明的有益效果包括：

1)鋅是主要合金化元素，鋅的添加可以改善合金的塑性，鋅在鎂中 的最大固溶度(質(zhì)量百分數(shù))為6.2％，且固溶度隨溫度的降低而減小,具有固溶強化和時效強化的雙重作用，而且zn在蠕變過程中向晶界偏聚，從而限制位錯蠕變。

2)鋁是主要的合金化元素，可以改善鎂合金的流動性，從而提高鑄造性能。

3)稀土在本發(fā)明中有雙重作用：首先，稀土在本發(fā)明中是用于提高耐熱性能的元素，稀土加入后與zn、al生成al2re和al2rezn2等高熔點第二相；而且稀土能提高mg-zn-al-ca的鑄造性能。

4)鈣是本發(fā)明中用于提高耐熱性能的元素，鈣加入后生成ca2mg6zn3,al-ca和al-mg-ca等高熱穩(wěn)定性第二相。而且，鈣的添加可以細化枝晶組織,從而提高室溫和高溫力學(xué)性能。此外，鈣的成本低廉，可用于工業(yè)生產(chǎn)。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明的實施例1－4的室溫拉伸力學(xué)性能。

圖2顯示了本發(fā)明的實施例1－4的高溫拉伸力學(xué)性能。

圖3顯示了本發(fā)明的實施例1－4的差示掃描量熱法測定的加熱曲線。

圖4顯示了本發(fā)明的實施例1和3-6的樣品實物的鑄件表面質(zhì)量。

圖5顯示了本發(fā)明的實施例3的鑄態(tài)組織。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種mg-zn-al-re-ca耐熱鎂合金，該耐熱鎂合金具有高溫強度好，鑄造性能優(yōu)良，低成本等特點。

一種mg-zn-al-re-ca耐熱鎂合金，其特征在于包括鋅、鋁、稀土、鈣和鎂，其配比(質(zhì)量百分數(shù))為：鋅2-8％，鋁2-8％，稀土：0.1％-4％，鈣：0.1％-4％；本發(fā)明實施例所用的稀土和鈣分別以mg-re和mg-ca中間合金的形式加入,中間合金的成分(質(zhì)量百分數(shù))為mg-30re,mg-20ca。本發(fā)明實例所涉及到的原料鎂(mg)、鋅(zn)、鋁(al)中間合金mg-re和mg-ca均為市場售品。原料的純度為mg:99.9％；al:99.9％；zn:99.9％；mg-30re:99.5％；mg-20ca:99.5％。

實施例1

配料：

按下述質(zhì)量百分數(shù)進行配料：zn:4％；al:4％；re:3％；ca:1％，余量為mg。本實例的稀土為富鑭混和稀土。上述原料經(jīng)過機械打磨，除去表面的污物、氧化物。熔煉前，原料在在干燥箱中預(yù)熱至175℃，經(jīng) 過20min加熱除去水分。

準備：

采用45#鋼模具，預(yù)先在模具上刷一層涂料，將模具預(yù)熱至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆蓋劑為nacl和kcl,配比為nacl：kcl＝3:1(質(zhì)量百分數(shù))。精煉劑的成分為85-90％(質(zhì)量百分數(shù))覆蓋劑+10-15％caf2(質(zhì)量百分數(shù))。

攪拌棒，撈渣勺和坩堝等工具在175℃預(yù)熱20min。

制備：

首先，在坩堝底部預(yù)撒一層覆蓋劑，并將坩堝加熱至暗紅色，投入鎂錠，將爐溫升至780℃。待鎂錠全部熔化后，依次加入純zn，純al，mg-20ca中間合金，mg-30re中間合金，再次撒上覆蓋劑。當(dāng)原料全部熔化后，用鋁箔包裹精煉劑按入熔體中，用攪拌棒精煉3min。用撈渣勺除去表面浮渣。然后，將爐溫降至740℃，靜置20min。扒渣，澆鑄。

實施例2

配料：

按下述質(zhì)量百分數(shù)進行配料：zn:4％；al:4％；re:2.5％；ca:1.5％，余量為mg。本實例的稀土為富鑭混和稀土。上述原料經(jīng)過機械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔煉前，原料在在干燥箱中預(yù)熱至175℃，經(jīng)過20min加熱除去水分。

