CN100519799C - 含铈镧高强耐蚀压铸镁合金 - Google Patents
含铈镧高强耐蚀压铸镁合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及含铈镧高强耐蚀压铸镁合金，其特征在于组成成分和质量百分比为：Al为8.5%～9.5%，Zn为0.4～0.9%，Mn为0.2%～0.6%，稀土为Ce为0.01%～1.5%，La为0.01%～1.5%，杂质元素Fe≤0.02%，Cu≤0.002%，Si≤0.01%，Ni≤0.001%，余量为镁。使用的合金化材料为铈镧稀土，是将普通富铈混合稀土中的Nd、Pr分离出去剩余的铈镧稀土，目前该稀土材料在市场中处于廉价、大量积压的地位。本发明避免了稀土资源的浪费，而该合金的力学性能及塑性均优于AZ91合金，耐腐蚀性能可提高几倍到几十倍。
Description
技术领域
本发明涉及含铈镧高强耐蚀压铸镁合金，属于金属材料类领域。
背景技术
镁合金具有比重轻、比强度高、导热性好、电磁屏蔽能力强、减振性好及易于回收等优点，采用镁铝轻合金代替钢铁是当前交通工具降低重量、降低油耗、提高质量的关键措施和发展方向。而随着现代工业对产品提出的轻量化和高强化要求，对具有优良综合性能的Mg—Al系镁合金的需求不断加大。以AZ91为代表的该类合金具有铸造工艺性能优良、热裂倾向小、成本低等优点，占镁合金总量的90％左右，是应用最为广泛的铸造镁合金。然而传统镁合金存在铸造性能、耐腐蚀、耐热和抗疲劳抗冲击等固有性能较差的缺点，限制了其进一步扩大应用。为解决这些缺点，稀土元素作为最具使用价值和发展潜力的合金元素被引入，用以开发具有高强耐蚀性能的镁合金。经过长期大量的研发工作，国内外研究单位和生产厂家目前公认稀土元素是耐热、高强、耐蚀、阻燃等先进镁合金的有效成分，是提升镁合金综合性能的使用添加剂。
镁合金所使用的稀土包括单一和混合稀土，富铈混合稀土是目前镁合金使用最多的混合稀土之一，主要成分为La、Ce、Pr、Nd。然而由于Pr和Nd金属的应用扩大、价格上涨，因而从富铈混合稀土中分离出去。目前形成了大量积压且廉价的铈镧稀土，如果这些稀土不能得到充分的利用，将是对资源的极大浪费和对环境的极大污染。综上所述，开发铈镧稀土的应用市场必要而紧迫，使稀土元素得到综合利用和平衡发展具有重要的经济及科学意义。
由于铈的独特化学活性，加入镁合金可起到净化熔体、活化界面、细化晶粒和合金化/微合金化的作用。相对其它稀土元素，铈和镧对镁合金具有更好的去氧除杂净化作用，对镁合金综合性能提升已经得到学界业界的认可。充分利用分离高价元素后的铈镧稀土，在传统镁合金AZ91的基础上开发新型高强耐蚀镁合金，既提高镁产业的竞争实力，又有利于解决铈镧稀土资源产需矛盾、产销不平衡的问题，实现产业间的共利双赢。(邢斌.稳定产品价格促进行业健康发展。稀土信息2007.10：13)
发明内容
为改进目前广泛应用的AZ91压铸镁合金的性能缺点，本发明提供含铈镧的高强耐蚀压铸镁合金。在AZ91合金的基础上，通过加入一定量铈镧稀土进行合金化、改性化处理，使该镁合金的力学性能、耐腐蚀性能比AZ91有明显提高，符合轻合金材料的发展方向，满足未来工业对镁合金的需要。
含铈镧高强耐蚀压铸镁合金的组成成分和质量百分比为：含铈镧高强耐蚀压铸镁合金的组成和质量百分比为：Al为8.5％～9.5％，Zn为0.4～0.9％，Mn为0.2％～0.6％，稀土为Ce为0.01％～1.5％，La为0.01％～1.5％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁；选用AZ91基合金和镁—20％铈镧中间合金作为原材料，所述的镁—20％铈镧中间合金为镁占80％，铈镧占20％；所述的镁—20％铈镧中间合金的铈镧原料是用富铈混合稀土分离Nd、Pr后的铈镧稀土制成的，其中铈镧稀土的组成成分和质量百分比为：Ce为20％～80％，La为80％～20％。
