專利名稱：Mg-Si-Sn系鎂合金及變質(zhì)其中漢字狀共晶Mg₂Si相的熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種Mg-Si-Sn系鎂合金及變質(zhì)其中漢字狀共晶Mg2Si相的 熱處理工藝。
背景技術(shù)：
鎂合金作為最輕的工程金屬結(jié)構(gòu)材料，由于具有許多優(yōu)異的性能如比強(qiáng)度 和比剛度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，兼有良好的阻尼減震和電磁屏蔽性能，易于成形， 良好的再生回用等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是本世紀(jì)最有開發(fā)前途和應(yīng)用潛力的"綠色工 程材料"。但是，鎂合金較低的耐熱性能(熱強(qiáng)性能和熱穩(wěn)定性能)限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。目前，耐熱鎂合金體系主要有鎂-鋁系、鎂-鋅系和鎂-稀土系。對(duì)于鎂-鋁系 來(lái)說(shuō)，又有(1) Mg-Al-Si (AS)系，如商用AS41、 AS21合金。這類合金的耐 熱強(qiáng)化機(jī)理主要是在晶界處形成細(xì)小彌散的熱穩(wěn)定相Mg2Si，該相在300°C以下 相當(dāng)穩(wěn)定，但此類合金的流動(dòng)性差，鑄造困難，較難應(yīng)用；(2) Mg-Al-Ca (AC) 系如王渠東等人申請(qǐng)?zhí)枮?00410066789.7發(fā)明專利中的"含Ca、 Si高強(qiáng)抗蠕變 變形鎂合金"、MgAlCa33和ACM522合金。這類合金的耐熱強(qiáng)化機(jī)理主要是Ca 與合金中的Al和Mg形成高熔點(diǎn)化合物Al2Ca和Mg2Ca，但由于使用了較高含 量的Ca元素，形成粗大的Al2Ca，合金的塑形及韌性很低，鑄造性能也很差。 同時(shí)，Ca的添加量若超過(guò)0.5W則經(jīng)濟(jì)上也不合算；(3) Mg-Al-RE (AE)系， 如商用AE42合金。由于AE合金含有稀土元素，故生產(chǎn)成本高?？偟膩?lái)說(shuō)，由 于鎂-鋁系合金組織中不可避免地存在著低烙點(diǎn)共晶相Mg17Al12 (437°C)，同樣 地，鎂-鋅系中也存在著一種低熔點(diǎn)共晶相MgZn相(347°C)，使得這兩類合金 的長(zhǎng)期使用溫度不能超過(guò)120-200°C。雖然鎂-稀土系合金如WE54，具有顯著
的時(shí)效硬化效果，室溫、高溫拉伸性能和抗蠕變性能都非常優(yōu)異，是商業(yè)化合 金中耐熱性最好的，長(zhǎng)期使用溫度也僅為30(TC，其缺點(diǎn)是由于稀土含量較高， 導(dǎo)致鑄造性能較差和成本高，商業(yè)化應(yīng)用難以推廣。因此，當(dāng)前耐熱鎂合金的開發(fā)應(yīng)兼顧提高性能和降低成本兩個(gè)方面。最近，Si、 Sn等被廣泛認(rèn)為是提高 鎂合金強(qiáng)度和耐熱性的有益元素，因此，聯(lián)合加入Si、 Sn進(jìn)行合金化來(lái)改善現(xiàn) 有耐熱鎂合金的性能并開發(fā)新型廉價(jià)耐熱鎂合金將是今后一個(gè)重要的發(fā)展方 向。為了滿足更高溫度下抗蠕變性能的使用要求，合金中必須盡量避免低熔點(diǎn) 共晶相，如上述MgnAl,2相和MgZn相的形成；同時(shí)，為了充分發(fā)揮高熔點(diǎn)熱 穩(wěn)定析出相(如上述Mg2Si相)的強(qiáng)化效果，必須提高其含量。遺憾的是，隨 著Si含量的增加，含Si鎂合金在較慢的冷卻條件下，會(huì)形成粗大樹枝狀初生 Mg2Si和漢字狀或纖維狀共晶Mg2Si，這樣的Mg2Si相周圍會(huì)存在很大的應(yīng)力集 中，割裂了基體，從而顯著地惡化了合金的力學(xué)性能，特別是延伸率，并且冷 卻速度越慢越容易形成粗大樹枝狀和漢字狀或纖維狀Mg2Si，使得含Si鎂合金 僅適用于冷卻速率較快的壓鑄件，而無(wú)法用于傳統(tǒng)的重力鑄造和砂型鑄造等工 藝。