[发明专利]一种高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金及其制备方法

说明书

本发明属于金属材料工程技术领域，提供了一种高强度铸造Mg‑Zn‑Cu‑Zr合金及其制备方法。其各组分的质量百分数为：Zn 4％～10％，Cu 0.1％～1.0％，Zr 0.1％～0.5％，余量为Mg。其中低成本元素Zr的添加不仅可以细化晶粒，还能降低其他杂质元素对合金组织和性能的损害。通过对常规铸造Mg‑Zn‑Cu‑Zr合金在GPa级高压下进行凝固，细化了合金凝固组织，改善了Mg(Zn,Cu)₂相的形态与分布，进一步扩大Mg‑Zn‑Cu‑Zr合金的力学性能和高温使用范围。

技术领域

本发明属于金属材料工程技术领域，涉及一种高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金及其制备方法。

背景技术

镁合金具有良好比强度、比刚度、导热性、抗震性及可加工性，广泛应用于高端汽车、航空航天等轻量化工业生产中，已成为铝合金及钢铁行业最具吸引力的潜在替代品，被誉为“21世纪绿色金属材料”。然而，由于镁合金的强度较低、塑性较差且合金添加剂昂贵等原因，大大限制了其在工业生产上的推广和应用。

Mg-Zn-Cu合金是迄今商业化应用比较成功的Mg-Zn系耐热合金，其在150℃以下的高温性能较好，已成功用于汽车发动机部件、推进器等需耐中高温的零部件上。但由于铸造Mg-Zn-Cu合金组织较粗大，且主要强化相Mg(Zn,Cu)₂共晶相多连成网状分布在枝晶间，不但Mg(Zn,Cu)₂相的强化作用不能够充分发挥，还会降低铸造Mg-Zn-Cu合金的力学性能。为进一步提高Mg-Zn-Cu合金各项力学性能，技术人员尝试围绕合金化、热处理及挤压等工艺展开研究，例如：专利CN 102071345 A公开了一种含Zr的Mg-Zn-Cu合金，其组分的重量百分比为：Zn 5～7％，Cu 0.5～2％，Zr 0.3～0.8％，余量为Mg，经充分热处理后最大抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达240～270MPa、160～190MPa和11～17％；J.Buha研究了时效处理对Mg-6Zn-2Cu-0.1Mn合金性能的影响，其峰时效合金最大抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达220～253MPa、121～168MPa和2.8～8.6％(J.Buha，MechanicalpropertiesofnaturallyagedMg-Zn-Cu-Mnalloy，Materials Science andEngineering A，2008，489:127-137)；赵冲研究了挤压工艺对Mg-Zn-Cu-Ce合金性能的影响，经不同挤压工艺处理后合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率分别达293～321MPa、215～282MPa和2.04～15.7％(赵冲，Mg-Zn-Cu-Ce合金组织与性能研究，重庆大学硕士学位论文，2012年)。

尽管上述方法对Mg-Zn-Cu合金的力学性能有所改善，但高温下合金中的强化相易长大为过时效相，其强化效果仍不理想，且贵金属元素(如Ce等)的引入也增加了合金成本。而研究发现Mg-Zn-Cu合金较好的高温性能与Cu存在于共晶相Mg(Zn,Cu)₂有关，因此细化铸造Mg-Zn-Cu合金组织、改善Mg(Zn,Cu)₂共晶相形态与分布可显著改善合金力学性能，且成本更加低廉。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种新型低成本、高性能Mg-Zn-Cu-Zr合金的制备工艺，其中低成本元素Zr的添加不仅可以细化晶粒，还能降低其他杂质元素对合金组织和性能的损害。通过对常规铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金在GPa级高压下进行凝固，细化了合金凝固组织，改善了Mg(Zn,Cu)₂相的形态与分布，进一步扩大Mg-Zn-Cu-Zr合金的力学性能和高温使用范围。

本发明采用如下的技术方案：

一种高强度铸造Mg-Zn-Cu-Zr合金，其各组分的质量百分数为：Zn 4％～10％，Cu0.1％～1.0％，Zr 0.1％～0.5％，余量为Mg。

前述合金组分的质量百分数的优选范围为：Zn 7％，Cu 0.5％，Zr 0.2％，余量为Mg。