CN100595305C - 抗蠕变镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抗蠕变镁合金及其制备方法，镁合金的各组分及其重量百分比为：1%≤Sm≤6%、0.2%≤Zn≤3%、0.2%≤Y≤1.5%、0≤Zr≤0.9%，其余为Mg和不可避免的杂质。首先在SF6和CO2气体保护条件下进行熔炼，熔炼时分别以Mg-Sm、Mg-Y、Mg-Zr中间合金的形式向镁熔体中添加组元Sm、Y和Zr，熔炼后得到的镁合金再进行490℃～540℃、6h～24h的固溶处理，即可获得优异的强度、良好的塑性和杰出的抗蠕变性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料技术领域的镁合金及其制备方法，具体是一种兼有高强度和良好塑性的抗蠕变镁合金及其制备方法。
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。因此，提出了高强度抗蠕变的镁合金。
稀土元素被认为是用来提高镁合金耐热性能的重要元素，例如已获商业化应用的Mg-Y-Nd基合金WE54和WE43。在专利CN 1804083A记载了一种高强耐热稀土镁合金，其组成为：2～10％重量比的Gd、3～12％重量比的Y，Gd和Y的重量之和占该合金总重量的13～14％，以及0.4～0.7％重量比的Zr和不大于0.3％重量比的活化元素(Zn、Ag、Cu、Sr、Ca、Ti、Bi、Cd中任选一种)，或0.6～1.5％重量比的Mn和不大于0.3％重量比的活化元素(Sn、Si、Sb、Ca、Sr中任选一种)，其余为镁。这种稀土镁合金的析出物总是沿着基体的棱柱面析出，形成一种交叉的网状相结构，具有能高度抗粒子粗化，提供高度强化和蠕变抗力的作用。其在300℃应用条件下，瞬时极限拉伸强度大于180MPa。然而该专利文献中，未对合金的高温抗蠕变性能进行描述，且采用重稀土元素Gd、Y过多，增大了成本，不利于工业化生产。
经对现有技术的检索发现，改善耐热性的另外一种可能途径是添加较为廉价的Zn元素，提出有Mg-Zn-RE系合金。从合金设计思想的不同，该系合金又分为两大类。一类(例如专利特许2807374和特许3238516)是将无定形状的合金材料热处理，进行微细晶化，得到高强度的镁合金，然而为了获得上述无定形状的合金材料，就需要相当量的Zn和RE元素，无疑增大了合金成本，且处理工艺相对复杂，不利于工业化生产。另一类(例如专利CN 1886528A、CN 101027420A和CN1886529A)是通过添加Zn元素，获得对高温性能改善极其有益的长周期有序结构，近年来在国际上也形成了研究的热点。在现有的此类合金中，RE元素多采用重稀土类元素，如Y、Gd、Dy、Er、Ho等，且过高的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。此外，上述专利文献也未对合金的高温抗蠕变性能进行描述。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种兼有高强度和良好塑性的抗蠕变镁合金及其制备方法，使其通过添加合金元素(Sm、Zn、Y)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、塑性和抗蠕变性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所述的兼有高强度和良好塑性的抗蠕变镁合金，其包含的各组分及其重量百分比为：1％≤Sm≤6％、0.2％≤Zn≤3％、0.2％≤Y≤1.5％、0≤Zr≤0.9％，其余为Mg和不可避免的杂质。其中，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。
本发明考虑到稀土元素Sm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Sm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，Sm的加入量不低于1％，为避免合金塑性过低，Sm的加入量不宜高于6％；选用Zn作为第二组元，因为加入元素Zn后，一方面可以利用生成的富Zn稀土化合物钉扎晶界，承担部分载荷而改善高温性能，更为重要的是Zn的加入还可以在晶内引入长周期有序堆垛结构，因该结构与Mg基体具有共格界面，所以在高温下有助于抑制基体变形，从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，以免和Mg产生低熔点的共晶相，因此Zn的含量控制在0.5～3％；选用Y作为第三组元，稀土元素Y、Sm的交互作用，充分促进Sm的固溶时效强化效果，可以获得比单纯稀土元素Sm更好的抗蠕变性能，并改善Sm的加入导致时效硬化峰值温度延迟的不良影响，同时，Y的加入有效的提高了长周期有序堆垛结构的形成能力，该有序结构与弥散分布的时效析出相的交互作用极大的改善了合金的抗蠕变性能，但过量的Y会导致密度增加过多，合金的塑性降低，成本增加，因此Y的含量控制在0.2～1.5％；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，从而可以获得较为优异的综合性能。
本发明所述的兼有高强度和良好塑性的抗蠕变镁合金的制备方法，分为两个阶段，即熔炼和后续热处理。
所述熔炼在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，包括如下步骤：
第一步，熔炼Mg：在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，加热熔炼；
第二步，加Zn：待镁完全熔化后，在680℃～700℃下加入工业纯锌；
第三步，加Sm和Y：在700℃～740℃往镁液中加入Mg-Sm和Mg-Y中间合金；
第四步，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，搅拌以促使其充分熔化；
第五步，铸造：升高镁液温度至780℃～800℃，保温后降温至740℃～760℃，通电精炼，精炼后静置，待镁液冷却至700℃～740℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至200℃～250℃，即得到Mg-Sm-Zn-Y合金或Mg-Sm-Zn-Y-Zr合金。
第四步中，所述搅拌，其时间为2min～5min。
第五步中，所述保温，其时间为20min～30min。
第五步中，所述通电精炼，其时间为6min～10min。
第五步中，所述静置，其时间控制在25min～40min之间。
所述后续热处理，是指将得到的Mg-Sm-Zn-Y合金或Mg-Sm-Zn-Y-Zr合金进行490℃～540℃、6h～24h的固溶处理。
进一步，所述后续热处理，是指将得到的Mg-Sm-Zn-Y合金或Mg-Sm-Zn-Y-Zr合金进行490℃～540℃、6h～24h的固溶处理之后再进行时效处理。
所述时效处理，其温度为200℃～300℃，时间为12h～48h。
