一種鎂鋰硅合金及其制備方法
【專利摘要】本發明提供一種鎂鋰硅合金及其制備方法，其主要由Li7～9wt%、Si0.1～3.0wt%、Al?1～6wt%，其余為Mg和不可避免的雜質組成，鎂鋰硅合金還包括RE1～5wt%和/或Sr0.5～2.0wt%。本發明所涉及的超輕高強耐熱鎂合金由α相和β相組成，加入的Si形成Mg2Si及（RExSiy）高熔點硬質相，彌散的分布在α相、β相的內部及界面上，有效的提高合金的抗高溫蠕變性能。本發明制備方法，利用無溶劑熔化方法和用于對所獲得的鑄造材料的加工和熱處理的條件下，將Al-Sr、Mg-Si、Mg-Re中間合金的形式添加到鎂合金熔體中。
【專利說明】一種鎂鋰硅合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及鎂合金材料【技術領域】，具體涉及一種鎂鋰硅合金及其制備方法。
[0002]
【背景技術】
[0003] 鎂合金是目前應用的最輕的金屬結構材料，具有高比強度、比剛度，良好的導熱、 導電劑電磁屏蔽性能，在汽車、家電、通信、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。采用鋰對 鎂合金進行合金化能進一步降低鎂合金密度的同時提高密排六方鎂合金的塑性。當Mg-Li 合金中Li的含量低于5. 5wt%時，其組織為Li固溶于Mg晶格中形成a -Mg固溶體；當Li 的含量在5.5wt%_11.5wt%時，其主要組成相位hep結構的α-Mg相和bcc結構的β-Li相； 當Li的含量高于11. 5wt%時，合金則完全由β -Li相組成。雙相組織（a -Mg+β -Li)合金 時與單相鎂合金相比有效降低合金密度的同時提高合金塑性。
[0004] 但由于鎂鋰合金的強度較低、時效穩定性和耐腐蝕性差制約了鎂鋰合金的發展。 加入合金元素是提高鎂鋰合金性能的常用方法。CN101403064A公開"一種添加 Ag增強的 鎂鋰合金"，添加了 Ag、Zn對合金進行強化，制備的雙相鎂鋰合金具有較高強度、優異的塑性 及耐高溫性能，但Ag價格較高，且Ag、Zn密度大，加入后使合金的密度增大；CN101121981A 公開"一種高強度的鎂鋰合金"，，添加了 Al、Zn、Ce合金進行強化，制備的a -Mg單相鎂鋰 合金具有較高強度，但其Li含量在7 wt%以下，且加入了一定量的Zn，對于合金的密度降低 效果不明顯，即使Li含量在5. 5 wt%_ 7 wt%時，密排六方結構的a -Mg相占合金相組成的絕 大多數，致使合金塑性較差；CN1605650A公開"一種含鎂鋰合金材料及其制備方法"，中加 入Al、Zn、Zr、RE等作為合金元素，制備了具有較高強度和較低密度的鎂鋰合金，但其Li含 量高于llwt%，這勢必會增加合金的成本，而且造成合金耐腐蝕性及熱穩定性的急劇下降。
[0005] 在合金中加入的Si形成Mg2Si及Si與RE同時添加時形成（RExSi y)高熔點硬質 相，彌散的分布在a相、β相的內部及界面上，有效的提高合金的強度、硬度及抗高溫蠕變 性能。由于Si的熔點高，熔煉時間長，而Li容易被氧化，即使在真空環境下Li也容易升華 而降低合金中Li的含量，造成Li元素的損失。采用Mg-Si中間合金的形式向Mg-Li金熔 體添加 Si元素可有效降低Si元素的擴散到合金熔體中的溫度及溶解時間。
[0006] 盡管國內外學者對鎂鋰合金的研究做了大量工作，但是添加 Si來增強鎂鋰合金 性能的文獻，目前尚未見到報道。
[0007]
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于提供一種保持超輕1?強的基礎上，提1?合金時效穩定性、耐1? 溫性能的一種添加 Si增強的鎂鋰合金。
[0009] 本發明還提供所述鎂鋰硅合金的制備方法。
[0010] 本發明的目的是這樣實現的：一種鎂鋰硅合金，其特征在于，主要成分包括：Li 7?9 wt. %、Si 0. 5?3. 0 wt. %、A1 1?6 wt. %，其余為Mg和不可避免的雜質。
[0011] 進一步，還包括RE 1?5 wt. %。
[0012] 進一步，還包括Sr 0. 5?2. 0 wt. % ;其中，A1的含量為Sr的3-4倍，形成Al4Sr高 溫相。