因此，探索含Si鎂合金中Mg2Si相的變質(zhì)機(jī)理及工藝優(yōu)化，使Mg2Si相以 細(xì)小、彌散形式分布于鎂合金基體和晶界中，對(duì)于提高和改善含Si鎂合金的綜 合力學(xué)性能并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用就顯得尤為重要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從合金化和或微合金化出發(fā)，采用多種變質(zhì)劑如采用 Sb、 Na鹽、KBF4、 Sr等變質(zhì)劑抑制初生Mg2Si相的擇優(yōu)生長(zhǎng)，使粗大樹枝狀 初生Mg2Si轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小多邊形塊狀；采用Ca、 P、 A1P和稀土 Nd等變質(zhì)劑使?jié)h 字狀或纖維狀共晶Mg2Si相粒化。但變質(zhì)的同時(shí)也伴隨著各種各樣問(wèn)題的產(chǎn)生， 如P易燃而產(chǎn)生大量煙霧，使得加入量難以控制；Na鹽、KBF4在變質(zhì)過(guò)程中會(huì) 產(chǎn)生飛濺及夾雜；Ca易引起熱裂等。因此，這些問(wèn)題的存在使得通過(guò)合金化和 或微合金化手段來(lái)變質(zhì)Mg2Si相形貌在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用上受到了很大的限制。
等溫?zé)崽幚矸椒捎行ё冑|(zhì)漢字狀共晶Mg2Si相，可參閱楊明波等人申請(qǐng)?zhí)枮?00610095200.5的"用于變質(zhì)Mg-Al-Si系鎂合金中漢字狀Mg2Si相的等溫 熱處理方法"的發(fā)明專利。由于該專利變質(zhì)的是Mg-Al-Si (AS)系鎂合金，其 中不可避免地存在著低熔點(diǎn)共晶相Mgl7Al12 (437°C)。為避免產(chǎn)生過(guò)燒、變形 等熱處理缺陷，熱處理溫度不能過(guò)高，通常小于425。C，因此，要達(dá)到較好的變 質(zhì)處理效果就需要長(zhǎng)時(shí)間的保溫，通常要12~24小時(shí)，結(jié)果生產(chǎn)效率不高，能 耗較大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有耐熱鎂合金的不足以及突破傳統(tǒng)的通過(guò)合金化 和或微合金化手段來(lái)變質(zhì)Mg2Si相形貌的方法，提出一種Mg-Si-Sn系鎂合金及 變質(zhì)其中漢字狀共晶Mg2Si相的熱處理工藝。通過(guò)聯(lián)合加入典型的具有沉淀強(qiáng) 化作用的廉價(jià)元素Si和Sn，使二者與鎂形成非常有效的高熔點(diǎn)強(qiáng)化相Mg2Si 和Mg2Sn來(lái)復(fù)合強(qiáng)化鎂合金，克服單純以Mg2Si或Mg2Sn增強(qiáng)鎂合金耐熱性不 足以及綜合力學(xué)性能較差等問(wèn)題。同時(shí)，采用高溫短時(shí)等溫?zé)崽幚碜冑|(zhì)Mg-Si-Sn 系鎂合金中共晶Mg2Si相的新工藝，使?jié)h字狀或纖維狀共晶Mg2Si球化，由此 細(xì)小、近球形Mg2Si相彌散分布于鎂合金基體和晶界，既強(qiáng)化了基體，又釘扎 了晶界，從而提高了 Mg-Si-Sn系鎂合金的高溫蠕變性能和綜合力學(xué)性能。本發(fā)明所述的一種Mg-Si-Sn系耐熱鎂合金，其設(shè)計(jì)的理論依據(jù)在于根據(jù) Mg-Si和Mg-Sn 二元相圖，Si在鎂中的固溶度很小，僅為0.003 at%，在凝固過(guò) 程中大部分Si與Mg反應(yīng)以Mg2Si形式析出；在Mg-Sn 二元相圖富Mg側(cè)的共 晶轉(zhuǎn)變溫度(561.2°C)處，Sn在Mg中的飽和固溶度為14.85 wt%，室溫下僅 為0.035 at.%。 Sn在Mg中的飽和固溶度隨溫度下降快速減小，有利于采取時(shí)效 處理，促進(jìn)細(xì)小球形第二相Mg2Sn在晶界和-Mg基體內(nèi)脫溶析出，獲得彌散 強(qiáng)化的組織。