一种半固态成形用镁合金及其半固态坯料制备方法.pdf

本发明提供的是一种半固态成形用镁合金及其半固态坯料制备方法。其合金的组成为：Al 8－10％，Si 0.7－3％，Zn 0.4－1％，Mn 0.25－0.6％，余量为Mg。在熔剂保护下，待工业纯镁、纯铝、纯锌、Mg－Mn中间合金和真空预热的工业结晶硅完全溶解后，进行机械搅拌以使合金元素均匀化，静置、重力铸造；将熔炼铸造的合金铸件置于带有保护气氛的箱式电阻炉中进行半固态等温热处理，然后快速取出放入水中进行淬火，半固态等温热处理温度为560℃～585℃，保温时间为5～40分钟。本发明可获得由固相分数为40～60％，细小近球形固相α－Mg晶粒及Mg2Si颗粒组成的典型半固态非枝晶组织，具有良好的触变性。

1、  一种半固态成形用镁合金，其特征是：优选各组分及其重量百分比为：Al 8-10％，Si 0.7-3％，Zn 0.4-1％，Mn 0.25-0.6％，余量为Mg。

2、  一种半固态成形用镁合金的半固态坯料制备方法，其特征是：按重量百分比为：Al 8-10％，Si 0.7-3％，Zn 0.4-1％，Mn 0.25-0.6％，余量为Mg的配比配制合金，在RJ-2熔剂保护下，待工业纯镁、纯铝、纯锌和Mg-Mn中间合金完全熔化后，加入真空预热的工业结晶硅，待其全部溶解后，进行机械搅拌以使合金元素均匀化，静置5～10分钟，最后捞去合金液表面浮渣，随即浇注到预热的金属型或砂型中进行重力铸造；将熔炼铸造的Mg-Al-Si系镁合金铸件置于带有保护气氛的箱式电阻炉中进行半固态等温热处理，然后快速取出放入水中进行淬火，半固态等温热处理温度为560℃～585℃，保温时间为5～40分钟。

3、  根据权利要求2所述的一种半固态成形用镁合金的半固态坯料制备方法，其特征是：所述的半固态等温热处理的最佳条件为加热温度565℃～574℃，保温时间10～30分钟。

4、  根据权利要求2或3所述的一种半固态成形用镁合金的半固态坯料制备方法，其特征是：所述的在半固态等温热处理期间保护气氛可以是氩气、CO₂或CO₂/SF₆混合气体。

