一种Mg-Zn-Al-RE-Ca耐热镁合金的制作方法

本发明涉及一种轻金属结构材料，尤其是涉及一种耐热镁合金。

背景技术：

镁合金具有密度小，比强度高等优点，被广泛的应用于汽车、航空航天等领域。但是，铸造镁合金普遍存在强度较低、高温耐热性能不足等问题，限制了其大规模应用。目前应用较多的铸造镁合金主要为mg-al-zn(mn)体系。由于热裂、耐腐蚀性能等原因，mg-al-zn(mn)体系镁合金中zn元素的含量被限制在1％以内(质量百分数)。研究发现，通过选择合适的zn/al比值，高锌含量mg-zn-al合金同样具有良好的铸造性能及耐腐蚀性能。并且，该种合金的高温力学性能优于传统的低锌mg-al-zn(mn)合金，被认为是一种低成本的耐热镁合金体系。然而，由于mg-zn-al合金的铸造性能(如抗热裂性能)对铸造工艺极其敏感，而且大量粗大、硬脆共晶第二相的形成导致合金的室温塑性较差，因此该体系合金一直未得到大规模推广应用。

微量或少量碱土金属元素(ca和sr等)的加入可以提高mg-zn-al体系合金的耐热性能，但是会给合金带来粘模等铸造问题。在mg-zn-al合金中加入较高含量的轻稀土(或混合轻稀土)可以减少或抑制低熔点、粗大共晶第二相，生成高热稳定性的al2rezn2、al2re和al11re3(re为稀土)等第二相。而且，通过控制zn、al及re的含量，mg-zn-al-re合金具有良好的铸造性能以及室温和高温强塑性。因此，进一步降低成本，发展通过稀土合金化和其它合金化元素共同作用改善mg-zn-al合金铸造性能及力学性能的合金化方法，具有重要的工程应用价值。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种mg-zn-al-re-ca耐热镁合金，由以下的组分(质量百分数)组成：锌2-8％、铝2-8％、稀土0.1-4％、钙0.1-4％、杂质元素含量少于0.2％，其余为镁。

本发明的有益效果包括：

1)锌是主要合金化元素，锌的添加可以改善合金的塑性，锌在镁中 的最大固溶度(质量百分数)为6.2％，且固溶度随温度的降低而减小,具有固溶强化和时效强化的双重作用，而且zn在蠕变过程中向晶界偏聚，从而限制位错蠕变。

2)铝是主要的合金化元素，可以改善镁合金的流动性，从而提高铸造性能。

3)稀土在本发明中有双重作用：首先，稀土在本发明中是用于提高耐热性能的元素，稀土加入后与zn、al生成al2re和al2rezn2等高熔点第二相；而且稀土能提高mg-zn-al-ca的铸造性能。

4)钙是本发明中用于提高耐热性能的元素，钙加入后生成ca2mg6zn3,al-ca和al-mg-ca等高热稳定性第二相。而且，钙的添加可以细化枝晶组织,从而提高室温和高温力学性能。此外，钙的成本低廉，可用于工业生产。

附图说明

图1显示了本发明的实施例1－4的室温拉伸力学性能。

图2显示了本发明的实施例1－4的高温拉伸力学性能。

图3显示了本发明的实施例1－4的差示扫描量热法测定的加热曲线。

图4显示了本发明的实施例1和3-6的样品实物的铸件表面质量。

图5显示了本发明的实施例3的铸态组织。

具体实施方式

本发明提供一种mg-zn-al-re-ca耐热镁合金，该耐热镁合金具有高温强度好，铸造性能优良，低成本等特点。

一种mg-zn-al-re-ca耐热镁合金，其特征在于包括锌、铝、稀土、钙和镁，其配比(质量百分数)为：锌2-8％，铝2-8％，稀土：0.1％-4％，钙：0.1％-4％；本发明实施例所用的稀土和钙分别以mg-re和mg-ca中间合金的形式加入,中间合金的成分(质量百分数)为mg-30re,mg-20ca。本发明实例所涉及到的原料镁(mg)、锌(zn)、铝(al)中间合金mg-re和mg-ca均为市场售品。原料的纯度为mg:99.9％；al:99.9％；zn:99.9％；mg-30re:99.5％；mg-20ca:99.5％。