此外，Sn在Mg中擴(kuò)散速率較低，40(TC時(shí)擴(kuò)散系數(shù)僅為 1.0xl0-14m2/s。金屬間化合物Mg2Si具有高熔點(diǎn)(1085°C)、低密度(1.99xl03Kg m—3)、高硬度(460 HV)、低熱膨脹系數(shù)(7.5x1(^K;1)和高彈性模量(120Gpa)。 而且Mg2Sn熔點(diǎn)(770°C)和硬度(119HV)也較高，屬于硬質(zhì)相。綜上所述， Si和Sn都是典型的具有沉淀強(qiáng)化作用的元素，二者與鎂所形成的金屬間化合物 Mg2Si和Mg2Sn是非常有效的強(qiáng)化相，能夠改善鎂合金的高溫拉伸性能和蠕變 性能。本發(fā)明所述的一種Mg-Si-Sn系耐熱鎂合金優(yōu)選各組分及其重量百分比為 Si 1-3%， Snl-3%,余量為Mg。本優(yōu)選各組分及其重量百分比獲得的合金具有 更高的高溫蠕變性能和綜合力學(xué)性能。本發(fā)明所述的一種Mg-Si-Sn系耐熱鎂合金是通過(guò)以下工藝制備得到的按 上述成分配比配制合金，在RJ-2熔劑保護(hù)下，將工業(yè)純鎂完全熔化后，先后加 入工業(yè)結(jié)晶硅和純錫，待合金元素全部溶解后，進(jìn)行機(jī)械攪拌以使其均勻化， 最后撈去合金液表面浮渣，隨即澆注到金屬型或砂型中進(jìn)行重力鑄造。與現(xiàn)有耐熱鎂合金相比，本發(fā)明Mg-Si-Sn系耐熱鎂合金利用典型的具有沉 淀強(qiáng)化作用的廉價(jià)元素Si和Sn與鎂所形成的高熔點(diǎn)強(qiáng)化相Mg2Si和Mg2Sn來(lái) 復(fù)合強(qiáng)化鎂合金基體和晶界，從而可以有效阻止晶界滑移和限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。因 此，能夠改善鎂合金的高溫拉伸性能和蠕變性能。由于本發(fā)明Mg-Si-Sn系耐熱 鎂合金中不含Al和Zn，避免了二者與鎂形成低熔點(diǎn)共晶MgnA^相和MgZn 相，克服了耐熱性不足的問(wèn)題；同時(shí)，其中也不含Ca和RE元素，不致引起合 金成本提高。因此，Mg-Si-Sn系鎂合金將是最有發(fā)展?jié)摿Φ牧畠r(jià)耐熱鎂合金之本發(fā)明所述的變質(zhì)漢字狀共晶Mg2Si相的等溫?zé)崽幚砉に囀菍闯煞峙浔?熔煉鑄造的Mg-Si-Sn系鎂合金鑄件置于帶有保護(hù)氣氛的箱式電阻爐中保溫，然 后快速取出放入水中進(jìn)行淬火，等溫?zé)崽幚頊囟葹?90°C~550°C，保溫時(shí)間為 1~4小日寸。釆用本發(fā)明變質(zhì)漢字狀共晶Mg2Si相的等溫?zé)崽幚砉に嚨睦碚撘罁?jù)在于
由Mg-Si和Mg-Sn 二元相圖可以看出，二者的共晶溫度分別為637.6'C和 561.2°C，較Mg-Al 二元合金共晶溫度437'C高得多。雖然熱分析(差示掃描量 熱分析，DSC)結(jié)果顯示，Sn的加入會(huì)使Mg-Si系合金的共晶溫度有所降低， 如加入3wt。/。Sn后，Mg-Si合金的共晶溫度下降了 14°C，但仍高達(dá)623。C。因 此，Mg-Si-Sn系鎂合金可以采取更高的時(shí)效處理溫度，使得擴(kuò)散速率明顯加快， 這樣既增加了鎂合金時(shí)效處理的效果，同時(shí)又提高了熱處理的效率。采用本發(fā)明變質(zhì)漢字狀共晶Mg2Si相的等溫?zé)崽幚砉に嚨臋C(jī)理在于對(duì)于 Mg-Si-Sn系鎂合金中漢字狀(實(shí)際上可以肴作是由彎曲的纖維組成)或纖維狀 共晶Mg2Si相來(lái)說(shuō)，其纖維直徑不可能是絕對(duì)均勻的，由此會(huì)產(chǎn)生雷利(Rayleigh) 形狀失穩(wěn)，隨后在相變驅(qū)動(dòng)力和界面張力的共同作用下，雷利(Rayleigh)形狀 失穩(wěn)形成的凹槽傾向于進(jìn)一步加深以致最后發(fā)生斷裂。由于第二相的熔點(diǎn)與其 曲率半徑有關(guān)，曲率半徑小的其熔點(diǎn)要低于曲率半徑大的。因此，斷裂的MfeSi 相尖角處由于曲率半徑較小而溶解，而平面處Mg2Si相長(zhǎng)大而使曲率半徑減小， 結(jié)果一根纖維將轉(zhuǎn)變?yōu)橐贿B串球，而球的直徑和間距決定于界面能和擴(kuò)散系數(shù)。 