一种半固态成形用镁合金及其半固态坯料制备方法
(一)技术领域
本发明涉及一种合金，本发明还涉及一种合金的制备方法。具体地说是一种半固态成形用Mg-Al-Si系镁合金材料及其半固态坯料制备方法。
(二)背景技术
20世纪70年代初，美国麻省理工学院的Flemings教授等提出了一种金属成形的新方法，即半固态成形技术。由于半固态金属具有特殊的流变性能，使得材料在制备及成形过程中具有良好的流动性能与变形性能，因此，金属流动阻力显著降低，塑性大大提高。此外，半固态金属非枝晶组织减少了凝固收缩，可实现近终成形，并提高了补缩能力，减轻或者消除了显微缩松，提高了材料的致密度、强度以及材料性能的均匀性。由于半固态金属成形具有上述诸多独特的优点，因此，自20世纪80年代后期以来，半固态金属成形技术得到了迅速的发展，特别是半固态Al-Mg-Si系合金得到了广泛的研究和应用，其中最具有代表性的是A356、A357合金，其半固态成形件经过热处理后具有相当优异的力学性能，已被应用于汽车结构件的生产。
然而，与铝合金半固态成形比较，镁合金的半固态成形技术发展较晚。但由于镁合金是最轻的工程结构金属材料，具有许多优异的独特性能，如比强度高、比刚度高、导电导热性好，兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，良好的再生回用等优点，被认为是本世纪最有开发前途和应用潜力的“绿色工程材料”。因此，半固态镁合金的研究开发与应用受到格外重视，目前镁合金半固态成形研究已涉及AZ、AM、AE、AL、ZK、MEZ系等十余个镁合金牌号。遗憾的是，从目前国内外镁合金半固态浆料或坯料及其成形技术的研究开发来看，还主要集中在AZ91D、AZ61等少数几个应用最广泛的商业化传统镁合金牌号上，且多以工艺和设备的开发为主，可参阅美国Dow化学公司申请号为040589的“镁合金触变射铸工艺与设备”的发明专利。
众所周知，以AZ91D为代表的AZ(Mg-Al-Zn)系镁合金由于低熔点粗大Mg₁₇Al₁₂相在晶界处的非连续析出，使得其高温蠕变性能较差，温度高于150℃时拉伸强度迅速降低。为改善AZ系镁合金的高温性能，目前除通过微合金化(如加入微量Sr、Ca、稀土Ce等)以改善Mg₁₇Al₁₂相的形态、晶体结构及热稳定性外，还开发出AS(Mg-Al-Si)系如AS21、AS41铸造镁合金。然而，由于上述AS系镁合金中的Al含量较低，而且其中的Mg₂Si相易呈汉字状，导致其压铸性能变差，不适合用来制备半固态浆料或坯料，使得目前对AS系镁合金半固态浆料或坯料及其成形技术的研究报道较少。最近，杨明波等人研究了半固态等温热处理对Mg-6Al-1Zn-0.7Si合金显微组织的影响，见杨明波，潘复生“半固态等温热处理对Mg-6Al-1Zn-0.7Si合金显微组织的影响”，材料加工工艺，2008。结果表明，该合金经575～585℃，保温120分钟的半固态等温热处理，可以获得初生固相颗粒平均尺寸为48～67μm，液相分数为12～21％的半固态非枝晶组织。同时，经580～585℃，保温120分钟的半固态等温热处理，汉字状Mg₂Si相转变为粒状或多角形。遗憾的是，虽然该合金Al含量较高，但在此工艺条件下半固态等温热处理时间仍然太长，很难满足半固态金属触变成形实际工艺应用的需要。
目前，制备半固态金属坯料的常用方法有：机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔化激活法、半固态等温热处理法等。半固态等温热处理法是使合金坯料在半固态触变成形前的部分重熔(二次加热)过程中获得非枝晶组织的方法，该方法有效避免了液态镁合金的氧化燃烧，且工艺设备简单、成本低廉。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种既能充分发挥半固态成形技术的优势，克服目前AS21、AS41等标准牌号的AS(Mg-Al-Si)系镁合金因铝含量偏低而不适合半固态触变成形的不足，又能改善目前应用最广泛的商用压铸镁合金AZ91D的耐热性；同时，在制备半固态坯料的半固态等温热处理过程中，该合金中的固相α-Mg晶粒以及初生和共晶Mg₂Si相得到了双重球化的一种半固态成形用镁合金及其半固态坯料制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的半固态成形用镁合金的优选各组分及其重量百分比为：Al 8-10％，Si 0.7-3％，Zn 0.4-1％，Mn 0.25-0.6％，余量为Mg。
本发明的半固态坯料制备方法为：按重量百分比为：Al 8-10％，Si 0.7-3％，Zn 0.4-1％，Mn 0.25-0.6％，余量为Mg的配比配制合金，在RJ-2熔剂保护下，待工业纯镁、纯铝、纯锌和Mg-Mn中间合金完全熔化后，加入真空预热的工业结晶硅，待其全部溶解后，进行机械搅拌以使合金元素均匀化，静置5～10分钟，最后捞去合金液表面浮渣，随即浇注到预热的金属型或砂型中进行重力铸造；将熔炼铸造的Mg-Al-Si系镁合金铸件置于带有保护气氛的箱式电阻炉中进行半固态等温热处理，然后快速取出放入水中进行淬火，半固态等温热处理温度为560℃～585℃，保温时间为5～40分钟。
