高强度高塑性Mg-Al基镁合金 【技术领域】
本发明涉及的是一种镁合金，具体是一种高强度高塑性Mg-Al基镁合金，用于金属材料类及冶金领域。
背景技术
镁合金是工业应用中最轻的金属结构材料，但是现有技术中镁合金的强韧性还较低，一般镁合金的强度只有相同工艺制备铝合金的50-70％，而它的韧性和塑性与铝合金之间的差距就更大，限制了镁合金的应用范围。由于镁是密排六方金属，滑移系少，晶粒细化对提高合金力学性能的效果比体心和面心立方金属的效果更有效，因此，细晶强化是提高镁合金强韧性的主要方法之一。另一方面，常用Mg-Al基镁合金中的第二相为分布于晶界的粗大Mg17Al12相，降低了合金的塑性和强度，因此，改善第二相的形态和分布是提高镁合金性能的又一个重要方法。经文献检索发现，美国专利(United Stated Patent 4,239,535，King，et al.，1980)发明的Mg-Zn-Cu合金通过加入高含量地Cu(5％，重量百分比)来细化晶粒以提高合金的强度和塑性，但是，该合金的力学性能要通过固溶时效热处理才能得到，而且合金中高含量Cu的存在，使得合金的熔点较高，熔铸困难，耐蚀性较差，成本较高，特别是，该合金Cu的细化晶粒作用必须在无合金元素Al的前提下才能实现，因而限制了合金的应用范围。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种高强度高塑性Mg-Al基镁合金，通过加入合金元素Ti，达到了细化Mg-Al基镁合金的晶粒、改善Mg17Al12相的形态和分布的效果，提高了合金的强度和塑性，扩大了Mg-Al基镁合金的应用范围。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明合金的成分配方为(重量百分比)：3.0-9.0％Al，0.2-1.0％Zn，0.01-0.2％Ti，0.1-0.4％Mn，杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％，其余为Mg。本发明以Al作为基本成分，加入Ti一方面是为了细化合金的晶粒以提高合金的强度和塑性，另一方面是为了改善Mg17Al12相的形态和分布，进一步提高合金的强度和塑性，加入Mn是为了保证合金的抗腐蚀性能，Zn的加入可以提高合金的铸造性能。本发明形成的合金的晶粒和Mg17Al12相尺寸明显细化，沿晶界分布的粗大Mg17Al12相全部转变为细小粒状颗粒，基体中的Mg17Al12相明显增多，分布更加均匀，合金的铸造性能好于AZ91镁合金，耐腐蚀性能及成本与镁合金AZ91相当，合金的强度和塑性明显好于相同铸造方法下的AM50和AZ91镁合金。
本发明优选配方(重量百分比)为：3.0-9.0％Al，0.5％Zn，0.01-0.2％Ti，0.2％Mn，杂质元素Fe、Cu、Ni总量小于0.002％，其余为Mg。以Mg-5Al-0.5Zn-0.1Ti合金为例(金属型)，合金的晶粒平均尺寸由135μm降为43μm，Mg17Al12相的平均尺寸从23μm降为3μm，合金的抗拉强度为222MPa、屈服强度156MPa、延伸率14％，分别比Mg-5Al-0.5Zn合金提高了30MPa、15MPa、6％以上；与常用工业镁合金相比，新合金的强度和塑性明显好于相同铸造方法下的AM50镁合金，合金的铸造性能好于AZ91镁合金，耐腐蚀性能及成本与镁合金AZ91相当。
本发明上述合金的熔铸工艺，熔炼过程在气体或覆盖剂保护条件下进行，将工业纯镁完全熔化后，再分别以工业纯锌、工业纯铝、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金形式加入合金元素Zn，Al，Mn，Ti，待合金元素全部溶解后，搅拌均匀，捞去表面浮渣后进行铸造，铸造方法可采用压铸、低压铸造、金属型铸造或砂铸。
与现有技术相比，本发明具有实质性特点和显著进步，该方法工艺简单，成本低，通过加入少量的Ti元素，不仅明显细化了合金的晶粒，而且明显改善了Mg17Al12相的形貌，沿晶界分布的粗大Mg17Al12相全部转变为细小粒状颗粒，基体中的Mg17Al12相明显增多，分布更加均匀，从而大大提高了合金的强度和塑性，解决了常用工业Mg-Al基镁合金强度和塑性较差的问题。
【具体实施方式】
结合本发明技术方案的内容提供以下实施例：
实施例1：
