一种镁锡基合金及其制备方法 【技术领域】
本发明属于金属结构材料及制备技术领域，特别是一种不含稀土的新型镁锡基合金及其冶炼和热处理工艺。
背景技术
镁合金是一种新型的轻合金，与铝合金和钛合金相比它具有密度更低，阻尼性能更好，铸造性能更优越等优点。高性能镁合金的研制是近年来各国金属材料领域的热点。镁铝系是最常用的镁合金系，但是已有的镁铝合金的使用温度一般低于150℃，不能满足许多构件的要求。目前能够改善高温强度和蠕变性能的商业镁合金主要都是以稀土元素为主要合金元素，且大多数镁稀土基合金中稀土元素的用量≥7％，但是组织稳定性问题仍然是限制这些合金使用温度的重要因素，价格则制约了这些合金在民用产品上的普及。在不含稀土元素的高温高强镁合金组分设计中，已有的工作主要分为三个方向：1，在已获得广泛应用的镁铝系合金中添加微量元素；2，以钙、硅等为主要合金元素；3，以锡为主要合金元素。镁铝基系合金可以随微量元素的不同而获得不同程度的性能改变，但是相对实际应用所需要的指标，没有本质的改善；镁钙基系和镁硅基系合金依靠晶界上稳定的共晶相起到强化作用，但是这些晶界共晶往往比较粗大，而且基体内部得不到细小弥散的强化相。目前主要的镁锡基合金多为三元合金，其中性能较好且具有商用潜力的是Mg-Sn-Zn三元镁锡基合金。该系列镁锡基合金具有一定的时效强化效果，但是达时效峰值的时间较长。合金在200-250℃时效，时效峰值在70～75HV之间，到达时效峰值所需的时间在70h～100h之间，这不利于工业生产。因此，改善镁锡基合金的工作是很有必要的。
【发明内容】
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种新型的镁锡基合金及其制备方法，通过改良组分及热处理工艺，使其具有时效强化效果明显，时效峰值出现较快，过时效缓慢，组织稳定性较好的特点，以增加镁合金的合金体系，优化其性能。
本发明提供的一种镁锡基合金，其特征在于，该镁锡基合金的组分由镁、锡、锌、锰和银五种元素组成；各组分含量的质量百分比为：
锡(Sn)：6～8％
锌(Zn)：2～3％
锰(Mn)：0.2～0.5％
银(Ag)：0.1～0.5％
其余为镁(Mg)。
本发明提供的上述镁锡基合金的制备方法，包括冶炼，均匀化热处理，时效热处理；其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备镁锡基合金坯料
按下列组分及质量百分比含量配料：6～8％锡，2～3％锌，0.2～0.5％锰，0.1～0.5％银，其余为镁；原料中各组分的纯度均超过99.99％，在坩埚中依次放入镁，锡，锌，锰，银，加热至700～720℃，搅拌8-10分钟，静置6-10分钟成合金液体，将合金液体浇注到铸造用冷模具中形成镁锡基合金坯料；
步骤二：均匀化热处理
将镁锡基合金坯料放入常规电阻炉，在空气气氛下进行加热，加热温度为440-450℃，保温时间为27-30小时，冷水淬火得到均匀化的镁锡基合金；
步骤三：时效热处理
将均匀化的镁锡基合金在常规电阻炉中空气气氛下进行时效热处理，加热温度为200-220℃，保温时间为25～30小时，冷水淬火得到时效强化的镁锡基合金。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明提出的这种镁合金的特征在于综合考察了Mg-Sn、Mg-Zn、Mg-Mn等相图，以及可能的金属间化合物，采用廉价的主合金元素，不含稀土元素，只需要添加微量的银元素，其余主要合金元素均为较便宜的非稀土元素，材料的成本在可接受的范围。
2、本发明的镁锡基合金具备高温高强应用的潜力，时效峰值超过80HV，高于其他系列的镁锡基合金。
3、本发明所制备的镁锡基合金，时效峰值到达的时间为25-30小时，远低于其他系列的镁锡基合金，很大程度上节省了热处理所需要的时间和热处理需要的能耗。
4、本发明所制备的镁锡基合金在200℃以上时效，合金显微硬度值在55小时之后稳定保持在70HV左右，材料组织的高温稳定性能很好。
5、本发明设计地镁锡基合金可以通过常规电阻炉进行热处理，热处理过程中无需氩气等气体保护，无需额外增加特殊设备，在企业应用时可节约设备成本。
【具体实施方式】
本发明的目的是提供一种高温性能稳定且时效反应较快的镁锡基合金。
通过如下实施例对本发明做进一步说明：
实施例1：
步骤一：制备镁锡基合金坯料
