一种提高Mg-Al系镁合金压铸件中温力学性能的方法

技术领域

本发明涉及金属材料科学领域，具体涉及一种提高Mg-Al系镁合金压铸件中温力学性能的方法。

背景技术

镁合金是目前最轻的商用金属结构材料，具有阻尼减振性能好、导热导电性优良、铸造及机加工艺性好等特点，在地面交通工具、航空航天等领域具有良好的应用前景。压铸是当前镁合金最主要的成型方法，大约90%以上的镁合金件为压铸件。工程界使用最多的Mg-Al系（包括AZ和AM系列）铸造镁合金在压铸态时力学性能相对偏低，尤其在高于100oC的中高温环境下力学性能迅速衰减、难以胜任。

为了提高Mg-Al系镁合金压铸件中温力学性能，学术界开展了大量的研究工作。目前，研究较为集中的是向Mg-Al系合金中加入Si、Ca、RE、Sr等合金元素进行强化：由文献1和2（1、AninvestigationonthetribologicalbehaviorofAZ91andAZ91+3wt.%REmagnesiumalloysatelevatedtemperatures[J].Materials&Design,2014,(54):544-552；2、EffectsofrareearthelementadditionsontheimpressioncreepbehaviorofAZ91magnesiumalloy[J].MetallurgicalandMaterialsTransactionsA,2009,40A:2190-2201.）公开了添加元素与Al形成高熔点化合物，并同时达到减少低熔点Mg₁₇Al₁₂相的目的效果（RE、Ca、Sr等）；由文献3和4（3、StatediagramoftheMg-Y-Gdsystemintherangerichinmagnesium[J]．RussianMetallurgy,1983,5:178-181.；4、耐热铸造镁合金的研究应用进展[J]．轻金属，2005,8:49-54）公开了添加元素与Mg形成高熔点化合物（RE、Si等）；由文献5(5、EffectofCaandrareearthelementsonimpressioncreeppropertiesofAZ91magnesiumalloy[J].MetallurgicalandMaterialsTransactionsA,2010,41A:1973-1982.)公开过合金中形成Mg-Ca或者Al-Ca强化相。

但上述文件公开的方法中也存在一些不足之处，如：加Si易形成粗大汉字状第二相、加Ca易形成脆化相、RE价格相对较贵、加Sr会影响合金液充型性能等。

此外，实践证明，T6处理（固溶+时效处理）也可以提高铸件中温性能。文献6和7（6、Dependenceofinternalfrictionoffibre-reinforeedandunreinforcedAZ91onheattreatment[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2002,324(1-2):127；7、TheinfluenceofheattreatmentondampingresponseofAZ91Dmagnesiumalloy[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2005,392(1-2):150-155.）报道了通过T6处理（固溶+时效处理）获得析出强化来提高重力铸造镁合金的中温性能，是改善镁合金中温性能的另一个思路。但是，对于普通的镁合金压铸件而言，由于压铸过程中存在卷气行为，内部含气量高，不适合在高达400oC左右的温度下进行固溶处理，因为这会导致压铸件内部近表面的气体受热膨胀，使压铸件表面出现“鼓泡”缺陷。因此，常规的T6处理不能应用于普通压铸镁合金件。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种操作简单，能够提高Mg-Al系镁合金压铸件组织晶粒细化效果，能够减少不连续第二相Mg₁₇Al₁₂，增加连续第二相Mg₁₇Al₁₂，能够形成Mg₂Sn高熔点质点，提高抗拉强度的提高Mg-Al系镁合金压铸件中温条件下的力学性能的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种提高Mg-Al系镁合金压铸件中温力学性能的方法，包括对镁合金熔炼后压铸成型的步骤，以及压铸成型后对压铸件进行时效处理的步骤，其特征在于，压铸成型后直接对压铸件进行时效处理；在镁合金熔炼过程中加入了Pb和Sn元素。

其中，加入的Pb元素含量为0.5-1.5wt.%、Sn含量为0.4-0.6wt.%。

其中，时效处理的工艺参数为：将压铸件加热至200^oC-220^oC保温8-15小时。

这样，方案中添加合理比例的Pb与Sn元素后，均对Mg-Al系镁合金压铸件组织有晶粒细化作用、Pb元素可减少时效后不连续第二相Mg₁₇Al₁₂（有害）的析出和增加连续第二相Mg₁₇Al₁₂（有利）的析出、Sn元素可在时效过程中与Mg形成Mg₂Sn高熔点质点而析出，进而提高其强度。同时采用直接时效热处理而不同于先固溶再时效热处理，可避免镁合金压铸件表面因固溶过程温度过高而产生鼓泡的问题。其中，各参数的选取能够确保上述效果的达成。

