[发明专利]一种高硬度耐热镁合金

说明书

技术领域

 本发明属于镁合金材料技术领域，具体涉及一种高硬度耐热镁合金。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有比重小（1.75～1.85×10³kg/m³，约为铝的64%,钢的23%)、比强度和比刚度高、阻尼性和切削加工性好、冲击功吸收大，以及易回收利用等优点，被认为是一种有效减轻质量、节约能源、有利于可持续发展的理想材料。广泛应用于汽车、航空航天、电子等领域。但是，由于镁合金的强度不高，耐热性能差，限制了其应用范围。因此，提高镁合金的强度和耐热性，使其具有良好的综合性能，是新型镁合金开发的热点。

在高强度镁合金的合金化研究中，合金元素的添加主要集中在铝、锌、硅、锶、铜、镍、锰、锆、钙、锂和铋，或者是钪、钇和稀土元素。其强化机理主要是固溶强化或与镁形成金属间化合物强化。目前，高强度耐热镁合金中稀土含量较高，而稀土的价格较贵，在一般行业中，难以得到广泛应用。因此，当前高强度耐热镁合金的开发应兼顾提高性能和降低成本两个方面因素。Al是提高镁合金强度的基本元素之一，可以与镁结合，生成Mg₁₇Al₁₂相。但是，Mg₁₇Al₁₂相的熔点较低（462℃）。在高温下，容易发生松弛现象，不能对位错起到良好的钉扎作用。因此，需要采用添加其他合金元素与热处理的方法消除Mg₁₇Al₁₂相。Ca的加入，不仅起到细化晶粒的作用，还可以与镁、铝结合，生成具有较高的热定性的Mg₂Ca与Al₂Ca相，并且大幅度抑制Mg₁₇Al₁₂相生成，提高镁合金的耐热性能。Sn是提高镁合金耐热性能的另一种有利元素，而且价格低廉。Sn与镁反应生成具有较高的熔点（771.5℃）和硬度（119Hv）的Mg₂Sn相；还可以与Ca结合，生成CaMgSn相。不仅是合金中的强化相，而且能提高镁合金的高温性能。和稀土相比，碱土元素的价格低廉，因此含有碱土元素的耐热镁合金是今后发展的趋势之一。

目前，肖阳、张新民等人研究了耐热镁合金Mg-9Gd-4Y-0.6Zr和Mg-8Gd-4Y-Nd-Zr的力学性能，两种合金的硬度分别达到145Hv与130Hv；但是，由于采用了稀土元素钆、钇、钕，使合金成本增加，制备难度加大。

本发明拟公开一种Mg-Al-Sn-Ca系耐热镁合金，通过添加Sn与碱土元素Ca来细化晶粒，同时在合金中形成具有较高热稳定性的Mg₂Ca、Al₂Ca与Mg₂Sn等相，提高合金的耐热性能与硬度。合金硬度提高的原因如下：Mg₂Sn相的硬度较大，达到了119Hv，并且以颗粒状的形态弥散分布于基体之中；随着Al/Ca的质量比发生变化，具有HCP结构的(Al, Mg)₂Ca相发生变化，产生了独立的Mg₂Ca与Al₂Ca相，使最终制备的合金具有良好的耐热性能。本合金是目前不通过添加稀土元素而获得的高硬度耐热镁合金。

发明内容

本发明提供一种高硬度耐热镁合金，其目的是克服现有技术的不足，制备出成本低、高硬度耐热镁合金，该合金在铸态下，硬度≥188Hv；热处理后，硬度≥168Hv。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高硬度耐热镁合金，其特征在于：所述合金的组分及质量百分比为Al：5%，Sn：2%，Ca：1%～5%，余量为Mg和杂质。

杂质含量及质量百分比为Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%。

铸态下，镁合金的硬度≥188Hv；热处理后，镁合金的硬度≥168Hv。

本发明通过添加廉价的Al元素，生成Al₂Ca高温强化相，提高合金的耐热性能，降低镁合金的成本。

本发明通过添加廉价的Sn元素，分别与Mg反应生成Mg₂Sn和CaMgSn高温强化相，提高合金的硬度与耐热性能，降低镁合金的成本。

本发明通过添加廉价的碱土元素Ca，细化晶粒，同时生成具有热稳定性的Mg₂Ca相，提高合金的耐高温性能，降低镁合金的成本。