準備：

采用45#鋼模具，預(yù)先在模具上刷一層涂料，將模具預(yù)熱至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆蓋劑為nacl和kcl,配比為nacl：kcl＝3:1(質(zhì)量百分數(shù))。精煉劑的成分為85-90％(質(zhì)量百分數(shù))覆蓋劑+10-15％caf2(質(zhì)量百分數(shù))。

攪拌棒，撈渣勺和坩堝等工具在175℃預(yù)熱20min。

制備：

首先，在坩堝底部預(yù)撒一層覆蓋劑，并將坩堝加熱至暗紅色，投入鎂錠，將爐溫升至780℃。待鎂錠全部熔化后，加入純zn，純al，mg-20ca中間合金，mg-30re中間合金，再次撒上覆蓋劑。當(dāng)原料全部熔化后，用鋁箔包裹精煉劑按入熔體中，用攪拌棒精煉3min。用撈渣勺除去表面浮渣。然后，將爐溫降至740℃，靜置20min。扒渣，澆鑄。

實施例3

配料：

按下述質(zhì)量百分數(shù)進行配料：zn:4％；al:4％；re:2％；ca:2％，余量為mg。本實例的稀土為富鑭混和稀土。上述原料經(jīng)過機械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔煉前，原料在在干燥箱中預(yù)熱至175℃，經(jīng)過20min加熱除去水分。

準備：

采用45#鋼模具，預(yù)先在模具上刷一層涂料，將模具預(yù)熱至200 ℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆蓋劑為nacl和kcl,配比為nacl：kcl＝3:1(質(zhì)量百分數(shù))。精煉劑的成分為85-90％(質(zhì)量百分數(shù))覆蓋劑+10-15％caf2(質(zhì)量百分數(shù))。

攪拌棒，撈渣勺和坩堝等工具在175℃預(yù)熱20min。

制備：

首先，在坩堝底部預(yù)撒一層覆蓋劑，并將坩堝加熱至暗紅色，投入鎂錠，將爐溫升至780℃。待鎂錠全部熔化后，加入純zn，純al，mg-20ca中間合金，mg-30re中間合金，再次撒上覆蓋劑。當(dāng)原料全部熔化后，用鋁箔包裹精煉劑按入熔體中，用攪拌棒精煉3min。用撈渣勺除去表面浮渣。然后，將爐溫降至740℃，靜置20min。扒渣，澆鑄。

實施例4

配料：

按下述質(zhì)量百分數(shù)進行配料：zn:4％；al:4％；re:1％；ca:3％，余量為mg。本實例的稀土為富鑭混和稀土。上述原料經(jīng)過機械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔煉前，原料在在干燥箱中預(yù)熱至175℃，經(jīng)過20min加熱除去水分。

準備：

采用45#鋼模具，預(yù)先在模具上刷一層涂料，將模具預(yù)熱至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆蓋劑為nacl和kcl,配比為nacl：kcl＝3:1(質(zhì)量量百分數(shù))。精煉劑的成分為85-90％(質(zhì)量百分數(shù))覆蓋劑+10-15％caf2(質(zhì)量百分數(shù))。

攪拌棒，撈渣勺和坩堝等工具在175℃預(yù)熱20min。

制備：

首先，在坩堝底部預(yù)撒一層覆蓋劑，并將坩堝加熱至暗紅色，投入鎂錠，將爐溫升至780℃。待鎂錠全部熔化后，加入純zn，純al，mg-20ca中間合金，mg-30re中間合金，再次撒上覆蓋劑。當(dāng)原料全部熔化后，用鋁箔包裹精煉劑按入熔體中，用攪拌棒精煉3min。用撈渣勺除去表面浮渣。然后，將爐溫降至740℃，靜置20min。扒渣，澆鑄。

實施例5

配料：

按下述質(zhì)量百分數(shù)進行配料：zn:6％；al:2％；re:1％；ca:3％，余量為mg。本實例的稀土富鈰混和稀土。上述原料經(jīng)過機械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔煉前，原料在在干燥箱中預(yù)熱至175℃，經(jīng)過20min加熱除去水分。

