本發(fā)明涉及金屬材料鎂合金領(lǐng)域，具體為一種低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，如何降低能源消耗、提高資源利用率、減少環(huán)境污染以及節(jié)約有限資源是全人類所面臨的十分緊迫的問題，而產(chǎn)品的輕量化為解決該問題提供一個(gè)非常有效的途徑。鎂合金由于具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減震性能性好、電磁屏蔽性好、機(jī)械加工性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”，是一種極具利用價(jià)值的資源，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、通訊電子以及航空航天等領(lǐng)域。

目前，90％的鎂合金部件仍采用鑄造的方式生產(chǎn)，在鑄造鎂合金中以mg-al系合金為主，但是該系的合金普遍存在強(qiáng)度較低，尤其是其高溫強(qiáng)度較低，不能應(yīng)用于承重結(jié)構(gòu)件和高溫環(huán)境中。近年來逐漸發(fā)展起來的mg-re系合金雖然具有較高的強(qiáng)度，然是其成本明顯提高，不利于該合金的推廣與使用。因此，發(fā)展一種低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金對(duì)于擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用范圍，開拓鎂合金市場(chǎng)具有非常重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種低成本高強(qiáng)鎂合金及其制備方法，采用熱處理的方法顯著提高合金的力學(xué)性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金，合金中同時(shí)含有zn、al、cu，各組份質(zhì)量百分含量為：5.0～6.0％zn、3.0～5.0％al、0.3～1.5％cu，其余為鎂和不可避免雜質(zhì)。

所述的低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金的制備方法，具體步驟如下：

(1)合金熔煉和澆注：將工業(yè)純鎂、純鋅、純鋁、純銅配料待用，將純鎂放入鐵坩堝中，置于電阻爐中，設(shè)定溫度為730～750℃，待純mg全部熔化后，依次加入純zn、純al、純cu，待合金完全熔化后首先采用機(jī)械攪拌2～5分鐘，然后向熔體中通入高純氬氣，靜置保溫10～30分鐘后降溫到700℃得到合金熔體，最后澆注成型，整個(gè)熔煉過程采用混合co2和sf6氣體全程保護(hù)；

(2)熱處理：將步驟(1)得到的鑄錠在340～380℃下進(jìn)行固溶處理30～40h，采用溫水淬火，然后將鑄錠在80～100℃進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理24～36h，最后在170～200℃時(shí)效4～10h。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是：

1、本發(fā)明制備了一種低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金，根據(jù)室溫拉伸測(cè)試結(jié)果，該合金具有良好的室溫力學(xué)性能，在室溫拉伸性能測(cè)試下，屈服強(qiáng)度≥190mpa，抗拉強(qiáng)度≥290mpa，延伸率≥7％，具有良好的綜合力學(xué)性能。

2、本發(fā)明提供一種制備鎂合金鑄錠的方法，在熔煉過程中通入高純的氬氣具有良好的攪拌效果，避免了合金在熔煉過程中的成分不均勻的現(xiàn)象。

3、本發(fā)明鎂合金不含有鋯、稀土等貴重的合金化元素，有效降低合金成本，同時(shí)合金熔煉過程中各個(gè)元素均能采用純金屬的方式加入，一方面降低了中間合金的配制成本，另一方面也可以避免中間合金在加入的過程中引入夾雜物。在保證低成本的前提下通過熱處理的方式顯著提高合金的強(qiáng)度。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中合金顯微組織照片；

圖2為實(shí)施例1中合金拉伸應(yīng)力(stress)-應(yīng)變(strain)曲線；

圖3為實(shí)施例2中合金顯微組織照片；

圖4為實(shí)施例2中合金拉伸應(yīng)力(stress)-應(yīng)變(strain)曲線。

具體實(shí)施方式

在具體實(shí)施過程中，本發(fā)明低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金，合金中各組份質(zhì)量百分含量為：5.0～6.0％zn、3.0～5.0％al、0.3～1.5％cu(優(yōu)選為6.0％zn、4％al、0.5％cu)，其余為鎂和不可避免雜質(zhì)。其中，各成分的作用和設(shè)計(jì)思路如下：mg-zn-al系鎂合金具有良好的時(shí)效強(qiáng)化能力，但是目前應(yīng)用較廣的mg-zn-al系合金如za84合金在凝固過程中易形成網(wǎng)狀的第二相，明顯降低了合金的塑性，為了使第二相在固溶過程中能充分溶解，控制zn的含量在6％以下，同時(shí)加入適當(dāng)?shù)腶l以降低合金在鑄造過程中的熱裂傾向。此外，少量cu的加入能夠促進(jìn)合金的時(shí)效過程，提高合金析出強(qiáng)化能力。

