低成本高性能的Mg-Al-Mn系压铸镁合金及其制备方法

低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金及其制备方法。


背景技术：

2.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、导热导电性优良等特点，且具有不侵蚀铁和钢、不合金化、可延长压铸模具使用寿命等优点，成为汽车、手机材料的重要组成部分。随着工业化技术的发展，集成化的超大镁合金汽车构件是未来的发展趋势，节能减排和低成本化效果显著。以美国特斯拉汽车公司开发的大型后底板零部件为例，将传统汽车生产所需冲压焊装的70余个零件，以及超过1000余次的焊接工序，一次压铸得到成品，大幅提升了车身结构稳定性。以普通电动车电池容量80kwh为例，若采用一体化压铸车身减重并保持续航里程不变，则电池容量可减少约10kwh，以目前磷酸铁锂电池pack成本800元/kwh计算，则可降低成本8000元。
3.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。在复杂与超大镁合金铸件在成形过程中，要求镁合金熔体具有很高的流动性以确保流体快速充型，特别是在含有小孔、壁厚不均匀的结构中对流动性要求更高。同时，复杂与超大镁合金构件要求要有较高的塑性，以确保产品的强韧性，但镁合金属于密排六方结构导致塑性较差。因此，迫切需要发展具有良好铸造流动性及高强塑性的新型镁合金铸造材料，复杂与超大镁合金铸件的低缺陷高质量一体化成形关键技术。
4.专利201610199852.7公开了一种低成本高性能mg-al-mn合金，其成分含量为：al 0.5～9.0wt.％，mn 1.0～5.0wt.％，其余为mg和不可避免的杂质。本发明提出的mg-al-mn三元合金是一种不含稀土元素的高性能铸造镁合金和变形镁合金，所采用的原料都是相对廉价的工业纯铝和镁锰中间合金；变形镁合金的制备步骤包括：先融化mg，然后加入al和mg-mn中间合金，通过搅拌、精炼处理后浇注成铸锭，机加工后再进行均匀化热处理，采用挤压、轧制、锻造等热加工变形工艺，得到相应的变形型材。采用熔炼工艺，制备出强度、韧性和耐腐蚀性能都较好的新型镁合金，其变形态的强度、塑韧性等机械性能优于传统的商用变形镁合金az31，铸态综合机械性能优于传统的商用铸造镁合金az91和am60。
5.但是该专利的技术方案中采用的成型工艺为浇注成型，浇注成型无法用于复杂与超大镁合金构件的成型制备，且不利于工业化生产。由于压铸技术成本相比于其他铸造技术要高，铸造所用设备，模具，以及其他相关材料都比其他铸造工艺要贵，所以导致压铸技术只有进行大批量生产时在价格方面才会比较经济，并且，压铸技术只适用于流动性金属，具有局限性。但是随着双碳和节能减排的深入推进，以及材料与工艺装备的升级换代，中小型镁合金零部件正逐步向大型、超大型转变，很多关键的汽车镁合金构件正在向“超大尺寸化”、“结构一体化”、“功能集成化”方向发展。集成化的超大镁合金构件的轻量化效果将更加显著。超大镁合金铸件一体化成型技术可以大幅简化原有多构件生产、多构件连接的复杂工艺，构件尺寸稳定性大大提高，不仅节约时间成本和生产制造成本，而且降低生产线成
本和人力成本，节能减排效益更加明显，已成为未来的重要发展趋势。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的主要目的在于提供一种适用于复杂与超大镁合金铸件，且能够得到低缺陷高质量一体化成形且具有高强塑性的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金。本技术还提供了该低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金的制备方法。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
8.第一方面，一种低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金，包括以重量百分比计的如下组分：al：4.5～8wt％；mn：0.28～0.50wt％，其余为mg和不可避免的杂质。
9.在某些具体的的实施例中，其中包括以重量百分比计的如下组分：al：4.5～5.3wt％；mn：0.4wt％，其余为mg和不可避免的杂质。
10.在某些具体的实施例中，包括以重量百分比计的如下组分：al：5.5～6.3wt％；mn：0.40wt％，其余为mg和不可避免的杂质。
11.在某些具体的实施例中，包括以重量百分比计的如下组分：al：6.5～7.3wt％；mn：0.40wt％，其余为mg和不可避免的杂质。
12.第二方面，一种根据前述低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金的制备方法，包括如下步骤：
13.1)按照配方要求称取原材料，在保护气的保护下，先对mg在700℃～750℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的al和mg-mn中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌5～10分钟，将熔体在750℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣；