[0013] 本發明還提供一種鎂鋰硅合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 按上述配方稱取原料，然后一起放置在真空感應熔煉爐的熔煉坩堝內； 2) 熔煉在真空感應熔煉爐中進行，原材料放置后迅速密封真空爐并將將爐內抽至真空 狀態，再沖入氬氣作為保護氣體，然后加熱至740± 10°C熔煉25?40分鐘，在690± 10°C保 溫50?70分鐘進行； 3) 熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具中，得到鑄態合金； 4) 所得到的鑄態合金在300±10°C下進行均勻化處理2?6小時，然后將均勻化處理 后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到擠壓變形態合金。
[0014] 進一步，步驟2)的步驟為，熔煉可在密封性能較好的電阻爐中進行，熔煉前先將 電阻爐加熱腔內充滿均勻混合、干燥的體積比為Ar :SF6=60% :40%的混合保護氣，將純鎂、 Mg-Si中間合金、Al-Sr中間合金、Mg-RE中間合金放置在熔煉坩堝內，電爐通電加熱至合金 熔化，去除合金液面上的浮渣，將電爐溫度控制在740± 10°C左右保溫半小時左右，熔煉過 程中不斷通入均勻混合、干燥的體積比為Ar :SF6=60% :40%的混合保護氣，； 步驟3)的步驟為：將純鋰取出放置在鐘罩內迅速壓入合金液中緩慢攪拌至純鋰熔化， 在690±10°C溫度下精煉1小時左右后將熔體澆鑄在金屬模具中，得到鑄態合金； 最后，在120?140°C下對變形合金進行18?24小時的時效處理。
[0015] 相比現有技術，本發明具有如下有益效果： 1、本發明將Si加入鎂鋰合金中形成Mg2Si低密度高熔點硬質相，彌散的分布在α相、 β相的內部及界面上，在合金受力變形時釘扎在合金α相、β相的內部及界面上有效降 低合金內部的相界、晶界的相對滑動，提高合金的變形抗力及高溫穩定性。同時Li含量在 7?9wt%之間時使合金處于α + β雙相區，以及合金元素的加入使得合金在保持較高強 度的基礎上稍微提升合金的密度，生產出低成本的耐熱高強鎂鋰合金。
[0016] 2、本發明制備方法，利用無溶劑熔化方法和用于對所獲得的鑄造材料的加工和熱 處理的條件下，將Al- Sr、Mg-Si、Mg-Re以中間合金的形式添加到鎂合金熔體中，具有添加 元素分布均勻的特點。本發明利用無溶劑熔煉技術生產的合金鑄錠的優點是防止金屬在熔 煉過程中氧化的同時獲得組織純凈鑄錠，排除熔劑熔煉法可能夾入的雜質元素及溶劑本身 分與金屬熔體離不徹底。
[0017] 3、采用本發明方法制成的新型鎂鋰硅合金，其機械性能為：室溫下抗拉強度為 250?290MPa，屈服強度：180?235MPa，延伸率為：10?23%，密度在1.40?1.60g/cm 3; 在15〇1：下，抗拉強度：118?150 10^，屈服強度：83?10310^，延伸率為：20?40%。
[0018]
【具體實施方式】
[0019] 下面結合【具體實施方式】和效果對本發明作進一步詳細的說明。本發明合金由純 鎂、純鋰、純鋁、鎂硅中間合金熔煉而成，其純度均在99. 9%以上。所述的Re元素以Mg- Re 中間合金的形式加入。
[0020] 實施例1 : 一種鎂鋰硅合金，其成分以及重量百分比為：Li :8%、A1 :3%、Si :1%，余量為Mg。采用如 下方法制備而成： 1)熔煉在真空感應熔煉爐中進行。熔煉前先將各種原材料密封在真空爐中之后迅 速將爐內抽至真空狀態，再沖入保護氣體氬氣，然后在740± 1(TC溫度下熔煉30分鐘，在 690±10°C保溫1小時，整個熔煉過程在氬氣保護狀態下；熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具 中，得到鑄態合金。
[0021] 2)所得到的鑄態合金在300±10°C下進行均勻化處理2?4小時，然后將均勻化 處理后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到擠壓變形態合金。
[0022] 變形態的合金在電子萬能試驗機上進行力學性能測試，有阿基米德法測試合金的 密度。