(1)按下列组分及质量百分比含量配料：6％锡，2％锌，0.2％锰，0.1％银，其余为镁；原料的纯度均为99.999％，坩埚和铸造用模具采用低碳钢材质。坩埚目标温度定为700℃；然后将所述各种配料放在烘箱中预热至160℃，同时将占所制备镁锡基合金总重量2wt％的RJ-2覆盖剂放入烘箱中烘烤；将浇铸用模具在另外的箱式炉中预热至300℃；
(2)当坩埚升温至300℃时，通入CO2气体至坩埚内进行气体置换，然后在坩埚底部加入1/2左右的已烘烤的覆盖剂，再后将预热好的纯镁配料放入坩埚内；
(3)镁配料熔化并且等坩埚温度稳定在700℃后，根据熔点由高到低依次加入预热的其它各种配料，然后熔体进行搅拌约8分钟；此过程中，酌情加入剩余的已烘烤的覆盖剂，以表面不燃为准；
(4)坩埚温度稳定在700℃后，熔体静置6分钟，按体积百分比，在99.5％空气(或CO2)+1％SF6混合气体保护下掏渣；
(5)掏渣完毕后，维持坩埚温度稳定在700℃，按体积百分比，在99.5％空气(或CO2)+1％SF6混合气体保护下浇铸成镁锡基合金坯料；
步骤二：均匀化热处理
将镁锡基合金坯料放入常规电阻炉，在空气气氛下进行加热，加热温度为440℃，保温时间为27小时，冷水淬火得到均匀化的镁锡基合金；
步骤三：时效热处理
将均匀化的镁锡基合金在常规电阻炉中空气气氛下进行时效热处理，时效过程中使用的温度为200℃，保温时间为30小时，冷水淬火得到时效强化的镁锡基合金。
实施例2：
步骤一：制备镁锡基合金坯料
(1)按下列组分及质量百分比含量配料：7％锡，2.5％锌，0.3％锰，0.3％银，其余为镁。原料的纯度均为99.999％，坩埚和铸造用模具采用低碳钢材质。定坩埚目标温度为710℃，然后将所述各种配料放在烘箱中预热至160℃，同时将占所制备镁锡基合金总重量2wt％的RJ-2覆盖剂放入烘箱中烘烤；将浇铸用模具在另外的箱式炉中预热至300℃；
(2)当坩埚升温至300℃时，通入CO2气体至坩埚内进行气体置换，然后在坩埚底部加入1/2左右的已烘烤的覆盖剂，再后将预热好的纯镁配料放入坩埚内；
(3)镁配料熔化并且等坩埚温度稳定在710℃后，根据熔点由高到低依次加入预热的其它各种配料，然后熔体进行搅拌约9分钟；此过程中，酌情加入剩余的已烘烤的覆盖剂，以表面不燃为准。
(4)坩埚温度稳定在710℃后，熔体静置8分钟，按体积百分比，在99.5％空气(或CO2)+1％SF6混合气体保护下掏渣；
(5)掏渣完毕后，维持坩埚温度稳定在710℃，按体积百分比，在99.5％空气(或CO2)+1％SF6混合气体保护下浇铸成镁锡基合金坯料。
步骤二：均匀化热处理
将镁锡基合金坯料放入常规电阻炉，在空气气氛下进行加热，加热温度为445℃，保温时间为28小时，冷水淬火得到均匀化的镁锡基合金。
步骤三：时效热处理
将均匀化的镁锡基合金在常规电阻炉中空气气氛下进行时效热处理，时效过程中使用的温度为210℃，保温时间为27小时，冷水淬火得到时效强化的镁锡基合金。
实施例3：
步骤一：制备镁锡基合金坯料
(1)按下列组分及质量百分比含量配料：8％锡，3％锌，0.5％锰，0.5％银，其余为镁。原料的纯度均为99.999％，坩埚和铸造用模具采用低碳钢材质。定坩埚目标温度为720℃，开始加热。然后将各种配料放在烘箱中预热至160℃，同时将占所制备镁锡基合金总重量2wt％的RJ-2覆盖剂放入烘箱中烘烤；将浇铸用模具在另外的箱式炉中预热至300℃。
(2)当坩埚升温至300℃时，通入CO2气体至坩埚内进行气体置换，然后在坩埚底部加入1/2左右的已烘烤的覆盖剂，再后将预热好的纯镁配料放入坩埚内。
(3)镁配料熔化并且等坩埚温度稳定在720℃后，根据熔点由高到低依次加入预热的各种配料，然后熔体进行搅拌约10分钟；此过程中，酌情加入剩余的已烘烤的覆盖剂，以表面不燃为准。
(4)坩埚温度稳定在720℃后，熔体静置10分钟，按体积百分比，在99.5％空气(或CO2)+1％SF6混合气体保护下掏渣；
(5)掏渣完毕后，维持坩埚温度稳定在720℃，按体积百分比，在99.5％空气(或CO2)+1％SF6混合气体保护下浇铸成镁锡基合金坯料。
步骤二：均匀化热处理
将镁锡基合金坯料放入常规电阻炉，在空气气氛下进行加热，加热温度为450℃，保温时间为30小时，冷水淬火得到均匀化的镁锡基合金。
步骤三：时效热处理
将均匀化的镁锡基合金在常规电阻炉中空气气氛下进行时效热处理，时效过程中使用的温度为220℃，保温时间为25小时，冷水淬火得到时效强化的镁锡基合金。