準備：

采用45#鋼模具，預(yù)先在模具上刷一層涂料，將模具預(yù)熱至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆蓋劑為nacl和kcl,配比為nacl：kcl＝3:1(質(zhì)量百分數(shù))。精煉劑的成分為85-90％(質(zhì)量百分數(shù))覆蓋劑+10-15％caf2(質(zhì)量百分數(shù))。

攪拌棒，撈渣勺和坩堝等工具在175℃預(yù)熱20min。

制備：

首先，在坩堝底部預(yù)撒一層覆蓋劑，并將坩堝加熱至暗紅色，投入鎂錠，將爐溫升至780℃。待鎂錠全部熔化后，加入純zn，純al，mg-20ca中間合金，mg-30re中間合金，再次撒上覆蓋劑。當(dāng)原料全部熔化后，用鋁箔包裹精煉劑按入熔體中，用攪拌棒精煉3min。用撈渣勺除去表面浮渣。然后，將爐溫降至740℃，靜置20min。扒渣，澆鑄。

實施例6

配料：

按下述質(zhì)量百分數(shù)進行配料：zn:2％；al:6％；re:1％；ca:3％，余量為mg。本實例的稀土為富鈰混和稀土。上述原料經(jīng)過機械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔煉前，原料在在干燥箱中預(yù)熱至175℃，經(jīng)過20min加熱除去水分。

準備：

采用45#鋼模具，預(yù)先在模具上刷一層涂料，將模具預(yù)熱至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆蓋劑為nacl和kcl,配比為nacl：kcl＝3:1(質(zhì)量百分數(shù))。精煉劑的成分為85-90％(質(zhì)量百分數(shù))覆蓋劑+10-15％caf2(質(zhì)量百分數(shù))。

攪拌棒，撈渣勺和坩堝等工具在175℃預(yù)熱20min。

制備：

首先，在坩堝底部預(yù)撒一層覆蓋劑，并將坩堝加熱至暗紅色，投入鎂錠，將爐溫升至780℃。待鎂錠全部熔化后，加入純zn，純al，mg-20ca(質(zhì)量百分數(shù))中間合金，mg-30la(質(zhì)量百分數(shù))中間合金，再次撒上覆蓋劑。當(dāng)原料全部熔化后，用鋁箔包裹精煉劑按入熔體中，用攪拌棒精煉3min。用撈渣勺除去表面浮渣。然后，將爐溫降至740℃，靜置20min。扒渣，澆鑄。

圖1和圖2分別是實施例1-4的室溫和高溫拉伸曲線，從圖1和圖2可以看出在mg-zn-al系合金中添加re和ca得到了較優(yōu)的力學(xué)性能。圖1是實施例1-4的樣品的室溫拉伸曲線，可見，通過re與ca的復(fù)合添加合金的抗拉強度高于156mpa，屈服強度高于72mpa，延伸率大于2.4％。圖2是實施例1-4的樣品的高溫(175℃)拉伸曲線，從圖中可以看出：隨著溫度的升高，合金的抗拉強度損失并未變得很大。當(dāng)re與ca的含量分別為2％和2％(質(zhì)量百分數(shù))時，得到了較優(yōu)的力學(xué)性能。

從圖3和圖4顯示了添加re和ca能改善mg-zn-al的的鑄造性能。圖3是差示掃描量熱法所測的實施例1-6的樣品的凝固曲線；圖3表明，re和ca的添加擴大了α-mg的凝固區(qū)間，改善了熔體的流動性，有利于合金充型。圖4是合金的鑄件表面質(zhì)量，可以很明顯的看出：與不添加ca和re的的mg-4zn-4al相比，實施例1和3-6的樣品的表面質(zhì)量光澤，氧化較少，而且充型能力好。

圖5是本發(fā)明的實施例3的樣品的典型的鑄態(tài)組織，從圖中可以看出添加re與ca抑制了mg-al、mg-zn、mg-zn-al等低熔點第二相，使得合金中形成高熱穩(wěn)定的al-re-zn、al-re、al-ca、al-mg-ca和ca-mg-zn等第二相。而且，這些含re或ca的第二相具有高的熱穩(wěn)定性。在變形過程中可以阻止晶界的滑移。