CN100545286C

CN100545286C - 高强度抗蠕变镁合金及其制备方法

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Publication number: CN100545286C
Application number: CNB2006101413581A
Authority: CN
Inventors: 顾金海; 王渠东; 高岩; 金田润也
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Hitachi Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Hitachi Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: CN101153361A

Abstract

一种高强度抗蠕变镁合金及其制备方法，镁合金的组分及其重量百分比为：6%≤Y≤12%、1%≤Gd≤6%、0.5%≤Zn≤3%、0≤Zr≤0.9%，其余为Mg和不可避免的杂质。熔炼时分别以Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Zr中间合金的形式向镁熔体中添加组元Y、Gd和Zr，熔炼后得到的镁合金经过500～550℃、6～24小时的固溶处理以及225～300℃、12～48小时的时效处理后，在300℃下，镁合金具有优异的强度和抗蠕变性能。

Description

高强度抗蠕变镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度抗蠕变镁合金及其制备方法，具体涉及一种通过添加合金元素(Y、Gd、Zn)以及调整相应的热处理工艺从而实现镁合金的高强度和抗蠕变性能，属于金属材料类及冶金领域。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，能满足日益严格的汽车尾气排放要求，可生产出重量轻、油耗少、环保型的新型汽车，因而在汽车工业中受到了广泛的关注。然而，低的高温强度和抗蠕变性能制约了其在发动机和动力系统零件上的应用。稀土被认为是用来提高镁合金耐热性能的重要元素，如已获商业化应用的Mg-Y-Nd基合金WE54和WE43。

在日本专利特开平10-147830中，发明者选用Y作为第一合金组元，Gd作为第二组元，他们所制备的Mg-8Y-3Gd-0.5Zr合金在经过均质化处理、热间锻造以及时效处理之后，可以获得优于WE54的高温抗拉强度，其中200℃下的抗拉强度超过了330MPa(株式会社东京精锻工所，日立金属株式会社，特开平10-147830，公开日：1998.06.02)。然而该专利中，未对合金的蠕变性能进行描述，且铸造后所采用的处理工艺相对复杂，不利于工业化生产。另外一种改善耐热性的可能途径是添加较为廉价的Zn来取代部分Gd，从而有望获得对高温性能改善有益的长周期结构。近年来，通过成分和工艺的调整期望在稀土镁合金中获得长周期结构一直是国际上研究的一个热点。但是在耐热性方面，过高的Zn含量将影响固溶效果，以致不能充分发挥时效强化的作用，这无疑也不利于镁合金高温性能的改善以及有悖于轻量化设计的初衷。

从以上的分析可以看出，进一步优化合金成分和热处理工艺，对于秉承镁合金的轻量化特性、实现可接受的价格以及获得优异的耐热性能均具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种高强度抗蠕变镁合金及其制备方法，通过添加合金元素(Y、Gd、Zn)以及调整相应的热处理工艺，从而实现耐热镁合金需要具备的优异的高温强度和抗蠕变性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：考虑到Y固溶度大，固溶强化效果好，具有时效强化能力，且在稀土金属中具有相对较低的密度，有助于增加合金的阻燃和抗氧化能力，因而选用Y作为第一组元，为保证合金得到良好的固溶强化和时效析出强化效果，Y的加入量不低于6％，为避免合金塑性过低，以及铸态下得到过多的低熔点共晶相而影响高温蠕变性能，Y的加入量不宜高于12％；选用Gd作为第二组元，因为加入重稀土元素Gd有望获得比轻稀土元素Y更好的抗蠕变性能，并可发挥Gd的固溶、时效强化效果，改善Y的加入导致时效硬化峰值温度延迟的不良影响，但过量的Gd会导致密度增加过多，因此Gd的含量控制在1～6％；选用Zn作为第三组元，除可以利用生成的富Zn稀土化合物钉扎晶界，承担部分载荷而改善高温性能外，Zn的加入还可以在晶内引入长周期有序结构，因该结构与Mg基体具有共格界面，所以高温下有助于抑制基体变形并因而改善合金的耐热性，当然，Zn的加入还可以有效地降低成本，但含量也不宜过多，以免产生过多的难于固溶的富Zn化合物，因此Zn的含量控制在0.5～3％；此外，虽然并不是必需的，但合金中还可以添加适量的Zr来细化晶粒，进一步改善材料的强度和塑性，从而期望获得较为优异的综合性能。

综上所述，本发明所提供的一种高强度抗蠕变镁合金，其包含的各组分及其重量百分比为：6％≤Y≤12％、1％≤Gd≤6％、0.5％≤Zn≤3％、0≤Zr≤0.9％，其余为Mg和不可避免的杂质。其中，合金中的杂质元素含量为：Fe＜0.005％、Cu＜0.015％、Ni＜0.002％，随杂质含量的增加，合金的耐腐蚀性能显著降低。