作为优化，具体的熔炼和压铸步骤为，将Mg-Al系镁合金在惰性气体保护下熔化，然后在720^oC分别加入特定成分的Pb元素和Sn元素，充分搅拌并保温半个小时后，在700^oC浇注并压铸成型。这样，可以保证Pb元素和Sn元素的加入和混合效果，不会产生其他反应，更加利于上述有利反应的生成。

本技术方案有以下有益效果：

1）Pb对压铸态Mg-Al系镁合金的微观组织有一定的晶粒细化作用，且随着Pb加入量的增加，晶粒细化作用有一定的增加趋势，晶粒细化可提高合金的中温力学性能。

2）时效后，Pb在压铸态Mg-Al系镁合金中主要以固溶形式存在，存在于镁合金的α-Mg基体和β-Mg₁₇Al₁₂第二相中，有增加镁合金基体和第二相稳定性的作用。α-Mg晶内和晶界上均有Mg₁₇Al₁₂相析出，且Pb的存在，有促进晶内Mg₁₇Al₁₂析出、抑制晶界Mg₁₇Al₁₂析出的作用，而晶内析出有利于镁合金中温力学性能的提高，晶界析出不利于中温力学性能的提高。

3）本发明考虑到压铸过程中合金凝固速度快，其α-Mg中所固溶的某些合金元素处于过饱和状态，为进行时效处理获得析出强化提供了条件。对每一成分合金试样进行在200-220^oC保温8-15小时范围内的时效处理，析出的高熔点Mg₂Sn相和晶内连续析出的Mg₁₇Al₁₂相均有助于提高Mg-Al系镁合金压铸件中温力学性能，且镁合金件表面不鼓泡。

故本发明具有操作简单，能够提高Mg-Al系镁合金压铸件组织晶粒细化效果，能够减少不连续第二相Mg₁₇Al₁₂，增加连续第二相Mg₁₇Al₁₂，能够形成Mg₂Sn高熔点质点，提高抗拉强度等优点。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对比的方式对本发明作进一步的详细说明。

以下实施案例中各成分合金的熔炼条件、压铸方法及热处理方法均一致，即将Mg-Al系镁合金在惰性气体保护下熔化，然后在720^oC分别加入特定成分的Pb元素和Sn元素，充分搅拌并保温半个小时后，在700^oC浇注并压铸成型，对试样进行200^oC-220^oC保温8-15小时范围内的时效热处理。

参照例1：将AZ81镁合金（含Al量约为8%）在气体保护下熔化，在700^oC浇注并压铸成型，测试其180^oC温度下的力学性能，作为参照例1。

参照例2：将AM60镁合金（含Al量约为6%）在气体保护下熔化，在700^oC浇注并压铸成型，测试其180^oC温度下的力学性能，作为参照例2。

实施例1：向AZ81镁合金熔液中加入0.5wt.%Pb和0.6wt.%Sn，压铸成型，对试样进行200^oC下保温15小时的时效热处理，测试其180^oC温度下的力学性能，力学性能结果见表1。

实施例2：向AZ81镁合金熔液中加入1.0wt.%Pb和0.5wt.%Sn，压铸成型，对试样进行210^oC下保温12小时的时效热处理，测试其180^oC温度下的力学性能，力学性能结果见表1。

实施例3：向AZ81镁合金熔液中加入1.5wt.%Pb和0.4wt.%Sn，压铸成型，对试样进行220^oC下保温8小时的时效热处理，测试其180^oC温度下的力学性能，力学性能结果见表1。

实施例4：向AM60镁合金熔液中加入0.5wt.%Pb和0.6wt.%Sn，压铸成型，对试样进行220^oC下保温8小时的时效热处理，测试其180^oC温度下的力学性能，力学性能结果见表1。

实施例5：向AM60镁合金熔液中加入1.0wt.%Pb和0.5wt.%Sn，压铸成型，对试样进行210^oC下保温13小时的时效热处理，测试其180^oC温度下的力学性能，力学性能结果见表1。

实施例6：向AM60镁合金熔液中加入1.5wt.%Pb和0.4wt.%Sn，压铸成型，对试样进行200^oC下保温15小时的时效热处理，测试其180^oC温度下的力学性能，力学性能结果见表1。

表1部分Mg-Al系镁合金压铸件180^oC力学性能

由表1可知，通过本发明的技术方案处理后，材料在180^oC的抗拉强度均有提高，且热处理后材料表面未出现“鼓泡”现象，表明本发明的技术方案是有效的。