[发明专利]Si、Sn复合强化耐热镁合金及板材轧制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Si、Sn复合强化耐热镁合金，本发明还涉及一种Si、Sn复合强化耐热镁合金板材的轧制方法。

背景技术

以AZ91、AZ31等为代表的AZ(Mg-Al-Zn-Mn)系镁合金具有较高的室温强度，优良的铸造工艺性能以及低成本等优点，是目前应用最广泛的商用镁合金。然而，由于该类镁合金中分布在晶界处的粗大Mg₁₇Al₁₂相熔点（437℃）较低，温度超过120℃时开始软化，不能有效钉扎晶界，因而高温力学性能差，长期使用温度不能超过120℃。

合金化是提高镁合金耐热性最常用和最有效的方法之一。众所周知，稀土是改善镁合金耐热性最有效的元素。如Mg-RE（镁-稀土）系耐热镁合金中的WE54，具有显著的时效硬化效果，室温、高温拉伸性能和抗蠕变性能都非常优异，是商业化合金中耐热性最好的，长期使用温度为300℃。此外，AE（Mg-Al-RE）系镁合金如AE42在200℃时仍具有良好的蠕变强度。但是，由于这些镁合金中含有价格昂贵的稀土元素，导致铸造性能较差和成本高，商业化应用难以推广。因此，当前耐热镁合金的开发应兼顾提高性能和降低成本两个方面。

最近，Si、Sn等被广泛认为是提高镁合金强度和耐热性的有益元素，且价格低廉。这是由于Si和Sn都是典型的具有沉淀强化作用的元素，二者与镁所形成的金属间化合物Mg₂Si和Mg₂Sn均是非常有效的强化相：Mg₂Si具有高熔点（1085℃）、低密度（1.99×10³Kg m^-3）、高硬度（460HV）、低热膨胀系数（7.5×10^-6K^-1）和高弹性模量（120Gpa）；Mg₂Sn熔点（770℃）和硬度（119HV）也较高。此外，Sn在Mg中扩散速率较低，400℃时扩散系数仅为1.0×10^-14m²/s。因此，采用Si、Sn复合强化以改善镁合金的耐热性为开发新型廉价耐热镁合金提供了一条新途径，可参阅文献Dae H.Kang等人的Development of creep resistant die cast Mg–Sn–Al–Si alloy（抗蠕变压铸镁-锡-铝-硅合金的开发）。虽然压铸可使合金中汉字状共晶Mg₂Si相粒化和/或球化，但不能使其在镁合金基体中均匀分布，致使该合金室温特别是高温（150℃）综合力学性能不高。

遗憾的是，含Si镁合金在较慢的冷却条件下，会形成粗大树枝状初生Mg₂Si和/或汉字状共晶Mg₂Si，这样在Mg₂Si周围会存在很大的应力集中，割裂了基体，从而显著地恶化了合金的力学性能，特别是延伸率，并且冷却速度越慢越容易形成粗大树枝状和汉字状或纤维状Mg₂Si，使得含Si镁合金（如AS21、AS41等）仅适用于冷却速率较快的压铸件，而无法用于传统的重力铸造和砂型铸造等工艺。因此，探索含Si镁合金中Mg₂Si相的变质机理及工艺优化，使Mg₂Si相以细小、弥散形式分布于镁合金基体和晶界中，对于提高和改善含Si镁合金的综合力学性能并进而实现工业化应用显得尤为重要。

近年来，国内外学者从合金化和/或微合金化出发，采用多种变质剂如采用Sb、Na盐、KBF₄、Sr等变质剂抑制初生Mg₂Si相的择优生长，使粗大树枝状初生Mg₂Si转变为细小多边形块状；采用Ca、P、AlP和稀土Nd等变质剂使汉字状或纤维状共晶Mg₂Si相粒化。但变质的同时也伴随着各种各样问题的产生，如P易燃而产生大量烟雾，使得加入量难以控制；Na盐、KBF₄在变质过程中会产生飞溅及夹杂；Ca易引起热裂等。因此，这些问题的存在使得通过合金化和或微合金化手段来变质Mg₂Si相形貌在工业生产应用上受到了很大限制。