[发明专利]一种适合连铸的耐热Mg-Sn-Ca系镁合金及其制备方法

说明书

本发明提供一种适合连铸的耐热Mg‑Sn‑Ca系镁合金及其制备方法。以科学计算指导合金成分设计，Sn和Ca含量在Mg‑Sn‑Ca相图的特定相区内。本发明合金以Mg为凝固初生相和基体，Ca_2‑xMg_xSn(0≤x≤1)第二相细小，固液两相区在≤30℃的狭窄温区内，合金熔体流动性和充型性好，适合液态加工。本发明合金组织升温过程中，可在600℃以上才出现液相，合金耐热性高。本发明合金可再含有Zn、Mn、Cu、Na、Li、Sr、Si、Zr元素中的至少一种，合金的综合性能好，可用于制备人体植入医疗器件。

技术领域

本发明涉及一种耐热镁合金的成分设计及其制备方法，属于有色金属材料及冶金领域。

背景技术

Mg的密度仅为1.74g/cm³，约为Al的64％，Fe的22％，Mg及其合金具有比强度高、比刚度高、密度低、生物相容性好等优点，在国防军工、交通运输、电子通讯和医疗器械等领域有广泛的应用前景。目前最普遍的商用镁合金是Mg-Al-Zn系(AZ系)镁合金中的AZ31和AZ91等牌号的镁合金，它们组织中的Mg₁₇Al₁₂第二相的热稳定性低，共晶温度为437℃，合金的服役温度不超过150℃，否则力学性能显著恶化。耐热镁合金中最经典的是以WE43和WE54为代表的Mg-RE(RE代表稀土)系镁合金，它们的服役温度可达250～300℃，这得益于合金中的Mg-RE第二相热稳定性高，共晶温度在500～600℃，合金组织的热稳定性高。但是，Mg-RE系镁合金含有大量稀土元素，高成本阻碍了其商用推广。

传统Mg-Sn系镁合金中主要的第二相是热稳定性高的Mg₂Sn，共晶温度为561℃，与Mg-RE系镁合金的共晶温度处于同一水平，因此，Mg-Sn系镁合金组织的热稳定性高，是很有希望替代Mg-RE系镁合金的低成本、不含稀土元素的耐热镁合金。在Mg-Sn二元合金中加入Ca，合金中可能生成Ca_2-xMg_xSn和Mg₂Ca等含Ca第二相，其中Ca_2-xMg_xSn(该相为Mg进入Ca₂Sn形成的固溶体，当x＝1时为CaMgSn相)的热稳定性比Mg₂Sn更高，能够进一步提高Mg-Sn合金的耐热性。但是Ca_2-xMg_xSn易在镁合金熔体凝固的过程中首先析出，形成粗大的Ca_2-xMg_xSn初生相，割裂镁基体，恶化铸造加工性能和合金的力学性能。Mg-Sn-Ca系镁合金的固液两相区温度间隙可达125℃，此时难以通过连铸制备，使得合金的成材率和生产效率难以显著提高。

文献1公开了加Y细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，所述方法通过在Mg-Sn-Ca系镁合金中加入0.5～1.5wt.％的稀土元素Y来实现，所述Mg-Sn-Ca-Y合金的铸造方法为浇铸。所述文献中实施例包括的Mg-Sn-Ca基础合金的成分为：Mg-3Sn-2Ca、Mg-4Sn-1.5Ca-0.25Mn和Mg-5Sn-2.5Ca。

文献2公开了加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，所述方法通过在Mg-Sn-Ca系镁合金中加入0.05～0.15wt.％的Sr元素来实现，所述Mg-Sn-Ca-Sr合金的铸造方法为浇铸。所述文献中实施例包括的Mg-Sn-Ca基础合金的成分为：Mg-3Sn-1Ca、Mg-3Sn-2Ca、Mg-4Sn-1.5Ca-0.25Mn、Mg-5Sn-1.5Ca和Mg-5Sn-2.5Ca。

文献3公开了加Ce细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，所述方法通过在Mg-Sn-Ca系镁合金中加入0.5～1.5wt.％的稀土元素Ce来实现，所述Mg-Sn-Ca-Ce合金的铸造方法为浇铸。所述文献中实施例包括的Mg-Sn-Ca基础合金的成分为：Mg-3Sn-2Ca、Mg-4Sn-1.5Ca-0.25Mn和Mg-5Sn-2.5Ca。