一种高流动性高强韧铸造镁合金材料

摘要

本发明提供了一种高流动性高强韧铸造镁合金材料，其组分的质量百分比为：Zn：5‑5.5％，Ce：1.4‑1.9％，Nd：1.3‑1.7％，Ag：0.3‑0.65％，Zr：0.4‑0.75％，Fe≤0.004％，Ni≤0.01％，Cu≤0.01％，余量为Mg。本发明不仅节省成本和资源，产品具有比常规高强铸造镁合金更优良的薄壁充型能力，适合砂型、金属型和石膏型等铸造成型工艺生产薄壁复杂镁合金铸件，合金铸件经热处理后，常温力学性能优良，具有很强的推广应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料技术领域的铸造镁合金材料，具体涉及一种高流动 性高强韧铸造镁合金材料。

背景技术

与工业常用铸造结构材料相比，铸造镁合金具有密度低、比刚度高、比强度 高、减震性、机械加工性好等优点，但是常规铸造镁合金的强韧性差以及高稀土 含量铸造镁合金价格昂贵和流动性差等问题，成为限制铸造镁合金在航天、航空 和国防等领域广泛应用的主要问题之一。

铸造镁合金大致可分为镁铝锌系、镁锌锆系和镁稀土系。其中镁铝锌系铸造 镁合金由于其良好的流动性和经济性成为目前镁合金铸件选用最多的母材，但是 随着镁合金铸件减重要求提高以及构件设计安全系数增大，使得镁铝锌系铸造镁 合金难以满足铸造镁合金构件强度要求；镁锌锆系铸造镁合金具有优良的铸造流 动性和力学性能，已在战斗机机舱护盖和航天器仪表支撑座等方面获得应用，但 此合金抗热裂性差，只适合于用常温铸型浇注，且补焊成功率较低；镁稀土系铸 造镁合金由于其搞稀土含量(稀土总量为10wt％左右)，使其在常温和高温下具 有很高的力学性能，能满足强度要求苛刻的铸造镁合金铸件需求，但是此系列镁 合金由于其高稀土含量，导致其铸造流动性很差，难以完整充型薄壁铸造镁合金 构件，又由于其居高不下的合金成本，只适合于在航天航空行业的重点战略需求 产品上进行大规模应用。

近年来，关于铸造镁合金材料方面的研究越来越多。在中国专利 CN102534330B中记载的一种高强度铸造镁合金及其制备方法，其成分为Mg- (8～14)Gd-(1～5)Y-(0.6～2)Al，该合金经固溶时效处理后，抗拉强度为 350MPa，屈服强度为230MPa，延伸率为4％。但是，此合金稀土含量很高，价 格昂贵，大规模民用推广性较差，而且铸造流动充型性也不佳。

另外，在中国专利CN104630584A中记载了一种高流动性、高强度超薄壁部 件用镁合金及其制备方法，该合金成分有镁铝锌锰锑稀土元素组成，该合金抗拉 强度可达300MPa，屈服强度可达200MPa，该发明所报道合金用于镁合金锭生 产，由于所述合金浇注温度都不高于690℃，难于成形结构复杂的镁合金铸件， 对于所能达到的极限铸件壁厚未见报道，在镁合金铸件方面应用有限。

发明内容

为了应对各行业复杂镁合金铸件对高流动性和高强度铸造镁合金材料的迫 切需求，结合镁合金铸件高强韧性能和高流动性超强充型性能需求，本发明开创 性的提出一种适合常温及高温(铸型温度不高于350℃)铸型、常温综合力学性 能高、抗热裂性强并具有可焊性的铸造镁合金材料。

本发明的目的通过以下措施实现的：

一种高流动性高强韧铸造镁合金材料，其组分的质量百分比为：Zn：5-5.5％， Ce：1.4-1.9％，Nd：1.3-1.7％，Ag：0.3-0.65％，Zr：0.4-0.75％，Fe≤0.004％，Ni ≤0.01％，Cu≤0.01％，余量为Mg。本发明在Mg-Zn-Zr系合金基础上，不仅提高 合金流动性，并生成强化相提高合金力学性能，并使合金凝固温度区间变窄，提 高合金充型性能，降低凝固孔隙率和焊接开裂倾向；同时，提高合金凝固收缩时 力学性能，降低热裂倾向，并提高时效强化效果；细化合金组织，提高合金常温 力学性能。使用本发明高流动性高强韧铸造镁合金材料可实现2mm镁合金铸件 铸造成型，横向充型距离和充型壁厚之比不小于55，室温抗拉强度可达350MPa， 屈服强度为235MPa，断后伸长率为11％。