本发明所提供的上述合金的制备方法，分为两个阶段，即熔炼和后续热处理。其中，熔炼过程在SF₆/CO₂气体保护条件下进行，具体步骤如下：

(1)熔炼Mg：在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，加热熔炼；

(2)加Zn：待镁完全熔化后，在600～700℃的温度下加入工业纯锌；

(3)加Y和Gd：在700～740℃的温度下向镁液中加入Mg-Y和Mg-Gd中间合金；

(4)在需要加Zr的情况下：将镁液温度升至760～780℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2～5分钟以促使其充分熔化；

(5)铸造：升高镁液温度至780～800℃，保温20～30分钟后降温至740～760℃，精炼6～10分钟，精炼后的静置时间控制在25～40分钟之间，待镁液冷却至700～720℃后撇去表面浮渣，浇铸到预先加热至200～250℃的浇铸用钢制模具中，即可得到Mg-Y-Gd-Zn合金或Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金。

熔炼之后的热处理工艺为：

将熔炼得到的Mg-Y-Gd-Zn合金或Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金进行500～550℃、6～24小时的固溶处理以及225～300℃、12～48小时的时效处理。

显然，与现有公开技术及专利特开平10-147830相比，本发明的合金在成分和工艺上都存在显著差异。成分上，微量Zn的加入明显改变了合金的微观组织结构，本发明者们认为其所产生的富Zn化合物以及长周期有序结构均可以明显改善合金的抗蠕变性能，而在专利特开平10-147830中，只是讨论了合金的高温强度，对蠕变性能未有任何描述，事实上，瞬时高温强度和蠕变性能的影响机制是有明显差异的。工艺上，本发明合金省去了专利特开平10-147830中的热间锻造，采用了优化的铸造和热处理工艺，同样实现了优异的高温强度和抗蠕变性能。

总之，与现有技术相比，本发明具有显著进步，提供的耐热稀土镁合金除具有重量轻、工艺简单、成本可接受之外，还具有非常优异的高温强度和抗蠕变性能。以Mg-12Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金为例，图1是该合金典型的铸态金相组织，经过535℃、16小时的固溶处理以及225℃、24小时的时效处理之后，其室温抗拉强度和延伸率分别为272.84MPa和0.55％，高温200℃时的抗拉强度和延伸率分别为288.72MPa和6.3％，高温300℃时的抗拉强度和延伸率分别为295.36MPa和10.6％；在300℃/50MPa蠕变条件下，该合金仍具有非常优异的抗蠕变性能，其稳态蠕变速率为2.8×10^-8s^-1，且其蠕变寿命远超过100小时，而相同测试条件下未加Zn的Mg-12Y-5Gd-0.5Zr合金的蠕变寿命低于40小时，如后面所附的图2所示。在250℃/80MPa蠕变条件下，加Zn合金的稳态蠕变速率为3.89×10^-9s^-1，而未加Zn合金的稳态蠕变速率为4.46×10^-8s^-1，具体数据可参见表1和后面所附的图3。由此可见，Zn元素的加入确实可以显著改善合金的抗蠕变性能。

表1：Mg-12Y-5Gd-0.5Zr和Mg-12Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金的蠕变性能的比较

附图说明

图1表示Mg-12Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金的铸态金相组织。

图2表示Mg-12Y-5Gd-0.5Zr和Mg-12Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在300℃/50MPa条件下的蠕变性能。

图3表示Mg-12Y-5Gd-0.5Zr和Mg-12Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在250℃/80MPa条件下的蠕变性能。

具体实施方式

下面，以具体的实施例对本发明进行说明。

实施例1：

合金成分(重量百分比)：6％Y、5％Gd、2％Zn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

该合金的熔炼工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入纯镁，同时采用SF₆/CO₂混合气体进行保护；(2)待镁完全熔化后，在640℃加入工业纯锌；(3)当镁液温度达到740℃后，将Mg-Gd中间合金直接加入到镁液中，Mg-Gd熔化后镁液温度回升至740℃时再加入Mg-Y中间合金；(4)将镁液温度升至770℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌4分钟以促使其充分熔化；(5)升高镁液温度至790℃，保温20分钟后降温至750℃，精炼6分钟，精炼后的静置时间控制在25～40分钟之间，待镁液冷却至700℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至240℃。

将熔炼得到的合金进行525℃、6小时的固溶处理以及225℃、12小时的时效处理。最后得到高强度抗蠕变Mg-6Y-5Gd-2Zn合金。

本实施例的合金的室温抗拉强度和延伸率分别为245.12MPa和8.2％，高温200℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为240.03MPa和20.1％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为220.25MPa和31.2％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为3.6×10^-7s^-1，250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为3.5×10^-8s^-1。

实施侧2：

合金成分(重量百分比)：6％Y、5％Gd、2％Zn、0.5％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