等溫?zé)崽幚頊囟仍礁撸拥臄U(kuò)散能力越強(qiáng)，則球化進(jìn)程越快。因此，高溫短 時(shí)等溫?zé)崽幚砉に嚳捎行ё冑|(zhì)Mg-Si-Sn系鎂合金中共晶Mg2Si相，使?jié)h字狀或 纖維狀共晶Mg2Si相最終演變?yōu)榧?xì)小、近球形且彌散分布的Mg2Si顆粒。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明變質(zhì)漢字狀共晶Mg2Si相的等溫?zé)崽幚砉に?，?有高溫短時(shí)的特點(diǎn)，在對(duì)Mg-Si-Sn系鎂合金中漢字狀或纖維狀共晶Mg2Si相進(jìn) 行有效變質(zhì)處理，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，又避免了傳統(tǒng)冶金方法如加入Ca、 P、 Sb和稀土等合金元素帶來(lái)的諸多弊端，使Mg-Si-Sn系鎂合金可用于傳統(tǒng)的重力 鑄造和砂型鑄造等工藝，為開發(fā)廉價(jià)耐熱鎂合金開辟了一條新途徑。


圖1為未經(jīng)等溫?zé)崽幚淼腗g-3Si-3Sn鎂合金的鑄態(tài)金相組織圖。圖2為未經(jīng)等溫?zé)崽幚淼腗g-3Si-3Sn鎂合金X射線衍射(XRD)圖譜。
保溫4小時(shí)等溫?zé)崽幚淼腗g-3Si-3Sn鎂合金的金相組 保溫2小時(shí)等溫?zé)崽幚淼腗g-3Si-3Sn鎂合金的金相組 保溫1小時(shí)等溫?zé)崽幚淼腗g-3Si-3Sn鎂合金的金相組具體實(shí)施方式
本發(fā)明將通過(guò)以下四個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施工藝和效果作進(jìn)一步的闡述。實(shí)施例1:采用工業(yè)純鎂錠(純度99.5%)、工業(yè)結(jié)晶硅粉(純度99.4%，粒徑0.5 2mm) 和純錫錠(純度99.9%)，按Mg-3Si-3Sn合金成分配制合金，在RJ-2熔劑保護(hù) 下，先將純鎂錠在電阻爐中熔化，當(dāng)溫度升到78(TC時(shí)加入硅粉并保溫1小時(shí)， 之后加入純錫，保溫5分鐘，隨后進(jìn)行機(jī)械攪拌以使合金化元素硅和錫均勻化， 靜置10~15分鐘，最后待溫度降至72(TC時(shí)，撈去合金液表面浮渣，澆注到金屬 型或砂型中進(jìn)行重力鑄造。對(duì)釆用本發(fā)明得到的鑄態(tài)Mg-3Si-3Sn合金作金相組 織觀察和X射線衍射(XRD)分析，結(jié)果分別如圖1和圖2所示。結(jié)合圖1和 圖2可以看出，鑄態(tài)Mg-3Si-3Sn合金由a-Mg基體、粒狀Mg2Sn相、多邊形初 生Mg2Si相和漢字狀或纖維狀共晶Mg2Si相組成。實(shí)施例2:將按成分配比熔煉的Mg-3Si-3Sn鎂合金澆入金屬型或砂型中進(jìn)行重力鑄 造。此后將鑄件置于帶有保護(hù)氣氛的箱式電阻爐中保溫，然后快速取出放入水 中進(jìn)行淬火，等溫?zé)崽幚頊囟葹?9(TC，保溫時(shí)間為4小時(shí)。對(duì)采用本發(fā)明得到 的合金作金相組織觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，與未經(jīng)等溫?zé)崽?理的Mg-3Si-3Sn鎂合金的鑄態(tài)金相組織圖(圖1)相比，采用本發(fā)明提出的方圖3為經(jīng)過(guò)490。C，織圖。 圖4為經(jīng)過(guò)52(TC，織圖。 圖5為經(jīng)過(guò)550'C，織圖。