本发明的方法还可以包括：
1、所述的半固态等温热处理的最佳条件为加热温度565℃～574℃，保温时间10～30分钟。
2、所述的在半固态等温热处理期间保护气氛可以是氩气、CO₂或CO₂/SF₆混合气体。
本发明的适合半固态成形用Mg-Al-Si系镁合金，其设计的理论依据在于：为了提高耐热性，减少晶界处低熔点非连续析出β相(Mg₁₇Al₁₂)的数量，目前AS21、AS41等标准牌号的AS(Mg-Al-Si)系镁合金中的铝含量都较低，从而导致合金的流动性变差，因此，不适合半固态触变成形。虽然AZ91D半固态浆料/坯料具有良好的流变/触变性，但其高温蠕变性能较差。在AZ91D中加入Si不仅能提高镁合金熔体的流动性，而且在晶界处形成的细小弥散分布的稳定析出相Mg₂Si具有较高的熔点(1085℃)和硬度(460HV)，可以有效地阻止在高温拉伸时晶界的滑移，从而使AZ91D压铸镁合金的耐热性能得以改善。因此，在目前广泛应用的AZ(Mg-Al-Zn)系镁合金AZ91D合金成分基础上加入Si而形成的Mg-Al-Si系镁合金，不仅能获得流变/触变性良好的半固态浆料/坯料，同时还可以提高其高温拉伸强度和蠕变性能。
本优选各组分及其重量百分比获得的合金在半固态等温热处理后，可获得由固相分数为40～60％，细小近球形固相α-Mg晶粒及Mg₂Si颗粒组成的典型半固态非枝晶组织，因此，具有良好的触变性。
采用本发明半固态等温热处理方法制备的Mg-Al-Si系镁合金半固态坯料组织演变机理在于：在半固态等温热处理初期，晶界处低熔点共晶相(Mg₁₇Al₁₂，熔点437℃)首先熔化，随后固相α-Mg二次枝晶臂快速合并粗化，这种快速合并会将部分液相裹入固相α-Mg中而形成“液岛”。随着保温时间的延长，固相α-Mg枝晶在曲率较高处(也就是枝晶端部)的溶质原子将扩散到曲率较低处，从而使固相α-Mg不断圆整化，最终可获得近球状固相α-Mg晶粒。随着保温时间的进一步延长，Ostwald粗化熟化占主导地位，使得固相α-Mg晶粒粗化，同时其数量相对减少。此外，Mg₂Si从枝晶臂根部熔断，进而尖角处溶解钝化而变得圆整。这样，该合金中的固相α-Mg晶粒以及Mg₂Si相得到了双重球化。
与现有技术相比，本发明提供的一种适合半固态成形用Mg-Al-Si系镁合金及制备半固态坯料的半固态等温热处理方法，可获得由固相分数为40～60％，细小近球形固相α-Mg晶粒及Mg₂Si颗粒组成的典型半固态非枝晶组织，具有良好的触变性，且半固态等温热处理时间与实际触变成形工艺相适应，为开发廉价耐热镁合金半固态坯料开辟了一条新途径。
(四)附图说明
图1为本发明实施例1所述的工艺过程所形成的Mg-9Al-1Si镁合金的铸态金相组织图。
图2为本发明实施例2所述的工艺过程所形成的Mg-8Al-1Si镁合金的半固态坯料金相组织图。
图3为本发明实施例3所述的工艺过程所形成的Mg-9Al-3Si镁合金的半固态坯料金相组织图。
图4为本发明实施例4所述的工艺过程所形成的Mg-10Al-1Si镁合金的半固态坯料金相组织图。
(五)具体实施方式
下面举例对本发明做更详细地描述：
实施例1：
采用工业纯镁锭(纯度99.5％)、工业结晶硅粉(纯度99.4％，粒径0.5～2mm)和纯铝锭(纯度99.9％)，按Mg-9Al-1Si合金成分配制合金，在RJ-2熔剂保护下，先将纯镁锭和纯铝锭在电阻炉中熔化，当温度升到780℃时加入硅粉并保温1小时，随后进行机械搅拌以使合金化元素硅和铝均匀化，静置10～15分钟，最后待温度降至720℃时，捞去合金液表面浮渣，浇注到金属型中进行重力铸造。对采用本发明得到的铸态Mg-9Al-1Si合金作金相组织观察，结果如图1所示。该合金组织由α-Mg基体、汉字状Mg₂Si和不连续网状分布的Mg₁₇Al₁₂相组成。
实施例2：
将按成分配比熔炼的Mg-8Al-1Si镁合金浇入金属型中进行重力铸造。此后将铸件置于带有保护气氛的箱式电阻炉中保温，然后快速取出放入水中进行淬火，半固态等温热处理温度为565℃，保温时间为10分钟。对采用本发明得到的半固态合金坯料作金相组织观察，结果如图2所示。从图中可以看出，该合金半固态坯料组织由细小近球形固相α-Mg晶粒及Mg₂Si颗粒组成，呈典型半固态非枝晶组织，因此，具有良好的触变性。
实施例3：
将按成分配比熔炼的Mg-9Al-3Si镁合金浇入金属型中进行重力铸造。此后将铸件置于带有保护气氛的箱式电阻炉中保温，然后快速取出放入水中进行淬火，半固态等温热处理温度为574℃，保温时间为20分钟。对采用本发明得到的半固态合金坯料作金相组织观察，结果如图3所示。从图中可以看出，该合金半固态坯料组织由细小近球形固相α-Mg晶粒及Mg₂Si颗粒组成，呈典型半固态非枝晶组织，因此，具有良好的触变性。
实施例4：
将按成分配比熔炼的Mg-10Al-1Si镁合金浇入金属型中进行重力铸造。此后将铸件置于带有保护气氛的箱式电阻炉中保温，然后快速取出放入水中进行淬火，半固态等温热处理温度为565℃，保温时间为30分钟。对采用本发明得到的半固态合金坯料作金相组织观察，结果如图3所示。从图中可以看出，该合金半固态坯料组织由细小近球形固相α-Mg晶粒及Mg₂Si颗粒组成，呈典型半固态非枝晶组织，因此，具有良好的触变性。