[0023] 所得的鎂鋰合金在室溫下，抗拉強度為：251 MPa，屈服強度195 MPa，延伸率為： 13%，密度為1.43 g/cm3，150°C下，抗拉強度為：118MPa，屈服強度為：88MPa，延伸率：34%。
[0024] 實施例2 : 一種鎂鋰硅合金，其成分以及重量百分比：Li :8%、A1 :3%、Si :1. 5%，余量為Mg。采用如 下方法制備而成： 1)熔煉在真空感應熔煉爐中進行。熔煉前先將各種原材料密封在真空爐中之后迅 速將爐內抽至真空狀態，再沖入保護氣體氬氣，然后在740± 1(TC溫度下熔煉30分鐘，在 690±10°C保溫1小時，整個熔煉過程在氬氣保護狀態下；熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具 中，得到鑄態合金。
[0025] 2)所得到的鑄態合金在300±10°C下進行均勻化處理2?4小時，然后將均勻化 處理后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到變形態合金。
[0026] 變形態的合金在電子萬能試驗機上進行力學性能測試，有阿基米德法測試合金的 密度。
[0027] 所得的鎂鋰合金在室溫下，抗拉強度為：260 MPa，屈服強度203 MPa，延伸率為： 12. 1%，密度為1.45 g/cm3，150°C下，抗拉強度為：123 MPa，屈服強度為：93 MPa，延伸率： 24%。
[0028] 實施例3 : 一種鎂鋰硅合金，其成分以及重量百分比：Li :8%、A1 :3%、Si :1. 0%、Y :1%，余量為Mg。 采用如下方法制備而成： 1)熔煉在真空感應熔煉爐中進行。熔煉前先將各種原材料密封在真空爐中之后迅 速將爐內抽至真空狀態，再沖入保護氣體氬氣，然后在740±10°C溫度下熔煉30分鐘，在 690±10°C保溫1小時，整個熔煉過程在氬氣保護狀態下；熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具 中，得到鑄態合金。
[0029] 2)所得到的鑄態合金在300±10°C下進行均勻化處理2?4小時，然后將均勻化 處理后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到變形態合金。
[0030] 變形態的合金在電子萬能試驗機上進行力學性能測試，有阿基米德法測試合金的 密度。
[0031] 所得的鎂鋰合金在室溫下，抗拉強度為：268 MPa，屈服強度212 MPa，延伸率為： 14%，密度為1. 49 g/cm3,150°C下，抗拉強度為：120 MPa，屈服強度為：95 MPa，延伸率：28%。
[0032] 實施例4 : 一種鎂鋰硅合金，其成分以及重量百分比：Li :8%、A1 :3%、Si :1. 0%、Sr :0. 8%，余量為 Mg。采用如下方法制備而成： 1)熔煉在真空感應熔煉爐中進行。熔煉前先將各種原材料密封在真空爐中之后迅 速將爐內抽至真空狀態，再沖入保護氣體氬氣，然后在740± 10°C溫度下熔煉30分鐘，在 690±10°C保溫1小時，整個熔煉過程在氬氣保護狀態下；熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具 中，得到鑄態合金。
[0033] 2)所得到的鑄態合金在300±10°C下進行均勻化處理2?4小時，然后將均勻化 處理后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到變形態合金。
[0034] 變形態的合金在電子萬能試驗機上進行力學性能測試，有阿基米德法測試合金的 密度。
[0035] 所得的鎂鋰合金在室溫下，抗拉強度為：276 MPa，屈服強度221 MPa，延伸率為： 11.7%，密度為1.478/〇113，1501：下，抗拉強度為 ：127 1^，屈服強度為：97 1^，延伸率： 25%。
[0036] 實施例5 : 一種鎂鋰硅合金，其成分以及重量百分比：Li :8%、A1 :3%、Si :1. 0%、Sr :0. 6%、Y :1%，余 量為Mg。采用如下方法制備而成： 1)熔煉在真空感應熔煉爐中進行。熔煉前先將各種原材料密封在真空爐中之后迅 速將爐內抽至真空狀態，再沖入保護氣體氬氣，然后在740± 1(TC溫度下熔煉30分鐘，在 690±10°C保溫1小時，整個熔煉過程在氬氣保護狀態下；熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具 中，得到鑄態合金。