14.2)将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟后，在压射速度为5m/s，模具温度为200℃下进行压铸，压铸后在空气中冷却至室温，即得到压铸镁合金。
15.在某些具体的实施例中，所述保护气为co2和sf6的混合气体，二者比例为100：1。
16.在某些具体的实施例中，所述精炼剂采用rj2熔剂。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
18.本发明所提供的mg-al-mn系压铸镁合金的制备方法，通过采用特定比例的al元素和mn元素，以及采用较为简单的熔炼后结合压铸的工艺，不仅大大提高了生产效率，制备所得的mg-al-mn系压铸镁合金，是一种不含稀土元素的压铸镁合金，具有产品质量好、铸件尺寸精度高、表面光洁度好，不需要再进行机械加工即可获得优异的力学性能，其性能明显优于商用az91d等压铸镁合金。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
20.图1为本发明实施例提供的mg-5al-0.4mn、mg-6al-0.4mn、mg-7al-0.4mn的应力应变曲线。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
22.当以范围、优选范围、或者优选的数值上限以及下限的形式表述某个量、浓度或其它值或参数的时候，应当理解相当于具体揭示了通过将任意一对范围上限或优选数值与任意范围下限或优选数值结合起来的任何范围，而不考虑该范围是否具体揭示。除非另外指出，本文所列出的数值范围值在包括范围的端点，和该范围之内的所有整数和分数。
23.除非另外说明，本文中所有的百分比、份数、比值等均是按重量计。
24.本文的材料、方法和实施例均是示例性的，并且除非特别说明，不应理解为限制性的。
25.下述实施例中，所述工业纯镁和工业纯铝纯度都在99％以上；锰是以10％的镁锰中间合金的形式添加；保护气采用的是co2和sf6的混合气体，二者比例为100：1；精炼剂采用rj2熔剂，主要成分为mgcl2、kcl等，加入量为原料重的1％。
26.实施例1
27.本发明所提供的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金，通过如下方法制备：
28.1)mg-al-mn系压铸镁合金的组分为，al：5wt％；mn：0.4wt％；其余为mg和不可避免的杂质；
29.其中，mg、al以镁锭和铝锭的形式加入，且镁锭和铝锭切成块，mn以镁锰中间合金形式加入；
30.2)在保护气的保护下，先将配制好的镁锭在700℃～750℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的铝锭和镁锰中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌10分钟，将熔体在750℃静置20分钟，并打掉表面的浮渣；
31.3)将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟后，在压射速度为5m/s，模具(压铸前，将镁合金脱模剂均匀喷涂在模具内壁，便于冷却脱模)温度为200℃下进行压铸，压铸后在空气中冷却至室温，即得到压铸镁合金。
32.实施例2
33.本发明所提供的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金，通过如下方法制备：
34.1)mg-al-mn系压铸镁合金的组分为，al：6wt％；mn：0.4wt％；其余为mg和不可避免的杂质；
35.其中，mg、al以镁锭和铝锭的形式加入，且镁锭和铝锭切成块，mn以镁锰中间合金形式加入；
36.2)在保护气的保护下，先将配制好的镁锭在700℃～750℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的铝锭和镁锰中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌10分钟，将熔体在750℃静置20分钟，并打掉表面的浮渣；
37.3)将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟后，在压射速度为5m/s，模具(压铸前，将镁合金脱模剂均匀喷涂在模具内壁，便于冷却脱模)温度为200℃下进行压铸，压铸后在空气中冷却至室温，即得到压铸镁合金。
38.实施例3
39.本发明所提供的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金，通过如下方法制备：
40.1)mg-al-mn系压铸镁合金的组分为，al：7wt％；mn：0.4wt％；其余为mg和不可避免的杂质；
41.其中，mg、al以镁锭和铝锭的形式加入，且镁锭和铝锭压成块，mn以镁锰中间合金形式加入；