上述一种高流动性高强韧铸造镁合金材料，其制备方法包括如下步骤：

(1)将适量镁含量质量分数大于99.5％的纯镁锭放入低碳钢质熔炼坩埚中，在 镁锭底部和各码放层中均匀撒入RJ-2熔剂，RJ-2熔剂使用量占镁锭质量分数 1-1.5％，然后将熔炼炉温度设定为830-850℃，使镁锭快速熔化，并调整熔体温 度在750-760℃之间，接着使用自制高密度精炼剂，配合低碳钢质机械搅拌器， 对熔体进行精炼处理，然后调整熔体温度为700-710℃；

(2)当熔炼坩埚中熔体温度将至700-710℃，使用真空吸液方法，通过低碳钢转 液通道，将熔炼坩埚中的纯镁熔体转移至除气坩埚中；将精炼锅中熔体升温至 740-750℃，使用低碳钢质除气钟罩，分批多次向纯镁熔体加入占熔体质量分数 0.35％的石蜡-石墨除气剂，除气处理时间为10-20分钟，除气钟罩在熔体内部上 下均匀运动，除气过程使用二氧化碳加六氟化硫混合气体保护熔体表面，除气处 理后，调整熔体温度为700-710℃；

(3)当除气坩埚中熔体温度为700-710℃，使用真空吸液的方法，通过低碳钢转 液通道，将除气坩埚中的纯镁熔体转移至无熔剂坩埚中，无熔剂坩埚中使用二氧 化碳加六氟化硫混合气体保护熔体表面；调整熔体温度为760-770℃，首先向坩 埚内添加适量纯锌锭和纯银锭，然后向坩埚内加入预热至260℃，经等温模锻变 形处理的镁锆中间合金和等温模锻变形处理的镁稀土中间合金(镁锆中间合金和 镁稀土中间合金的等温模锻变形量控制在40％，等温模锻变形温度为400℃)， 使用人工捞底搅拌方式，搅拌合金熔体3-5分钟，搅拌结束后检测合金成分，成 分合格后，调整熔体至浇注温度，倾转坩埚进行铸件浇注成型。

(4)将浇注成形的高流动性镁合金铸件从铸型中清理干净后，立即对铸件进行 干喷砂清除表面氧化皮，喷砂处理完成2小时内，将高流动性镁合金铸件至于氩 气与氢气组成的混合气体高温压力罐中进行固溶处理，固溶处理完成后使用机油 对铸件进行淬火处理，固溶处理后2小时内，对铸件进行时效处理。

优选的，上述步骤(2)中的石蜡-石墨除气剂由半精炼石蜡和石墨粉组成， 其中石蜡：石墨粉质量分数之比为1.5∶1。

有益效果

1.本发明中的高流动性高强韧铸造镁合金经过熔炼、铸造和热处理后，室 温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别可达到350MPa、235MPa和11％，可实现 2mm镁合金铸件重力铸造成型，充型距离和充型壁厚之比不小于55。

2.本发明所述高流动性高强韧铸造镁合金原材料成本比高稀土含量铸造镁 合金(稀土含量约为10wt％)节省成本和资源，具有比常规高强铸造镁合金更优 良的薄壁充型能力，适合砂型、金属型和石膏型等铸造成型工艺生产薄壁复杂镁 合金铸件，合金铸件经热处理后，常温力学性能优良，具有很强的推广应用前景。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种高流动性高强韧铸造镁合金材料，由以下组分组成：Zn：5.3％，Ce：1.6％， Nd：1.45％，Ag：0.5％，Zr：0.55％，Fe＝0.002％，Ni＝0.002％，Cu＝0.003％，余量 为Mg，以质量百分比计。其制备方法，包括以下步骤：

(1)将240kg镁含量质量分数大于99.5％的纯镁锭放入低碳钢质熔炼坩埚中， 在镁锭底部和各码放层中均匀撒入RJ-2熔剂，RJ-2熔剂使用量占镁锭质量分数 1.2％，然后将熔炼炉温度设定为838℃，使镁锭快速熔化，并调整熔体温度在 750℃，接着使用自制高密度精炼剂，配合低碳钢质机械搅拌器，对熔体进行精 炼处理，然后调整熔体温度为700℃。