本发明提供的含铈镧高强耐蚀压铸镁合金的制备方法，步骤和条件如下：按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的坩锅熔化，并通入SF6:CO2体积比为1：100的SF6-CO2保护气体，待镁合金完全熔化、熔体温度达到720℃～740℃时加入镁—铈镧中间合金，镁—铈镧中间合金先预热到200℃，然后连续搅拌并通入SF6-CO2保护气体，直至镁—铈镧中间合金完全熔化；当温度到730～740℃时通氩气搅拌精炼5～10分钟，然后静置25-35分钟，当熔体温度下降到680℃～700℃时，在冷室压铸机上进行压铸生产，得到含铈镧高强耐蚀压铸镁合金；
本发明所的有益效果：
(1)铈镧混合稀土是本发明用于提高合金强度和塑性的元素，其强化机理是：一、细晶强化，由于稀土在镁合金熔体中是表面活性元素，在凝固过程中铈镧稀土富集在固液界面前沿，形成成分过冷阻碍晶粒长大，有效细化合金组织。稀土与合金中的铝结合生成稀土相Al11RE3，主要弥散分布于晶界处，减少并抑制了脆性第二相Mg17Al12的生成和长大，从而强化了合金基体，使塑性变形均匀化。稀土相能够有效的钉扎晶界、抑制晶内的位错攀移、使位错运动阻力增加，从而提高了合金强度和塑性，因此新型镁合金的综合性能得到明显改善。
(2)熔炼过程中铈镧稀土能够除去熔体中的杂质，达到除气、除渣、净化熔体的效果。合金熔炼时铈镧稀土在合金液表面聚集，与O、S、H、N等元素有很强的相互作用，生成RE2O3、RE2S3、REH2、REN等产物，可使合金熔体中气体含量降低16％，从而显著降低合金中有害气体元素的危害性。在镁合金中，氧化夹杂主要为MgO，由于稀土元素与O的亲和力大于Mg与O的亲和力，因此稀土加入镁合金液后将生成稀土氧化物，减少MgO夹杂。稀土也能够降低金属材料中有害微量金属如Fe、Cu、Si、Ni等的削弱作用，生成熔点较高的二元或多元化合物，这些化合物可成渣析出、或作为强化相存在，降低金属夹杂物在固态金属中的危害性。通过上述三方面作用，铈镧稀土提高了AZ91镁合金的耐腐蚀性能。
(3)新型镁合金所用铈镧稀土原料是将普通富铈混合稀土(含La、Ce、Pr、Nd)中Nd、Pr分离出去剩余的铈镧稀土。从90年代至今，国内外稀土专家对稀土应用不平衡的问题给予了极大的关注，而影响稀土综合利用和平衡发展的一个难题就是目前铈镧稀土的大量积压。仅中国每年就有大约12万吨、价值上亿美元的铈镧稀土产出积压，一直未得到大量应用，造成了资源的极大浪费和对环境的极大威胁。本发明利用廉价的铈镧稀土开发的高强耐蚀压铸镁合金，一是为积压的铈镧稀土资源找到新的利用途径，缓解了稀土资源产销不平衡问题，使诸多稀土元素的利用协调发展；二是降低了此类镁合金的成本，用廉价铈镧稀土取代传统富铈混合稀土，使产品的成本降低50％，并节省了紧缺的Pr、Nd稀土资源。另外，丰富的铈镧稀土资源保证了该合金的可持续发展，有利于提高我国镁合金产业的竞争力，促进稀土镁合金又好又快的发展。
附图说明
图1是本发明实施例2 AZ91+CeLa(Ce＝0.6％，La＝0.4％)合金的扫描电镜和透射电镜微观组织。可以看出细化合金晶粒对合金产生的细晶强化和晶界处大量细小的高熔点Al-RE相对合金产生的弥散强化是合金具有优良力学性能的主要原因。
具体实施方式
实施例1 AZ91+CeLa(Ce＝0.01％，La＝1.0％)合金
含铈镧稀土的高强耐蚀压铸镁合金的组成和质量百分比为：铝：9％，Zn：0.9％，锰：0.2％，铈：0.01％，镧：1.0％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁；选用AZ91基合金和镁—20％铈镧中间合金作为原材料，所述的镁—20％铈镧中间合金为镁占80％，铈镧占20％；所述的镁—20％铈镧中间合金的铈镧原料是用富铈混合稀土分离Nd、Pr后的铈镧稀土制成的，
