[发明专利]一种高塑性铸造Mg-Sn-Zn-Al系镁合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种低成本、高塑性铸造镁合金，属于轻金属镁合金材料类。

背景技术

镁合金作为目前实际应用中最轻的金属结构材料，它具有比强度、比刚度高，电磁屏蔽性能好，良好的切削加工性及充型流动性等优点，早已引起航空航天、通讯设备、汽车工业等相关领域的关注。然而，镁合金晶体结构为密排六方，室温变形时只有单一的滑移系，塑性变形能力较差，因此在很大程度上限制了镁合金的应用。在目前常用的铸造镁合金系列中，AZ系（如AZ91）镁合金的室温力学性能最好，但由于镁合金本身密排六方晶体结构的特性，使其塑性较差，不具备塑性和强度的良好配合。专利200610045693.1给出了获得高强韧Mg-Al-Zn基镁合金的方法，但该方法的工艺相对较复杂，生产成本较高，不利于大范围推广使用。专利200910011280.5和200910011283.9分别提供了一种含Sn、Zn和含Sn、Al的高强度高塑性镁合金及其制备方法，虽然该方法工艺简单，但合金的塑性并未得到显著改善，铸态下合金的室温延伸率为11~16%。此外，由于Mg-Zn合金的液固温度范围较大（283℃），当合金中的Zn含量较多时，合金的铸造质量将受到影响；而合金中的Al含量过多时，Al元素易于Mg结合形成粗大的β-Mg₁₇Al₁₂相，呈连续或半连续的网状沿晶界分布，导致合金塑性的降低。

目前，改善镁合金塑性变形能力的另一种方法是通过塑性加工方式生产型材，但是研究和开发高强韧变形镁合金的成本较高，在一定程度上阻碍了镁合金的发展。因此，为了满足市场需求，扩大镁合金的应用范围，急需开发出一种生产工艺简单，成本低廉，具有较好的塑性，综合力学性能优异的新型镁合金。 

发明内容

本发明的目的在于改善现有铸造镁合金塑性变形能力较差的问题，提供一种成本低廉、工艺简单、塑性良好、综合力学性能优异的新型镁合金。通过合理的成分选择与优化，解决目前镁合金塑性较差的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种高塑性铸造镁合金，其组分和质量百分含量为：Sn：2.0~7.0wt.%，Zn：0.5~6.0wt.%，Al：0.5~6.0wt.%，其余为镁和不可避免的杂质。在Mg-Sn-Zn-Al合金中不排除加入其他少量合金元素（小于1wt.%），如Mn、Ca、Zr、Si、Ba、RE等。

本发明确定合金成分的设计思路。

（1）采用Sn元素作为第一组元，Mg-Sn合金的液固凝固区间较窄（最大的液固温度范围是67℃），Mg-Sn合金在凝固过程中形成的疏松、热裂等铸造缺陷较少，合金的铸造性能较好；随着温度的降低，Sn在Mg中的固溶度从共晶温度（561℃）的14.85wt.%下降到0.45wt.%（200℃），因此Mg-Sn合金可通过固溶时效处理方法进一步改善合金的综合力学性能；另外，在Mg-Sn二元合金中可形成熔点高达771.5℃的Mg₂Sn相，该相热稳定性较好，可在一定程度上提高材料的高温性能。

（2）Al、Zn是目前商用镁合金中最常用的合金元素，它们不仅价格低廉，同时在Mg中也存在较大的固溶度，且固溶度随温度的降低而显著下降，其中Al在共晶温度下的饱和溶解度为12.7wt.%，Zn在Mg中的最大固溶度为6.2wt.%，因此Al和Zn对镁合金都具有固溶强化和时效强化的效果。在单独添加Zn或Al元素时，会存在各自不同的问题，如合金铸造性能较差、易出现热裂和疏松、塑性欠佳等。而通常情况下，Zn和Al元素是通过复合添加的方式来改善镁合金力学性能的（如AZ系镁合金），只要合金中Zn和Al的添加比例适当，就能有效改善合金的铸造性能和综合力学性能。

本发明高塑性铸造镁合金的制备实施方法包括如下步骤。

1）将镁锭、锡锭、铝锭和锌锭按照目标合金中组分含量的质量百分比进行配料，并放入烘干箱中预热至120℃左右。

2）将坩埚加热至760℃，放入步骤1）中预热的镁锭，通入N₂和SF₆混合气体保护。

3）待步骤2）中的镁锭熔化后，将温度调至730℃，保温5分钟后放入步骤1）中预热的锡锭、铝锭和锌锭。

4）步骤3）保温15分钟，保证加入的合金充分熔化后，再充分搅拌1~2 分钟，以保证合金液充分混合。

5）搅拌后静置15分钟以上后测温，保证合金液温度稳定在720℃左右，撇渣，然后浇注入预热的金属型模具中。即得到目标合金。