(2)当熔炼坩埚中熔体温度将至700℃，使用真空吸液方法，通过低碳钢转液 通道，将熔炼坩埚中的纯镁熔体转移至除气坩埚中。将精炼锅中熔体升温至 740℃，使用低碳钢质除气钟罩，分批多次向纯镁熔体加入占熔体质量分数0.35％ 的石蜡-石墨除气剂(石蜡-石墨除气剂由半精炼石蜡和石墨粉组成，其中石蜡： 石墨粉质量分数之比为1.5∶1)，除气处理时间为16分钟，除气钟罩在熔体内部 上下均匀运动，除气过程使用二氧化碳加六氟化硫混合气体保护熔体表面，除气 处理后，调整熔体温度为700℃。

(3)当除气坩埚中熔体温度为700℃，使用真空吸液的方法，通过低碳钢 转液通道，将除气坩埚中的纯镁熔体转移至无熔剂坩埚中，无熔剂坩埚中使用二 氧化碳加六氟化硫混合气体保护熔体表面。调整熔体温度为770℃，首先向坩埚 内添加纯锌锭16kg，添加纯银锭1.5kg，然后向坩埚内加入预热至260℃，经等 温模锻变形处理的镁锆30中间合金9.2kg、镁铈30中间合金20kg和镁钕30中 间合金18.2kg(镁锆30中间合金、镁铈30中间合金和镁钕30中间合金的等温 模锻变形量控制在40％，等温模锻变形温度为400℃)，使用人工捞底搅拌方式， 搅拌合金熔体4分钟，搅拌结束后检测合金成分，成分合格后，调整熔体至浇注 温度，倾转坩埚进行铸件浇注成型，铸型材料为石膏型，铸型温度为200℃。

(4)将浇注成形的高流动性镁合金铸件从铸型中清理干净后，立即对铸件 进行干喷砂清除表面氧化皮，喷砂处理完成2小时内，将高流动性镁合金铸件至 于氩气与氢气组成的混合气体高温压力罐中进行固溶处理，固溶处理完成后使用 机油对铸件进行淬火处理，固溶处理后2小时内，对铸件进行时效处理。

本实施例铸造的镁合金经过熔炼、铸造和固溶时效热处理后，室温抗拉强度、 屈服强度和延伸率分别为300MPa、190MPa和8％，铸件充型完整，铸型主体壁 厚2mm，横向充型距离和充型壁厚之比为68。

实施例2

一种高流动性高强韧铸造镁合金材料，由以下组分组成：Zn：5.5％，Ce： 1.4％，Nd：1.7％，Ag：0.65％，Zr：0.75％，Fe＝0.001％，Ni＝0.003％，Cu＝0.002％， 余量为Mg，以质量百分比计。制备方法包括以下步骤：

(1)将119kg镁含量质量分数大于99.5％的纯镁锭放入低碳钢质熔炼坩埚中， 在镁锭底部和各码放层中均匀撒入RJ-2熔剂，RJ-2熔剂使用量占镁锭质量分数 1％，然后将熔炼炉温度设定为830℃，使镁锭快速熔化，并调整熔体温度在760℃， 接着使用自制高密度精炼剂，配合低碳钢质机械搅拌器，对熔体进行精炼处理， 然后调整熔体温度为710℃。

(2)当熔炼坩埚中熔体温度将至710℃，使用真空吸液方法，通过低碳钢转液 通道，将熔炼坩埚中的纯镁熔体转移至除气坩埚中。将精炼锅中熔体升温至 745℃，使用低碳钢质除气钟罩，分批多次向纯镁熔体加入占熔体质量分数0.35％ 的石蜡-石墨除气剂，除气处理时间为20分钟，除气钟罩在熔体内部上下均匀运 动，除气过程使用二氧化碳加六氟化硫混合气体保护熔体表面，除气处理后，调 整熔体温度为710℃。