合金的成分(重量百分比)为：9.0％Al、0.5％Zn、0.2％Ti、0.2％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。合金的熔铸工艺为：按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，同时采用SF6 0.5％/CO2混合气体保护，待镁完全熔化后，在680℃加入工业纯锌0.06Kg、工业纯铝0.50Kg和Al-10Mn中间合金0.25Kg，在780℃加入Al-10Ti中间合金0.25Kg并在该温度下保温30分钟，保温过程中每隔10分钟搅拌一次，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置5～10分钟，然后捞去表面浮渣后即可用浇勺浇入压铸机进行压铸。本发明合金的晶粒平均尺寸为32μm，Mg17Al12相的平均尺寸为2.5μm，合金的抗拉强度为251MPa、屈服强度162MPa、延伸率10％。
实施例2：
合金的成分(重量百分比)为：5.0％Al、0.5％Zn、0.1％Ti、0.2％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。合金的熔铸工艺为：按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，同时采用覆盖剂保护，待镁完全熔化后，在670℃加入工业纯锌0.05Kg、工业纯铝0.07Kg和Al-10Mn中间合金0.25Kg，在760℃加入Al-10Ti中间合金0.15Kg并在该温度下保温30分钟，保温过程中每隔10分钟搅拌一次，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置5～10分钟，然后捞去表面浮渣后即可用浇包进行金属型铸造。本发明合金的晶粒平均尺寸为43μm，Mg17Al12相的平均尺寸为3.0μm，合金的抗拉强度为222MPa、屈服强度156MPa、延伸率14％。
实施例3：
合金的成分(重量百分比)为：3.0％Al、0.5％Zn、0.01％Ti、0.2％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。合金的熔铸工艺为：按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，同时采用SF6 0.5％/CO2混合气体保护，待镁完全熔化后，在650℃加入工业纯锌0.06Kg、工业纯铝0.06Kg和Al-10Mn中间合金0.25Kg，在750℃加入Al-10Ti中间合金0.015Kg并在该温度下保温30分钟，保温过程中每隔10分钟搅拌一次，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置5～10分钟，然后捞去表面浮渣后在低压铸造炉内采用氮气给压进行低压铸造。本发明合金的晶粒平均尺寸为30μm，Mg17Al12相的平均尺寸为2.0μm，合金的抗拉强度为232MPa、屈服强度149MPa、延伸率15％。
实施例4：
合金的成分(重量百分比)为：9.0％Al、1.0％Zn、0.2％Ti、0.4％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。合金的熔铸工艺为：按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，同时采用SF6 0.5％/CO2混合气体保护，待镁完全熔化后，在680℃加入工业纯锌0.11Kg、工业纯铝0.32Kg和Al-10Mn中间合金0.45Kg，在750℃加入Al-10Ti中间合金0.25Kg并在该温度下保温30分钟，保温过程中每隔10分钟搅拌一次，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置5～10分钟，然后捞去表面浮渣后即可用浇勺浇入压铸机进行压铸。本发明合金的晶粒平均尺寸为45μm，Mg17Al12相的平均尺寸为3μm，合金的抗拉强度为257MPa、屈服强度163MPa、延伸率9％。
实施例5：
合金的成分(重量百分比)为：3.0％Al、0.2％Zn、0.01％Ti、0.1％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。合金的熔铸工艺为：按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入工业纯镁10公斤，同时采用SF6 0.5％/CO2混合气体保护，待镁完全熔化后，在650℃加入工业纯锌0.025Kg、工业纯铝0.18Kg和Al-10Mn中间合金0.12Kg，在750℃加入Al-10Ti中间合金0.015Kg并在该温度下保温30分钟，保温过程中每隔10分钟搅拌一次，待合金元素全部溶解后，用工具搅拌合金液使成分均匀，降温至720～730℃的浇注温度下静置5～10分钟，然后捞去表面浮渣后即可用浇包进行砂型铸造。本发明合金的晶粒平均尺寸为51μm，Mg17Al12相的平均尺寸为4.0μm，合金的抗拉强度为200MPa、屈服强度135MPa、延伸率11％。