[发明专利]一种Bi和Nd复合强化的高强铸造镁合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料镁合金领域，具体为一种Bi和Nd复合强化的高强铸造镁合金，它是一种含Al、Zn、Mn、Bi与Nd的镁合金。

背景技术

现代工业对产品提出了轻量化和高强化的要求，镁合金以其密度小、比强度和比刚度高、导电导热性和电磁屏蔽性好，以及优良的切削加工性等优点，逐渐成为现代工业产品理想的替代材料，近年来市场需求一直呈稳定增长趋势，在汽车、电子产品和航空航天等领域得到越来越广泛的应用。

传统的AZ系镁合金，如AZ31、AZ61、AZ80和AZ91等由于成本较低、铸造性能优良成为目前应用最广泛的一类合金，但仍然存在一些问题。铸态下AZ系镁合金由于晶界及枝晶间分布有粗大的连续网状β-Mg₁₇Al₁₂相，承受载荷过程中该相容易破裂产生微裂纹，裂纹沿晶界扩展失效，从而恶化合金性能，导致合金强度不高，限制了其在工业上的应用。因此，为适应市场需求，扩大镁合金的应用范围，开发一种新型高强铸造镁合金，是目前镁合金领域的重要研究方向之

发明内容

为解决现有AZ系镁合金强度低的问题，本发明的目的在于提供一种Bi和Nd复合强化的高强铸造镁合金，以细晶强化和析出强化的方式，来提高合金的力学性能，以扩大镁合金的应用范围。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种Bi和Nd复合强化的高强铸造镁合金，合金各组分及其重量百分比为：3.0～10.0％Al、0.01～1.0％Zn、0.01～1.0％Mn、0.01～3.0％Bi、0.01～3.0％Nd，杂质元素Fe＜0.005％、Cu＜0.015％、Ni＜0.002％，其余为Mg。

其中，Mn、Nd以Al-Mn、Mg-Nd中间合金的形式加入，Al、Zn、Bi以纯Al、纯Zn、纯Bi的方式来加入。

本发明以3.0～10.0％Al作为基本成分，同时加入0.01～3.0％Bi和0.01～3.0％Nd来细化合金晶粒尺寸，变质镁合金中的Mg₁₇Al₁₂相，同时形成Mg₃Bi₂、Al₂Nd和Al₁₁Nd₃增强相，起到组织细化和析出强化的作用，从而提高合金强度。加入0.01～1.0％Zn是为了提高合金的强度和铸造性能，加入0.01～1.0％Mn是为提高合金的抗腐蚀性能。

所述的Bi和Nd复合强化的高强铸造镁合金，合金各组分及其重量百分比优选为：5.0～9.0％Al、0.1～0.8％Zn、0.1～0.7％Mn、0.1～2.0％Bi、0.1～2.0％Nd，杂质元素Fe、Cu、Ni总量＜0.015％，其余为Mg。

本发明合金的熔铸工艺如下：熔炼过程在气体保护下进行，将工业纯镁熔化后，分别加入纯Al、纯Zn、纯Bi、Al-Mn中间合金和Mg-Nd中间合金，待合金元素完全溶解后，采用常规的镁合金精炼剂进行精炼，保温除渣后进行铸造，铸造方法可采用压力铸造、金属型铸造或者砂型铸造。

本发明合金的热处理方式为：固溶+时效(T6)，先在400～450℃下固溶处理16～20小时，50～80℃热水淬火至室温，然后在150～250℃下时效20～30小时，空冷至室温。

本发明的优点及有益效果如下：

1.合金化是实际应用中最根本和最有效的强化途径。研究表明：Bi元素在镁合金中可以起到细晶强化、析出强化等作用来改善镁合金的性能；稀土元素Nd可以起到净化熔体、细化晶粒、生成热稳定相强化粒子等作用改善镁合金的组织，提高其性能。若将两种合金元素的强化叠加，则能更有效地提高镁合金的性能。因此，研发一种Bi和Nd复合强化的高强镁合金，拓展Bi和Nd元素在镁合金中的应用，具有重要的意义。

2.与现有镁合金相比，本发明合金铸态下组织明显细化，β-Mg₁₇Al₁₂相由连续网状变为完全断续分布。以Mg-8Al-0.5Zn-0.2Mn-0.6Bi-0.8Nd为例，晶粒尺寸细化至114μm，与相同条件的AZ80相比(如图1a所示)，晶粒明显细化；通过Bi和Nd复合强化的方式，生成细小条状或颗粒状Mg₃Bi₂、Al₂Nd和Al₁₁Nd₃相弥散分布于基体中。以析出强化和细晶强化的方式，获得了具有优良综合力学性能的合金。