所述低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金的制備方法，采用工業(yè)純鎂錠、工業(yè)純鋅、工業(yè)純al、工業(yè)純cu為原材料，在合金制備的過程中通入高純氬氣進(jìn)行攪拌，在熱處理過程中采用了雙級(jí)時(shí)效的熱處理工藝，其具體步驟如下：

(1)合金熔煉和澆注：將工業(yè)純鎂、純鋅、純鋁、純銅配料待用，將純鎂放入鐵坩堝中，置于電阻爐中，設(shè)定溫度為730～750℃，待純mg全部熔化后，依次加入純zn、純al、純cu，待合金完全熔化后首先采用機(jī)械攪拌2～5分鐘，然后向熔體中通入高純氬氣，靜置保溫20分鐘后降溫到700℃得到合金熔體，最后澆注成型，整個(gè)熔煉過程采用混合co2和sf6氣體全程保護(hù)，co2和sf6的體積比約為200:1；

(2)熱處理：將步驟(1)得到的鑄錠在340～380℃下進(jìn)行固溶處理30～40h，采用溫水(30～50℃)淬火，然后將鑄錠在80～100℃進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理24～36h，最后在170～200℃時(shí)效4～10h。

采用工業(yè)純鎂錠、工業(yè)純zn、工業(yè)純al、工業(yè)純cu為原料，降低中間合金生產(chǎn)成本，同時(shí)避免中間合金加入過程中引進(jìn)夾雜物，并且在合金制備的過程中通入高純氬氣進(jìn)行攪拌，使成分更加均勻。

另外，本發(fā)明采用雙級(jí)時(shí)效的熱處理工藝的作用和設(shè)計(jì)思路如下：合金在低溫(80～100℃)時(shí)效的過程中能夠產(chǎn)生g.p.區(qū)，這些g.p.區(qū)能有效促進(jìn)析出相在高溫(170～200℃)時(shí)效的形核進(jìn)程，明顯細(xì)化析出相的尺寸，提高析出相的密度，顯著提高合金力學(xué)性能。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金的重量百分比組分為：6.0％zn、4％al、0.5％cu，其余為mg和不可避免的雜質(zhì)元素。

具體方法步驟如下：

(1)合金熔煉和澆注：將工業(yè)純鎂、純鋅、純鋁、純銅配料待用，將純鎂放入鐵坩堝中，置于電阻爐中，設(shè)定溫度為740℃，待純mg全部熔化后，依次加入純zn、純al、純cu，待合金完全熔化后首先采用機(jī)械攪拌3分鐘，然后向熔體中通入高純氬氣，靜置保溫20分鐘后降溫到700℃得到合金熔體，最后澆注成型，整個(gè)熔煉過程采用混合co2和sf6氣體全程保護(hù)，co2和sf6的體積比約為200:1；

(2)熱處理：將步驟(1)得到的鑄錠在360℃下進(jìn)行固溶處理36h，采用溫水淬火，然后將鑄錠在85℃進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理24h，最后在180℃時(shí)效8h。

本實(shí)施例得到的高強(qiáng)低成本鑄造鎂合金屈服強(qiáng)度為202mpa，抗拉強(qiáng)度為311.5mpa，延伸率為7％。

如圖1所示，實(shí)施例1中制備出的鎂合金顯微組織照片，從圖中可以看出，第二相沿晶界分布，合金晶粒尺寸約為100μm左右。其工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，從圖中可以看出，該合金具有較高的強(qiáng)度，尤其是其中其抗拉強(qiáng)度大于310mpa，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的商用鎂合金的力學(xué)性能。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金的重量百分比組分為：6.0％zn、4％al、1％cu，其余為mg和不可避免的雜質(zhì)元素。