该合金的熔炼工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入纯镁，同时采用SF₆/CO₂混合气体进行保护；(2)待镁完全熔化后，在690℃加入工业纯锌；(3)当镁液温度达到720℃后，将Mg-Gd中间合金直接加入到镁液中，Mg-Gd熔化后镁液温度回升至720℃时再加入Mg-Y中间合金；(4)将镁液温度升至760℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2分钟以促使其充分熔化；(5)升高镁液温度至780℃，保温20分钟后降温至750℃，精炼6分钟，精炼后的静置时间控制在25～40分钟之间，待镁液冷却至700℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至200℃。

将熔炼得到的合金进行525℃、6小时的固溶处理以及225℃、12小时的时效处理。最后得到高强度抗蠕变Mg-6Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金。

本实施例的合金的室温抗拉强度和延伸率分别为251.2MPa和12.01％，高温200℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为245.79MPa和36.4％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为234.02MPa和38.1％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为4.2×10^-7s^-1，250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为3.8×10^-8s^-1。

实施例3：

合金成分(重量百分比)：7％Y、4％Gd、0.5％Zn、0.3％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

该合金的熔炼工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入纯镁，同时采用SF₆/CO₂混合气体进行保护；(2)待镁完全熔化后，在690℃加入工业纯锌；(3)当镁液温度达到725℃后，将Mg-Gd中间合金直接加入到镁液中，Mg-Gd熔化后镁液温度回升至725℃时再加入Mg-Y中间合金；(4)将镁液温度升至760℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2分钟以促使其充分熔化；(5)升高镁液温度至780℃，保温20分钟后降温至750℃，精炼6分钟，精炼后的静置时间控制在25～40分钟之间，待镁液冷却至710℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至220℃。

将熔炼得到的合金进行535℃、16小时的固溶处理以及225℃、24小时的时效处理。最后得到高强度抗蠕变Mg-7Y-4Gd-0.5Zn-0.3Zr合金。

本实施例的合金的室温抗拉强度和延伸率分别为283.40MPa和0.51％，高温200℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为269.74MPa和7.6％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为222.14MPa和9.5％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为5.8×10^-8s^-1，250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为6.19×10^-9s^-1。

实施例4：

合金成分(重量百分比)：12％Y、5％Gd、2％Zn、0.5％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

该合金的熔炼工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，在电阻坩埚炉中加入纯镁，同时采用SF₆/CO₂混合气体进行保护；(2)待镁完全熔化后，在700℃加入工业纯锌；(3)当镁液温度达到730℃后，将Mg-Gd中间合金直接加入到镁液中，Mg-Gd熔化后镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Y中间合金；(4)将镁液温度升至760℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2分钟以促使其充分熔化；(5)升高镁液温度至780℃，保温20分钟后降温至750℃，精炼6分钟，精炼后的静置时间控制在25～40分钟之间，待镁液冷却至710℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至220℃。

将熔炼得到的合金进行535℃、16小时的固溶处理以及225℃、24小时的时效处理。最后得到高强度抗蠕变Mg-12Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金。

本实施例的合金的室温抗拉强度和延伸率分别为272.84MPa和0.55％，高温200℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为288.72MPa和6.3％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为295.36MPa和10.6％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为2.8×10^-8s^-1，250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为3.89×10^-9s^-1。

实施例5：

合金成分(重量百分比)：9％Y、5％Gd、3％Zn、0.9％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

将熔炼得到的合金进行535℃、16小时的固溶处理以及225℃、24小时的时效处理。最后得到高强度抗蠕变Mg-9Y-5Gd-3Zn-0.9Zr合金。

本实施例的合金的室温抗拉强度和延伸率分别为291.95MPa和2.46％，高温200℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为317.72MPa和21.9％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为280.66MPa和23.3％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为7.9×10^-8s^-1，250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为1.18×10^-8s^-1。

Claims

1.一种镁合金，其特征在于，包含的各组分及其重量百分比为：6％≤Y≤12％、1％≤Gd≤6％、0.5％≤Zn≤3％、0≤Zr≤0.9％，其余为Mg和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，其中Zr的重量百分比为0.3％≤Zr≤0.9％。

3.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，其中杂质成分的重量百分比为：Fe＜0.005％、Cu＜0.015％、Ni＜0.002％。

4.一种镁合金的制备方法，用于制备如权利要求1所述的镁合金，包括：熔炼过程和后续热处理过程，其特征在于，所述熔炼过程在SF₆和CO₂的混合气体保护条件下进行，具体步骤如下：

(1)熔炼Mg：在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，加热熔炼；

5.根据权利要求4的镁合金的制备方法，其特征在于，所述后续热处理过程包括：将得到的Mg-Y-Gd-Zn合金或Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金进行500～550℃、6～24小时的固溶处理以及225～300℃、12～48小时的时效处理。