实施例1

配料：

按下述质量百分数进行配料：zn:4％；al:4％；re:3％；ca:1％，余量为mg。本实例的稀土为富镧混和稀土。上述原料经过机械打磨，除去表面的污物、氧化物。熔炼前，原料在在干燥箱中预热至175℃，经 过20min加热除去水分。

准备：

采用45#钢模具，预先在模具上刷一层涂料，将模具预热至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆盖剂为nacl和kcl,配比为nacl：kcl＝3:1(质量百分数)。精炼剂的成分为85-90％(质量百分数)覆盖剂+10-15％caf2(质量百分数)。

搅拌棒，捞渣勺和坩埚等工具在175℃预热20min。

制备：

首先，在坩埚底部预撒一层覆盖剂，并将坩埚加热至暗红色，投入镁锭，将炉温升至780℃。待镁锭全部熔化后，依次加入纯zn，纯al，mg-20ca中间合金，mg-30re中间合金，再次撒上覆盖剂。当原料全部熔化后，用铝箔包裹精炼剂按入熔体中，用搅拌棒精炼3min。用捞渣勺除去表面浮渣。然后，将炉温降至740℃，静置20min。扒渣，浇铸。

实施例2

配料：

按下述质量百分数进行配料：zn:4％；al:4％；re:2.5％；ca:1.5％，余量为mg。本实例的稀土为富镧混和稀土。上述原料经过机械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔炼前，原料在在干燥箱中预热至175℃，经过20min加热除去水分。

准备：

采用45#钢模具，预先在模具上刷一层涂料，将模具预热至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆盖剂为nacl和kcl,配比为nacl：kcl＝3:1(质量百分数)。精炼剂的成分为85-90％(质量百分数)覆盖剂+10-15％caf2(质量百分数)。

搅拌棒，捞渣勺和坩埚等工具在175℃预热20min。

制备：

首先，在坩埚底部预撒一层覆盖剂，并将坩埚加热至暗红色，投入镁锭，将炉温升至780℃。待镁锭全部熔化后，加入纯zn，纯al，mg-20ca中间合金，mg-30re中间合金，再次撒上覆盖剂。当原料全部熔化后，用铝箔包裹精炼剂按入熔体中，用搅拌棒精炼3min。用捞渣勺除去表面浮渣。然后，将炉温降至740℃，静置20min。扒渣，浇铸。

实施例3

配料：

按下述质量百分数进行配料：zn:4％；al:4％；re:2％；ca:2％，余量为mg。本实例的稀土为富镧混和稀土。上述原料经过机械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔炼前，原料在在干燥箱中预热至175℃，经过20min加热除去水分。

准备：

采用45#钢模具，预先在模具上刷一层涂料，将模具预热至200 ℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆盖剂为nacl和kcl,配比为nacl：kcl＝3:1(质量百分数)。精炼剂的成分为85-90％(质量百分数)覆盖剂+10-15％caf2(质量百分数)。

搅拌棒，捞渣勺和坩埚等工具在175℃预热20min。

制备：

首先，在坩埚底部预撒一层覆盖剂，并将坩埚加热至暗红色，投入镁锭，将炉温升至780℃。待镁锭全部熔化后，加入纯zn，纯al，mg-20ca中间合金，mg-30re中间合金，再次撒上覆盖剂。当原料全部熔化后，用铝箔包裹精炼剂按入熔体中，用搅拌棒精炼3min。用捞渣勺除去表面浮渣。然后，将炉温降至740℃，静置20min。扒渣，浇铸。

实施例4

配料：

按下述质量百分数进行配料：zn:4％；al:4％；re:1％；ca:3％，余量为mg。本实例的稀土为富镧混和稀土。上述原料经过机械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔炼前，原料在在干燥箱中预热至175℃，经过20min加热除去水分。

准备：

采用45#钢模具，预先在模具上刷一层涂料，将模具预热至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆盖剂为nacl和kcl,配比为nacl：kcl＝3:1(质量量百分数)。精炼剂的成分为85-90％(质量百分数)覆盖剂+10-15％caf2(质量百分数)。