(3)当除气坩埚中熔体温度为710℃，使用真空吸液的方法，通过低碳钢 转液通道，将除气坩埚中的纯镁熔体转移至无熔剂坩埚中，无熔剂坩埚中使用二 氧化碳加六氟化硫混合气体保护熔体表面。调整熔体温度为765℃，首先向坩埚 内添加纯锌锭8.3kg，添加纯银锭0.98kg，然后向坩埚内加入预热至260℃，经 等温模锻变形处理的镁锆30中间合金5.4kg、镁铈30中间合金8.75kg和镁钕30 中间合金10.6kg(镁锆30中间合金、镁铈30中间合金和镁钕30中间合金的等 温模锻变形量控制在40％，等温模锻变形温度为400℃)，使用人工捞底搅拌方 式，搅拌合金熔体3分钟，搅拌结束后检测合金成分，成分合格后，调整熔体至 浇注温度，倾转坩埚进行铸件浇注成型，铸型材料为金属型，铸型温度为350℃。

(4)将浇注成形的高流动性镁合金铸件从铸型中清理干净后，立即对铸件 进行干喷砂清除表面氧化皮，喷砂处理完成2小时内，将高流动性镁合金铸件至 于氩气与氢气组成的混合气体高温压力罐中进行固溶处理，固溶处理完成后使用 机油对铸件进行淬火处理，固溶处理后2小时内，对铸件进行时效处理。

本实施例铸造的镁合金经过熔炼、铸造和固溶时效热处理后，室温抗拉强度、 屈服强度和延伸率分别为350MPa、235MPa和11％，铸件充型完整，铸型主体 壁厚3.6mm，横向充型距离和充型壁厚之比为55。

实施例3

一种高流动性高强韧铸造镁合金材料，由以下组分组成：Zn：5％，Ce：1.9％， Nd：1.3％，Ag：0.3％，Zr：0.4％，Fe＝0.004％，Ni＝0.01％，Cu＝0.01％，余量为Mg， 以质量百分比计。

(1)将386kg镁含量质量分数大于99.5％的纯镁锭放入低碳钢质熔炼坩埚中， 在镁锭底部和各码放层中均匀撒入RJ-2熔剂，RJ-2熔剂使用量占镁锭质量分数 1.5％，然后将熔炼炉温度设定为850℃，使镁锭快速熔化，并调整熔体温度在 756℃，接着使用自制高密度精炼剂，配合低碳钢质机械搅拌器，对熔体进行精 炼处理，然后调整熔体温度为706℃。

(2)当熔炼坩埚中熔体温度将至706℃，使用真空吸液方法，通过低碳钢转液 通道，将熔炼坩埚中的纯镁熔体转移至除气坩埚中。将精炼锅中熔体升温至 750℃，使用低碳钢质除气钟罩，分批多次向纯镁熔体加入占熔体质量分数0.35％ 的石蜡-石墨除气剂，除气处理时间为10分钟，除气钟罩在熔体内部上下均匀运 动，除气过程使用二氧化碳加六氟化硫混合气体保护熔体表面，除气处理后，调 整熔体温度为706℃。

(3)当除气坩埚中熔体温度为706℃，使用真空吸液的方法，通过低碳钢 转液通道，将除气坩埚中的纯镁熔体转移至无熔剂坩埚中，无熔剂坩埚中使用二 氧化碳加六氟化硫混合气体保护熔体表面。调整熔体温度为760℃，首先向坩埚 内添加纯锌锭24kg，添加纯银锭1.44kg，然后向坩埚内加入预热至260℃，经等 温模锻变形处理的镁锆30中间合金9.2kg、镁铈30中间合金38kg和镁钕30中 间合金26kg(镁锆30中间合金、镁铈30中间合金和镁钕30中间合金的等温模 锻变形量控制在40％，等温模锻变形温度为400℃)，使用人工捞底搅拌方式， 搅拌合金熔体5分钟，搅拌结束后检测合金成分，成分合格后，调整熔体至浇注 温度，倾转坩埚进行铸件浇注成型，铸型材料为树脂砂型，铸型温度为40℃。

(4)将浇注成形的高流动性镁合金铸件从铸型中清理干净后，立即对铸件 进行干喷砂清除表面氧化皮，喷砂处理完成2小时内，将高流动性镁合金铸件至 于氩气与氢气组成的混合气体高温压力罐中进行固溶处理，固溶处理完成后使用 机油对铸件进行淬火处理，固溶处理后2小时内，对铸件进行时效处理。

本实施例铸造的镁合金经过熔炼、铸造和固溶时效热处理后，室温抗拉强度、 屈服强度和延伸率分别为322MPa、201MPa和10％，铸件充型完整，铸型主体 壁厚6mm，横向充型距离和充型壁厚之比为58。