[发明专利]一种高强度的Mg‑Al‑Zn合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度的Mg-Al-Zn合金材料及其制备方法，属于金属材料类领域。

背景技术

镁合金具有高的比强度和刚度、磁屏蔽性能、切削性能、减震性能、及可回收性，使得镁合金近年来在工业上得到了越来越广泛的应用。其中，又以镁合金在汽车零部件中的应用为重点，以满足汽车工业轻量化的要求。轻量化材料对汽车工业的可持续性发展具有重要意义，它不仅关系到车辆的节能、减排、安全、成本等诸多方面，而且汽车轻量化材料的应用对世界能源、自然资源和环境保护具有深刻的影响，它已成为汽车材料技术发展的主导方向。由于汽车轮毅、发动机和传动机的壳体零部件需要具有较高强度和较高塑性的材料，并且要求耐磨，耐腐蚀，表面光洁度好，能在较恶劣的环境条件下使用，所以镁合金在汽车上的应用是研究应用的热点。Mg-Al-Zn镁合金不仅成本低，而且具有良好的力学性能、铸造性能以及耐腐蚀性能，因此成为镁铝锌系中应用最为广泛的的合金之一，用于制造形状复杂的薄壁铸件，但是制作发动机和传动机的壳体、手动工具等，强度则偏低，综合性能达不到发动机和传动机的壳体零件的使用要求，尤其是强度方面。目前，提高其强度的有效的途径主要有合金化、强化相增强、变质和晶粒细化处理等。研究表明，添加适量的元素能细化镁合金的铸态组织，并具有合金化效果，可以使镁合金的力学性能、延展性和耐腐蚀性等都有所提高，因而引起了人们的积极关注。对Mg-Al-Zn镁合金进行适当的T6热处理，还可产生固溶时效强化作用，提高合金的屈服强度和硬度。

发明内容

本发明针对目前Mg-Al-Zn镁合金强度低的状况，提供了一种Cu、Mn组元复合增强Mg-Al-Zn镁合金材料的制备技术。在Mg-Al-Zn系的AZ91镁合金为基础，以适当工艺加入一定量的Cu和Mn，这样既保留了该系合金较高塑性的优点，又改善了合金的强度和硬度。与传统AZ91铸造镁合金相比，本发明制得的镁合金在综合力学性能方面得到明显提高，合金的抗拉强度、屈服强度、硬度分别达到：165~190MPa、105~121MPa、72~84HB。采用所发明的制备工艺，合金液温度较低，Cu损耗少，Mn容易加入，成分易于控制，从而提升了合金品质。

本发明的特点在于：

通过将Cu、Mn元素添加到Mg-Al-Zn镁合金中，通过弥散强化、细晶强化作用，在不明显降低该系镁合金优良塑性的前提下有效提高了镁合金的强度、硬度等性能。金相组织显示，加入Cu、Mn元素后，连续的网状组织不再粗大，网状组织变得稀疏、细小、分散。合金组织发生明显变化，β相完全呈断续状弥散分布，均匀的分布在基体合金内。网状组织明显减少，有大部分连续状物沿着晶界析出，且基体内断续分布的第二相数量增多，产生弥散强化和细晶强化作用；合金中析出的第二相是其强度的主要贡献部分，但晶界处析出相如果呈连续的网状组织，就会对基体会产生割裂，弥散分布的第二相则对基体的割裂相对要弱，同时断续状分布的的第二相可以产生钉扎位错的作用，即为弥散强化，因此合金的强度硬度得到了提高。Mn元素的添加可以提高合金的耐腐蚀性，细化晶粒。所以Cu、Mn元素产生的复合弥散强化、细晶强化作用是使合金力学性能得到明显提高的主要原因。

本发明是通过以下步骤来实现的：

本发明镁合金是由以下重量配比的组分组成(wt%)：8.3%~9.7%Al、0.35%~1.0%Zn、0.1%~0.8%Mn，0.1%~1.0%Cu，其余为镁和不可避免杂质。其中，Mn是以Al-Mn中间合金的形式加入的，其组元重量配比为：10%Mn，其余为铝；Cu是以Al-Cu中间合金的形式加入，其组元重量配比为：20%Cu，其余为铝。

本发明的镁合金材料最佳的合金成分重量配比为：9.0%Al、1.0%Zn、0.3%Mn、0.5%Cu，其余为镁和不可避免杂质。

本发明的镁合金的制备方法为：

（1）按重量配比为10%Mn、90%Al为原料，放入石墨-粘土坩埚中，使用中频炉加热熔化，搅拌均匀后，静置5~10分钟后浇注金属型，制得Al-10%Mn中间合金；

（2）按重量配比为20%Cu、80%Al为原料，放入石墨-粘土坩埚中，使用中频炉加热熔化，搅拌均匀后，静置5~10分钟后浇注金属型，制得Al-20%Cu中间合金；