42.2)在保护剂的保护下，先将配制好的镁锭在700℃～750℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的铝锭和镁锰中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌10分钟，将熔体在750℃静置20分钟，并打掉表面的浮渣；
43.3)将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟后，在压射速度为5m/s，模具(压铸前，将镁合金脱模剂均匀喷涂在模具内壁，便于冷却脱模)温度为200℃下进行压铸，压铸后在空气汇总冷却至室温，即得到压铸镁合金。
44.本技术对实施例1-3制备所得的mg-al-mn系压铸镁合金进行性能，具体的，通过gb/t228.1:2010标准加工室温拉伸测试试样，在sansi utm5000万能试验机上(拉伸速率：3.6mm/min)对实施例1-3所述镁合金进行测试，测试结果见图1和表1：
45.表1：各个实施例的mg-al-mn系压铸镁合金性能指标
[0046] 抗拉强度(mpa)屈服强度(mpa)延伸率(％)实施例1272.11mpa157.62mpa25.89％实施例2270.94mpa152.65mpa27.02％实施例3261.50mpa167.14mpa16.13％
[0047]
从表1中可以看出，本技术通过压铸工艺结合特定比例的镁合金组分，制备所得的mg-al-mn系压铸镁合金具有优异的抗拉强度、屈服强度和延伸率；其相对于采用浇注工艺的mg-al-mn系镁合金，不仅大大提高了生产效率，而且在保持优异抗拉强度和屈服强度的同时，还获得了优异的延伸率，取得了意料不到的技术效果，其中实施例1的屈服强度及抗拉强度最高，综合力学性能最优，可以严格满足大型复杂汽车构件对于力学性能的要求。
[0048]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金，其特征在于，包括以重量百分比计的如下组分：al：4.5～5.3wt％；mn：0.28～0.50wt％，其余为mg和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金，其特征在于，包括以重量百分比计的如下组分：al：4.5～5.3wt％；mn：0.4wt％，其余为mg和不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金，其特征在于，包括以重量百分比计的如下组分：al：5.5～6.3wt％；mn：0.40wt％，其余为mg和不可避免的杂质。4.根据权利要求1所述的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金，其特征在于，包括以重量百分比计的如下组分：al：6.5～7.3wt％；mn：0.40wt％，其余为mg和不可避免的杂质。5.一种根据权利要求1-4任一项所述的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)按照配方要求称取原材料，在保护气的保护下，先对mg在700℃～750℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到750℃稳定之后加入预热至150℃的al和mg-mn中间合金，待全部融化后，加入精炼剂充分搅拌5～10分钟，将熔体在750℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣；2)将熔炼温度降低至720℃并保温20分钟后，在压射速度为5m/s，模具温度为200℃下进行压铸，压铸后在空气中冷却至室温，即得到压铸镁合金。6.根据权利要求5所述的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金的制备方法，其特征在于，所述保护气为co2和sf6的混合气体，二者比例为100：1。7.根据权利要求5所述的低成本高性能的mg-al-mn系压铸镁合金的制备方法，其特征在于，所述精炼剂采用rj2熔剂。

技术总结
本发明公开了一种低成本高性能的Mg-Al-Mn系压铸镁合金，包括以重量百分比计的如下组分：Al：4.5～5.3wt％；Mn：0.28～0.50wt％，其余为Mg和不可避免的杂质。本发明还公开了该低成本高性能的Mg-Al-Mn系压铸镁合金的制备方法。本发明所提供的低成本高性能的Mg-Al-Mn系压铸镁合金，通过采用特定比例的Al元素和Mn元素，以及采用较为简单的熔炼后结合压铸的工艺，不仅大大提高了生产效率，制备所得的Mg-Al-Mn系压铸镁合金，是一种不含稀土元素的压铸镁合金，具有产品质量好、铸件尺寸精度高、表面光洁度好，不需要再进行机械加工即可获得优异的力学性能，其性能明显优于商用AZ91D等压铸镁合金。铸镁合金。铸镁合金。


技术研发人员：宋江凤 王静 蒋斌 肖建飞 陈功 赵华 杨鸿 张昂 黎田 董志华 吴素娟 程仁菊 潘复生
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/7