Ti细化Mg－Al－Ca抗蠕变镁合金及其熔铸工艺

摘要

一种Ti细化Mg－Al－Ca抗蠕变镁合金,用于金属材料类及冶金领域。合金的成分及其重量百分比为：3－9％Al，0.5－3.0％Ca，0.05－0.6％Ti，0.1－0.4％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。熔铸工艺如下：熔炼过程在气体或覆盖剂保护条件下进行，将工业纯镁完全熔化后，再分别以工业纯钙、工业纯铝、Al－Mn中间合金、Al－Ti中间合金形式加入合金元素Ca，Al，Mn，Ti，待合金元素全部溶解后，搅拌均匀，捞去表面浮渣后进行铸造。本发明工艺简单，不含稀土，成本低，提高了合金的室温和高温抗拉强度、屈服强度、延伸率及高温抗蠕变性能。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种镁合金及其熔铸工艺，具体是一种Ti细化Mg-Al-Ca抗蠕变镁合金及其熔铸工艺。用于金属材料及冶金领域。

背景技术

Mg-Al为基的AZ91D、AM50A和AM60B等是工业应用中最为广泛的镁合金，具有优良的室温力学性能，良好的铸造性能，且成本低廉。但是这些合金的高温强度和蠕变性能较差，长期使用温度不超过120℃，大大限制了镁合金的应用范围。尽管目前已经开发出了一些耐热镁合金，如美国牌号AE42，WE43等，但这些镁合金通常含有较高含量的稀土元素，一方面大大提高了合金成本，另一方面铸造性能差，给熔铸带来了困难。因此，提高现有镁合金的高温强度和蠕变性能，开发出新型高性能、低成本抗蠕变的工业镁合金，使其能够应用于汽车自动变速箱壳体、发动机缸体和发动机活塞等高温关键部件，已经成为急需解决的重要课题。

最近，Mg-Al基合金的Ca合金化已经成为发展低成本抗蠕变镁合金的一个重要方面。但是Ca加入镁合金后会形成粗大的Al₂Ca相，严重降低合金的室温力学性能和铸造性能。经文献检索发现，Honda研发公司Koike S等人在“Development of lightweight oil pans made of a heat-resistant magnesium alloyfor hybrid engines”(混合式发动机轻型油箱抗蠕变镁合金的开发)《SAETechnical Paper 2000-01-117》(美国汽车工程协会技术论文集)一文中介绍的ACM522(Mg-5Al-2Ca-2RE)合金，用重量百分比2％Ca和2.5％RE(富Ce混合稀土)提高合金的蠕变性能，其蠕变性能好于AE42，与A384铝合金相当，但是，由于含有较高含量的贵重稀土元素，合金的成本很高(其成本甚至比AE42还高)；而且，由于同时使用了较高含量的Ca和RE元素，合金的塑韧性很低，铸造性能也很差，从而限制了该合金的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种Ti细化Mg-Al-Ca抗蠕变镁合金及其熔铸工艺，通过加入Ti克服单纯加Ca造成的铸造性能和室温力学性能降低的不足，同时通过Ti细化粗大的Al₂Ca相，使其进一步提高合金的抗蠕变性能，扩大了含Ca镁合金的应用范围。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明Ti细化Mg-Al-Ca抗蠕变镁合金包含的各成分及其重量百分比为：3-9％Al，0.5-3.0％Ca，0.05-0.6％Ti，0.1-0.4％Mn，杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

本发明以3-9％Al作为基本成分，加入0.5-3.0％Ca以提高合金的耐热性能，加入Ti一方面是为了改善Al₂Ca强化相的形貌，进一步提高合金的耐热性能，另一方面是为了弥补单纯加Ca造成的合金铸造性能和室温力学性能的不足，加入0.1-0.4％的Mn是为了提高合金的抗腐蚀性能。本发明形成的合金的耐热性能远超过目前含稀土的抗蠕变镁合金AE42，合金的常温性能和铸造性能好于AM50镁合金，耐腐蚀性能及成本与镁合金AZ91相当。

本发明的优选配方(重量百分比)为：4-8％Al，0.5-3.0％Ca，0.05-0.6％Ti，0.2％Mn，杂质元素Fe、Cu、Ni总量小于0.02％，其余为Mg。在金属型铸造的条件下，该优选配方镁合金Al₂Ca颗粒的平均尺寸由6μm降为1μm，合金的室温抗拉强度为195MPa、屈服强度123MPa、延伸率8％，分别比Mg-5Al-1Ca合金提高了30MPa、20MPa、5％以上；在200℃/50MPa蠕变条件下，合金的稳态蠕变速率为2.70×10^-9S^-1、100h蠕应变为0.35％，分别比Mg-5Al-1Ca合金降低了63％、30％以上；与常用工业镁合金相比，新合金的抗高温蠕变性能远超过AEA2耐热镁合金的水平，合金的常温性能和铸造性能好于AM50镁合金，而合金成本则与AZ91镁合金相当，比AE42低得多。