[0037] 2)所得到的鑄態合金在300±10°C下進行均勻化處理2?4小時，然后將均勻化 處理后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到變形態合金。
[0038] 變形態的合金在電子萬能試驗機上進行力學性能測試，有阿基米德法測試合金的 密度。
[0039] 所得的鎂鋰合金在室溫下，抗拉強度為：287 MPa，屈服強度226 MPa，延伸率為： 13%，密度為1.49g/cm3，150°C下，抗拉強度為：131MPa，屈服強度為：98MPa，延伸率：27%。
[0040] 實施例6 : 一種鎂鋰硅合金，其成分以及重量百分比：Li :7%、A1 :6%、Si :2. 0%、Sr :1. 5%、Y :1%，余 量為Mg。采用如下方法制備而成： 1)熔煉在真空感應熔煉爐中進行。熔煉前先將各種原材料密封在真空爐中之后迅 速將爐內抽至真空狀態，再沖入保護氣體氬氣，然后在740± 1(TC溫度下熔煉30分鐘，在 690±10°C保溫1小時，整個熔煉過程在氬氣保護狀態下；熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具 中，得到鑄態合金。
[0041] 2)所得到的鑄態合金在300±10°C下進行均勻化處理2?4小時，然后將均勻化 處理后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到變形態合金。
[0042] 變形態的合金在電子萬能試驗機上進行力學性能測試，有阿基米德法測試合金的 密度。
[0043] 所得的鎂鋰合金在室溫下，抗拉強度為：290 MPa，屈服強度231 MPa，延伸率為： 11.3%，密度為1.598/〇113，1501：下，抗拉強度為 ：137 1^，屈服強度為：100 1^，延伸率： 25%。
[0044] 實施例7 : 一種鎂鋰硅合金，其成分以及重量百分比：Li :9%、A1 :4%、Si :3. 0%、Sr :0. 6%、Y :4%，余 量為Mg。采用如下方法制備而成： 1)熔煉在真空感應熔煉爐中進行。熔煉前先將各種原材料密封在真空爐中之后迅 速將爐內抽至真空狀態，再沖入保護氣體氬氣，然后在740± 1(TC溫度下熔煉30分鐘，在 690±10°C保溫1小時，整個熔煉過程在氬氣保護狀態下；熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具 中，得到鑄態合金。
[0045] 2)所得到的鑄態合金在300± 10°C下進行均勻化處理2?4小時，然后將均勻化 處理后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到變形態合金。
[0046] 變形態的合金在電子萬能試驗機上進行力學性能測試，有阿基米德法測試合金的 密度。
[0047] 所得的鎂鋰合金在室溫下，抗拉強度為：279 MPa，屈服強度228 MPa，延伸率為： 11.5%，密度為1.588/〇113，1501：下，抗拉強度為 ：150 10^，屈服強度為：10310^，延伸率： 23. 8%。
[0048] 實施例8 : 一種鎂鋰硅合金，其成分以及重量百分比：Li :9%、A1 :2%、Si :1. 2%、Sr :0. 6%、Y :1%，余 量為Mg。采用如下方法制備而成： 1)熔煉在真空感應熔煉爐中進行。熔煉前先將各種原材料密封在真空爐中之后迅 速將爐內抽至真空狀態，再沖入保護氣體氬氣，然后在740± 1(TC溫度下熔煉30分鐘，在 690±10°C保溫1小時，整個熔煉過程在氬氣保護狀態下；熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具 中，得到鑄態合金。
[0049] 2)所得到的鑄態合金在300±10°C下進行均勻化處理2?4小時，然后將均勻化 處理后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到變形態合金。