法處理后，合金組織中漢字狀或纖維狀共晶Mg2Si相大部分已經(jīng)變?yōu)榱?，說(shuō)明采用本發(fā)明提出的方法處理Mg-3Si-3Sn鎂合金，可以使合金組織中漢字狀或 纖維狀共晶Mg^i相變質(zhì)。 實(shí)施例3:將按成分配比熔煉的Mg-3Si-3Sn鎂合金澆入金屬型或砂型中進(jìn)行重力鑄 造。此后將鑄件置于帶有保護(hù)氣氛的箱式電阻爐中保溫，然后快速取出放入水 中進(jìn)行淬火，等溫?zé)崽幚頊囟葹?2(TC,保溫時(shí)間為2小時(shí)。對(duì)采用本發(fā)明得到 的合金作金相組織分析，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，采用本發(fā)明提出 的方法處理合金后，合金組織中漢字狀或纖維狀共晶Mg2Si相大部分已經(jīng)變?yōu)?粒狀，說(shuō)明采用本發(fā)明提出的方法處理Mg-3Si-3Sn鎂合金，可以使合金組織中 漢字狀或纖維狀共晶Mg^i相變質(zhì)。實(shí)施例4:將按成分配比熔煉的Mg-3Si-3Sn鎂合金澆入金屬型或砂型中進(jìn)行重力鑄 造。此后將鑄件置于帶有保護(hù)氣氛的箱式電阻爐中保溫，然后快速取出放入水 中進(jìn)行淬火，等溫?zé)崽幚頊囟葹?5(TC，保溫時(shí)間為l小時(shí)。對(duì)采用本發(fā)明得到 的合金作金相組織分析，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，采用本發(fā)明提出 的方法處理合金后，合金組織中漢字狀或纖維狀共晶Mg2Si相基本上已經(jīng)完全 變?yōu)榱?，說(shuō)明采用本發(fā)明提出的方法處理Mg-3Si-3Sn鎂合金，可使合金組織 中漢字狀或纖維狀共晶Mg2Si相得到有效的變質(zhì)。從上述試驗(yàn)可以得出本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，合金化元素Si和Sn可與Mg形成熱 穩(wěn)定的Mg2Si和Mg2Sn復(fù)合強(qiáng)化相。同時(shí)，高溫短時(shí)熱處理工藝可使Mg-Si-Sn 系鎂合金中漢字狀共晶Mg2Si相演變?yōu)閺浬⒎植加阪V合金基體和晶界的細(xì)小、 近球形Mg2Si相，既強(qiáng)化了基體，又釘扎了晶界，從而提高了Mg-Si-Sn系鎂合 金的耐熱性能和綜合力學(xué)性能。因此，本發(fā)明為開發(fā)廉價(jià)耐熱鎂合金開辟了一 條新途徑。
權(quán)利要求
1.一種Mg-Si-Sn系鎂合金，其特征在于Mg-Si-Sn系鎂合金各組分及其重量百分比為Si1-3％，Sn1-3％，余量為Mg。
2. 用于變質(zhì)如權(quán)利要求1所述的Mg-Si-Sn系鎂合金的熱處理工藝，其特征 在于將按成分配比熔煉鑄造的Mg-Si-Sn系鎂合金鑄件置于帶有保護(hù)氣氛的箱 式電阻爐中保溫，然后快速取出放入水中進(jìn)行淬火，保溫溫度為49(TC 550。C， 保溫時(shí)間為1 4小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種Mg-Si-Sn系鎂合金及變質(zhì)其中漢字狀共晶Mg₂Si相的熱處理工藝。優(yōu)選Mg-Si-Sn系鎂合金各組分及其重量百分比為Si1-3％，Sn1-3％，余量為Mg。Mg-Si-Sn系鎂合金采用工業(yè)純鎂錠、工業(yè)結(jié)晶硅粉和純錫錠進(jìn)行熔煉、鑄造。將按成分配比熔煉的Mg-Si-Sn系鎂合金鑄件置于帶有保護(hù)氣氛的箱式電阻爐中保溫，溫度范圍為490℃～550℃，保溫時(shí)間為1～4小時(shí)，然后快速取出放入水中進(jìn)行淬火。本發(fā)明為開發(fā)廉價(jià)耐熱鎂合金開辟了一條新途徑。Mg-Si-Sn系鎂合金被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ牧畠r(jià)耐熱鎂合金之一，可被用來(lái)生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、曲軸箱和齒輪箱等零部件。
文檔編號(hào)C22C23/00GK101161840SQ200710144699
公開日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2007年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者丹 馮, 莉 李, 李新林, 香 王, 柳 肖, 鄭玉峰, 馬國(guó)睿 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)