本发明上述合金的熔铸工艺，熔炼过程在气体或覆盖剂保护条件下进行，将工业纯镁完全熔化后，再分别以工业纯钙、工业纯铝、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金形式加入合金元素Ca，Al，Mn，Ti，待合金元素全部溶解后，搅拌均匀，捞去表面浮渣后进行铸造。

以下对本发明工艺作进一步的说明，具体步骤如下：

(1)熔炼Mg：在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，加热熔炼；

(2)加Ca：待镁完全熔化后，在650～680℃下用钟罩压入工业纯钙；

(3)加Al和Mn：在700℃加入工业纯铝和Al-Mn中间合金；

(4)加Ti：在750℃下加入Al-Ti中间合金，保温15分钟后搅拌2～5分钟，以促使Ti充分熔化；

(5)铸造：在750℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后进行铸造。

上述熔铸工艺的铸造方法可采用压铸、低压铸造、金属型铸造或砂铸。

与现有技术相比，本发明具有显著进步，该工艺简单，不含稀土，成本低，铸造合金的显微组织明显细化，Al₂Ca形貌由连续粗大网状分布转变为细小弥散分布的颗粒状，解决了现有加Ca耐热镁合金室温性能和铸造性能较差的问题。

具体实施方式

结合本发明技术方案的内容提供以下实施例：

实施例1：

合金的成分(重量百分比)为：8.0％Al、3.0％Ca、0.6％Ti、0.2％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

合金的熔铸工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，加热熔炼，同时采用SF6 0.5％/CO₂混合气体保护；(2)待镁完全熔化后，在650℃用钟罩压入工业纯钙0.35Kg；(3)在700℃加入工业纯铝0.07Kg和Al-10Mn中间合金0.25Kg；(4)在750℃加入Al-10Ti中间合金0.70Kg，保温15分钟后搅拌2～5分钟，以促使Ti充分熔化；(5)在750℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后即可用浇包进行金属型铸造。本实施例的合金的常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到215MPa、128MPa和7％；高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为205MPa、123MPa和10％。

实施例2：

合金的成分(重量百分比)为：5.0％Al、1.0％Ca、0.2％Ti、0.2％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

合金的熔铸工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，在煤油坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，加热熔炼，同时采用覆盖剂保护；(2)待镁完全熔化后，在650℃用钟罩压入工业纯钙0.12Kg；(3)在700℃加入工业纯铝0.14Kg和Al-10Mn中间合金0.2Kg；(4)在750℃加入Al-10Ti中间合金0.2Kg，保温15分钟后搅拌2～5分钟，以促使Ti充分熔化；(5)在750℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后即可用浇包浇入压铸机进行压铸。本实施例的合金的常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到220MPa、135MPa和9％；高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为205MPa、129MPa和11％。

实施例3：

合金的成分(重量百分比)为：4.0％Al、0.5％Ca、0.05％Ti、0.2％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

合金的熔铸工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，加热熔炼，同时采用SF₆ 0.5％/CO₂混合气体保护；(2)待镁完全熔化后，在650'用钟罩压入工业纯钙0.06Kg；(3)在700℃加入工业纯铝0.14Kg和Al-10Mn中间合金0.25Kg；(4)在750℃加入Al-10Ti中间合金0.06Kg，在750℃下保温15分钟后搅拌2～5分钟，以促使Ti充分熔化；(5)在750℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后在低压铸造炉内采用氮气给压进行低压铸造。本实施例的合金的常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到191MPa、122MPa和10％；高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为165MPa、110MPa和13％。

实施例4：

合金的成分(重量百分比)为：9.0％Al、3.0％Ca、0.6％Ti、0.4％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

合金的熔铸工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，加热熔炼，同时采用SF₆ 0.5％/CO₂混合气体保护；(2)待镁完全熔化后，在650℃用钟罩压入工业纯钙0.35Kg；(3)在700℃加入工业纯铝0.12Kg和Al-10Mn中间合金0.4Kg；(4)在750℃加入Al-10Ti中间合金0.6Kg，保温15分钟后搅拌2～5分钟，以促使Ti充分熔化；(5)在750℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后即可用浇包进行金属型铸造。本实施例的合金的常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到210MPa、125MPa和6％；高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为200MPa、122MPa和9％。

实施例5：

合金的成分(重量百分比)为：3.0％Al、0.5％Ca、0.05％Ti、0.1％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

合金的熔铸工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，加热熔炼，同时采用SF6 0.5％/CO2混合气体保护；(2)待镁完全熔化后，在6.50℃用钟罩压入工业纯钙0.06Kg；(3)在700℃加入工业纯铝0.17Kg和Al-10Mn中间合金0.1Kg；(4)在750℃加入Al-10Ti中间合金0.05Kg，在750℃下保温15分钟后搅拌2～5分钟，以促使Ti充分熔化；(5)在750℃下继续保温约15分钟，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置10分钟，然后捞去表面浮渣后在低压铸造炉内采用氮气给压进行砂型铸造。本实施例的合金的常温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到185MPa、119MPa和9％；高温150℃抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为160MPa、105MPa和12％。