搅拌棒，捞渣勺和坩埚等工具在175℃预热20min。

制备：

首先，在坩埚底部预撒一层覆盖剂，并将坩埚加热至暗红色，投入镁锭，将炉温升至780℃。待镁锭全部熔化后，加入纯zn，纯al，mg-20ca中间合金，mg-30re中间合金，再次撒上覆盖剂。当原料全部熔化后，用铝箔包裹精炼剂按入熔体中，用搅拌棒精炼3min。用捞渣勺除去表面浮渣。然后，将炉温降至740℃，静置20min。扒渣，浇铸。

实施例5

配料：

按下述质量百分数进行配料：zn:6％；al:2％；re:1％；ca:3％，余量为mg。本实例的稀土富铈混和稀土。上述原料经过机械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔炼前，原料在在干燥箱中预热至175℃，经过20min加热除去水分。

准备：

采用45#钢模具，预先在模具上刷一层涂料，将模具预热至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆盖剂为nacl和kcl,配比为nacl：kcl＝3:1(质量百分数)。精炼剂的成分为85-90％(质量百分数)覆盖剂+10-15％caf2(质量百分数)。

搅拌棒，捞渣勺和坩埚等工具在175℃预热20min。

制备：

首先，在坩埚底部预撒一层覆盖剂，并将坩埚加热至暗红色，投入镁锭，将炉温升至780℃。待镁锭全部熔化后，加入纯zn，纯al，mg-20ca中间合金，mg-30re中间合金，再次撒上覆盖剂。当原料全部熔化后，用铝箔包裹精炼剂按入熔体中，用搅拌棒精炼3min。用捞渣勺除去表面浮渣。然后，将炉温降至740℃，静置20min。扒渣，浇铸。

实施例6

配料：

按下述质量百分数进行配料：zn:2％；al:6％；re:1％；ca:3％，余量为mg。本实例的稀土为富铈混和稀土。上述原料经过机械打磨，除去表面的污物，氧化物。熔炼前，原料在在干燥箱中预热至175℃，经过20min加热除去水分。

准备：

采用45#钢模具，预先在模具上刷一层涂料，将模具预热至200℃。涂料成分是滑石粉，硼酸，水玻璃和水。覆盖剂为nacl和kcl,配比为nacl：kcl＝3:1(质量百分数)。精炼剂的成分为85-90％(质量百分数)覆盖剂+10-15％caf2(质量百分数)。

搅拌棒，捞渣勺和坩埚等工具在175℃预热20min。

制备：

首先，在坩埚底部预撒一层覆盖剂，并将坩埚加热至暗红色，投入镁锭，将炉温升至780℃。待镁锭全部熔化后，加入纯zn，纯al，mg-20ca(质量百分数)中间合金，mg-30la(质量百分数)中间合金，再次撒上覆盖剂。当原料全部熔化后，用铝箔包裹精炼剂按入熔体中，用搅拌棒精炼3min。用捞渣勺除去表面浮渣。然后，将炉温降至740℃，静置20min。扒渣，浇铸。

图1和图2分别是实施例1-4的室温和高温拉伸曲线，从图1和图2可以看出在mg-zn-al系合金中添加re和ca得到了较优的力学性能。图1是实施例1-4的样品的室温拉伸曲线，可见，通过re与ca的复合添加合金的抗拉强度高于156mpa，屈服强度高于72mpa，延伸率大于2.4％。图2是实施例1-4的样品的高温(175℃)拉伸曲线，从图中可以看出：随着温度的升高，合金的抗拉强度损失并未变得很大。当re与ca的含量分别为2％和2％(质量百分数)时，得到了较优的力学性能。

从图3和图4显示了添加re和ca能改善mg-zn-al的的铸造性能。图3是差示扫描量热法所测的实施例1-6的样品的凝固曲线；图3表明，re和ca的添加扩大了α-mg的凝固区间，改善了熔体的流动性，有利于合金充型。图4是合金的铸件表面质量，可以很明显的看出：与不添加ca和re的的mg-4zn-4al相比，实施例1和3-6的样品的表面质量光泽，氧化较少，而且充型能力好。

图5是本发明的实施例3的样品的典型的铸态组织，从图中可以看出添加re与ca抑制了mg-al、mg-zn、mg-zn-al等低熔点第二相，使得合金中形成高热稳定的al-re-zn、al-re、al-ca、al-mg-ca和ca-mg-zn等第二相。而且，这些含re或ca的第二相具有高的热稳定性。在变形过程中可以阻止晶界的滑移。