其中铈镧稀土的组成成分和质量百分比为：Ce为20％～80％，La为80％～20％。
合金性能见表1和表2。
按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的坩锅熔化，并通入SF6:CO2体积比为1：100的SF6-CO2保护气体，待镁合金完全熔化、熔体温度达到720℃～740℃时加入镁—铈镧中间合金，镁—铈镧中间合金预热到200℃，然后连续搅拌并通入SF6-CO2保护气体，直至中间合金完全熔化；当温度到730～740℃时通氩气搅拌精炼5～10分钟，然后静置25-35分钟，当熔体温度下降到680℃～700℃时，在冷室压铸机上进行压铸生产，得到含铈镧高强耐蚀压铸镁合金。
实施例2 AZ91+CeLa(Ce＝0.6％，La＝0.4％)合金
含铈镧稀土的高强耐蚀压铸镁合金的组成和质量百分比为：铝：9％，Zn：0.9％，锰：0.2％，铈：0.6％，镧：0.4％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁；选用AZ91基合金和镁—20％铈镧中间合金作为原材料，所述的镁—20％铈镧中间合金为镁占80％，铈镧占20％；所述的镁—20％铈镧中间合金的铈镧原料是用富铈混合稀土分离Nd、Pr后的铈镧稀土制成的，其中铈镧稀土的组成成分和质量百分比为：Ce为20％～80％，La为80％～20％。
合金性能见表1和表2。
按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的坩锅熔化，并通入SF6:CO2体积比为1：100的SF6-CO2保护气体，待镁合金完全熔化、熔体温度达到720℃～740℃时加入镁—铈镧中间合金，镁—铈镧中间合金预热到200℃，然后连续搅拌并通入SF6-CO2保护气体，直至中间合金完全熔化；当温度到730～740℃时通氩气搅拌精炼5～10分钟，然后静置25-35分钟，当熔体温度下降到680℃～700℃时，在冷室压铸机上进行压铸生产，得到含铈镧高强耐蚀压铸镁合金。
实施例3 AZ91+CeLa(Ce＝0.2％，La＝0.3％)合金
含铈镧稀土的高强耐蚀压铸镁合金的组成和质量百分比为：铝：9％，Zn：0.9％，锰：0.2％，铈：0.2％，镧：0.3％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁；选用AZ91基合金和镁—20％铈镧中间合金作为原材料，所述的镁—20％铈镧中间合金为镁占80％，铈镧占20％；所述的镁—20％铈镧中间合金的铈镧原料是用富铈混合稀土分离Nd、Pr后的铈镧稀土制成的，其中铈镧稀土的组成成分和质量百分比为：Ce为20％～80％，La为80％～20％。
合金性能见表1和表2。
按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的坩锅熔化，并通入SF6:CO2体积比为1：100的SF6-CO2保护气体，待镁合金完全熔化、熔体温度达到720℃～740℃时加入镁—铈镧中间合金，镁—铈镧中间合金预热到200℃，然后连续搅拌并通入SF6-CO2保护气体，直至中间合金完全熔化；当温度到730～740℃时通氩气搅拌精炼5～10分钟，然后静置25-35分钟，当熔体温度下降到680℃～700℃时，在冷室压铸机上进行压铸生产，得到含铈镧高强耐蚀压铸镁合金。
实施例4 AZ91+CeLa(Ce＝0.6％，La＝0.01％)合金