具體方法步驟如下：

(1)合金熔煉和澆注：將工業(yè)純鎂、純鋅、純鋁、純銅配料待用，將純鎂放入鐵坩堝中，置于電阻爐中，設(shè)定溫度為740℃，待純mg全部熔化后，依次加入純zn、純al、純cu，待合金完全熔化后首先采用機(jī)械攪拌4分鐘，然后向熔體中通入高純氬氣，靜置保溫20分鐘后降溫到700℃得到合金熔體，最后澆注成型，整個(gè)熔煉過程采用混合co2和sf6氣體全程保護(hù)，co2和sf6的體積比約為200:1；

(2)熱處理：將步驟(1)得到的鑄錠在350℃下進(jìn)行固溶處理36h，采用溫水淬火，然后將鑄錠在85℃進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理36h，最后在190℃時(shí)效6h。

本實(shí)施例得到的高強(qiáng)低成本鑄造鎂合金屈服強(qiáng)度為199mpa，抗拉強(qiáng)度為297mpa，延伸率為7％。

如圖3所示，實(shí)施例2制得的鎂合金顯微組織照片，從圖中看出，合金晶粒呈薔薇狀，第二相沿晶界分布，其晶粒尺寸約為100μm左右。其工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示，從圖中可以看出，雖然合金仍然具有較高的強(qiáng)度但是相比于實(shí)施例1中的合金，其強(qiáng)度有所降低。

實(shí)施例3

本實(shí)施例中，低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金的重量百分比組分為：6％zn、3％al、0.5％cu，其余為mg和不可避免的雜質(zhì)元素，其制備步驟如下：

(1)合金熔煉和澆注：將工業(yè)純鎂、純鋅、純鋁、純銅配料待用，將純鎂放入鐵坩堝中，置于電阻爐中，設(shè)定溫度為730℃，待純mg全部熔化后，依次加入純zn、純al、純cu，待合金完全熔化后首先采用機(jī)械攪拌5分鐘，然后向熔體中通入高純氬氣，靜置保溫20分鐘后降溫到700℃得到合金熔體，最后澆注成型，整個(gè)熔煉過程采用混合co2和sf6氣體全程保護(hù)，co2和sf6的體積比為200:1；

(2)熱處理：將步驟(1)得到的鑄錠在340℃下進(jìn)行固溶處理32h，采用溫水淬火，然后將鑄錠在80℃進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理36h，最后在200℃時(shí)效4h。

本實(shí)施例得到的高強(qiáng)低成本鑄造鎂合金屈服強(qiáng)度為191mpa，抗拉強(qiáng)度為290mpa，延伸率為8％。

實(shí)施例4

本實(shí)施例中，低成本高強(qiáng)鑄造鎂合金的重量百分比組分為：5.0％zn、4％al、0.5％cu，其余為mg和不可避免的雜質(zhì)元素，其制備步驟如下：

(1)合金熔煉和澆注：將工業(yè)純鎂、純鋅、純鋁、純銅配料待用，將純鎂放入鐵坩堝中，置于電阻爐中，設(shè)定溫度為750℃，待純mg全部熔化后，依次加入純zn、純al、純cu，待合金完全熔化后首先采用機(jī)械攪拌2分鐘，然后向熔體中通入高純氬氣，靜置保溫20分鐘后降溫到700℃得到合金熔體，最后澆注成型，整個(gè)熔煉過程采用混合co2和sf6氣體全程保護(hù)，co2和sf6的體積比為200:1；

(2)熱處理：將步驟(1)得到的鑄錠在380℃下進(jìn)行固溶處理32h，采用溫水淬火，然后將鑄錠在90℃進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理24h，最后在170℃時(shí)效10h。

本實(shí)施例得到的高強(qiáng)低成本鑄造鎂合金屈服強(qiáng)度為193mpa，抗拉強(qiáng)度為295mpa，延伸率為7.5％。