[0050] 變形態的合金在電子萬能試驗機上進行力學性能測試，有阿基米德法測試合金的 密度。
[0051] 所得的鎂鋰合金在室溫下，抗拉強度為：266 MPa，屈服強度211 MPa，延伸率為： 14. 3%，密度為1.41 g/Cm3，150°C下，抗拉強度為：141 MPa，屈服強度為：98 MPa，延伸率： 27%。
[0052] 實施例9 : 一種鎂鋰硅合金，其成分以及重量百分比：Li :8%、A1 :3%、Si :0. 8%、Sr :1%、Y :1%，余量 為Mg。采用如下方法制備而成： 1)熔煉在密封性能較好的電阻爐中進行，熔煉前先將電阻爐加熱腔內充滿均勻混合、 干燥的體積比為Ar :SF6=60% :40%的混合保護氣，將稱量好的純鎂、Mg-Si中間合金、Al-Sr 中間合金、Mg-RE中間合金放置在熔煉坩堝內，電爐通電加熱至合金熔化，去除合金液面上 的浮渣，將電爐溫度控制在740±10°C左右保溫1小時，熔煉過程中不斷通入均勻混合、干
【權利要求】
1. 一種鎂鋰硅合金，其特征在于，主要成分包括：Li 7?9 wt. %、Si 0. 1?3. 0 wt. %、 A1 1?6 wt. %，其余為Mg和不可避免的雜質。
2. 根據權利要求1所述的鎂鋰硅合金，其特征在于，還包括RE 1?5 wt. %。
3. 根據權利要求1或2所述鎂鋰硅合金，其特征在于，還包括Sr 0. 5?2. 0 wt. % ;其 中，A1的含量為Sr的3?4倍，形成Al4Sr高溫相。
4. 一種鎂鋰硅合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 按權利要求1的配方稱取原料，然后一起放置在真空感應熔煉爐的熔煉坩堝內； 2) 熔煉在真空感應熔煉爐中進行，原材料放置后迅速密封真空爐并將將爐內抽至真空 狀態，再沖入氬氣作為保護氣體，然后加熱至740± 10°C熔煉25?40分鐘，在690± 10°C保 溫50?70分鐘； 3) 熔煉后的熔體澆鑄在金屬模具中，得到鑄態合金； 4) 所得到的鑄態合金在300±10°C下進行均勻化處理2?6小時，然后將均勻化處理 后的合金在280± 10°C進行擠壓加工，得到擠壓變形態合金。
5. 根據權利要求4所述鎂鋰硅合金的制備方法，其特征在于，硅元素的加入是以 Mg-8?15 wt% Si中間合金的形式加入。
6. 根據權利要求4所述鎂鋰硅合金的制備方法，其特征在于，還加入Re元素，是以 Mg-20?40 wt%RE中間合金的形式加入，在步驟1) 一次性加入。
7. 根據權利要求4所述鎂鋰硅合金的制備方法，其特征在于，還加入Al、Sr元素，是以 Al- l(T3〇Wt%Sr中間合金的形式加入；在步驟1) 一次性加入。
8. -種鎂鋰硅合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 按權利要求1、2或3的配方稱取原料； 2) 熔煉可在密封性能較好的電阻爐中進行，熔煉前先將電阻爐加熱腔內充滿均勻混 合、干燥的體積比為Ar :SF6=60% :40%的混合保護氣，將純鎂、Mg-Si中間合金、Al-Sr中間合 金、Mg-RE中間合金放置在熔煉坩堝內，電爐通電加熱至合金熔化，去除合金液面上的浮渣， 將電爐溫度控制在740±10°C左右保溫1小時，熔煉過程中不斷通入均勻混合、干燥的體積 比為Ar :SF6=60% :40%的混合保護氣，； 3) 將純鋰取出放置在鐘罩內迅速壓入合金液中緩慢攪拌至純鋰熔化，在690±10°C溫 度下精煉半小時后將熔體澆鑄在金屬模具中，得到鑄態合金； 4) 在300± 10°C對鑄態合金進行2?4小時均勻化處理，使鑄態合金形成坯料； 5) 在280±10°C下對坯料進行1?2小時的預加熱；并且對坯料進行擠壓加工，從而形 成擠壓變形合金； 6) 在120?140°C下對變形合金進行18?24小時的時效處理。
【文檔編號】C22C23/00GK104046869SQ201410317233
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】彭曉東, 劉軍威, 麻毅, 謝衛東, 陳德順 申請人:重慶大學