含铈镧稀土的新型高强耐蚀压铸镁合金的组成和质量百分比为：铝：9％，Zn：0.9％，锰：0.2％，铈：0.6％，镧：0.01％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁；选用AZ91基合金和镁—20％铈镧中间合金作为原材料，所述的镁—20％铈镧中间合金为镁占80％，铈镧占20％；所述的镁—20％铈镧中间合金的铈镧原料是用富铈混合稀土分离Nd、Pr后的铈镧稀土制成的，其中铈镧稀土的组成成分和质量百分比为：Ce为20％～80％，La为80％～20％。
合金性能见表1和表2。
按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的坩锅熔化，并通入SF6:CO2体积比为1：100的SF6-CO2保护气体，待镁合金完全熔化、熔体温度达到720℃～740℃时加入镁—铈镧中间合金，镁—铈镧中间合金预热到200℃，然后连续搅拌并通入SF6-CO2保护气体，直至中间合金完全熔化；当温度到730～740℃时通氩气搅拌精炼5～10分钟，然后静置25-35分钟，当熔体温度下降到680℃～700℃时，在冷室压铸机上进行压铸生产，得到含铈镧高强耐蚀压铸镁合金。
表1
表1为本发明实施例1、例2、例3、例4的合金与AZ91的室温力学性能比较。
表2
| 合金成分 | 腐蚀速率(mg/cm<sup>2</sup>day) |
| AZ91 | 7.70 |
| 实施例1 | 0.95 |
| 实施例2 | 0.55 |
| 实施例3 | 1.03 |
| 实施例4 | 0.77 |
表2为本发明实施例1、例2、例3、例4的合金与AZ91的耐腐蚀性能比较。
Claims (5)
1、含铈镧高强耐蚀压铸镁合金，其特征在于组成成分和质量百分比为：Al为8.5％～9.5％，Zn为0.4～0.9％，Mn为0.2％～0.6％，稀土为Ce为0.01％～1.5％，La为0.01％～1.5％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁；选用AZ91基合金和镁—20％铈镧中间合金作为原材料，所述的镁—20％铈镧中间合金为镁占80％，铈镧占20％；所述的镁—20％铈镧中间合金的铈镧原料是用富铈混合稀土分离Nd、Pr后的铈镧稀土制成的，其中铈镧稀土的组成成分和质量百分比为：Ce为20％～80％，La为80％～20％。
2、如权利要求1所述的含铈镧高强耐蚀压铸镁合金，其特征在于组成成分和质量百分比为：Al为9％，Zn为0.9％，Mn为0.2％，Ce为0.01％，La为1.0％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁。
3、如权利要求1所述的含铈镧高强耐蚀压铸镁合金，其特征在于组成成分和质量百分比为：Al为9％，Zn为0.9％，Mn为0.2％，Ce为0.6％，La为0.4％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁。
4、如权利要求1所述的含铈镧高强耐蚀压铸镁合金，其特征在于组成成分和质量百分比为：Al为9％，Zn为0.9％，Mn为0.2％，Ce为0.2％，La为0.3％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁。
5、如权利要求1所述的含铈镧高强耐蚀压铸镁合金，其特征在于组成成分和质量百分比为：Al为9％，Zn为0.9％，锰为0.2％，铈为0.6％，镧为0.01％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.001％，余量为镁。
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