总之，与现有技术相比，本发明提供的耐热镁合金除具有重量轻、工艺简单、成本可接受之外，还具有良好的塑性、优异的高温强度和抗蠕变性能。以Mg-4Sm-1Zn-1Y-0.5Zr合金为例，铸态下其抗拉强度和延伸率分别为203.2MPa和3.38％；经490℃，7h固溶处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为222.96MPa和7.87％；经上述固溶处理后再进行225℃，12h的时效处理，室温抗拉强度和延伸率分别为219.95MPa和5.01％，高温200℃和250℃测试时的抗拉强度依然高达239MPa和244MPa。即便在铸态下，该合金仍可获得优于WE43合金(T6态)的抗蠕变性能，250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为2.14×10-8s-1，而WE43合金(T6态)为2.17×10-7s-1；250℃/120MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为7.8×10-8s-1，而WE43合金(T6态)在相同温度100MPa蠕变条件下仅为1.22×10-6s-1。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
合金成分(重量百分比)：1％Sm、0.2％Zn、0.2％Y、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和CO2混合气体进行保护；(2)待镁完全熔化后，在680℃加入工业纯锌；(3)当镁液温度达到700℃后，将Mg-Sm中间合金直接加入到镁液中，Mg-Sm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2min以促使其充分熔化；(5)升高镁液温度至780℃，保温20min后降温至750℃，不断电精炼6min，精炼后的静置时间控制在25min之间，待镁液冷却至740℃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530℃，10h的固溶处理(简称T4)或者T4处理后再进行225℃，12h的时效处理(简称T6)。最后可以得到兼有高强度和良好塑性的抗蠕变Mg-1Sm-0.5Zn-0.2Y-0.3Zr合金。
本实施例的合金，铸态下其室温抗拉强度和延伸率分别为180MPa和6.21％，经T4处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为196MPa和13％，经T6处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为208.5MPa和10.01％。
本实施例的合金，经T6处理后，高温200℃和250℃测试时的抗拉强度依然高达207MPa和195MPa；在250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为3.19×10-7s-1；250℃/120MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为1.35×10-6s-1。
实施例2：
合金成分(重量百分比)：6％Sm、3％Zn、1％Y，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和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720℃后，将Mg-Sm中间合金直接加入到镁液中，Mg-Sm熔化后镁液温度回升至740℃时再加入Mg-Y中间合金；(4)升高镁液温度至800℃，保温20min后降温至740℃，不断电精炼10min，精炼后的静置时间控制在40min之间，待镁液冷却至720℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至250℃。
将熔炼得到的合金进行525℃，24h的固溶处理(简称T4)或者T4处理后再进行250℃，24h的时效处理(简称T6)。最后可以得到兼有高强度和良好塑性的抗蠕变Mg-6Sm-3Zn-1Y合金。
本实施例的合金，铸态下其抗拉强度和延伸率分别为225.3MPa和3％，经T4处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为240.6MPa和8.06％，经T6处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为271.17MPa和5.71％。
本实施例的合金，经T6处理后，高温200℃和250℃测试时的抗拉强度依然高达266MPa和257MPa；250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为1.08×10-8s-1，250℃/120MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为5.34×10-8s-1。
实施例3：
合金成分(重量百分比)：6％Sm、3％Zn、1％Y、0.5Zr，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和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720℃后，将Mg-Sm中间合金直接加入到镁液中，Mg-Sm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780℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌5min以促使其充分熔化；(5)升高镁液温度至800℃，保温20min后降温至740℃，不断电精炼10min，精炼后的静置时间控制在40min之间，待镁液冷却至720℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至250℃。
将熔炼得到的合金进行525℃，24h的固溶处理(简称T4)或者T4处理后再进行250℃，24h的时效处理(简称T6)。最后可以得到兼有高强度和良好塑性的抗蠕变Mg-6Sm-3Zn-1Y-0.5Zr合金。
本实施例的合金，铸态下其室温抗拉强度和延伸率分别为245MPa和5.46％，经T4处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为259MPa和11.63％，经T6处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为289MPa和9％。
本实施例的合金，经T6处理后，高温200℃和250℃测试时的抗拉强度依然高达269MPa和251MPa；250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为4.27×10-8s-1，250℃/120MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为8.86×10-8s-1。
实施例4：
合金成分(重量百分比)：5％Sm、2％Zn、1.5％Y、0.9％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和CO2混合气体进行保护；(2)待镁完全熔化后，在680℃加入工业纯锌；(3)当镁液温度达到720℃后，将Mg-Sm中间合金直接加入到镁液中，Mg-Sm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780℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌5min以促使其充分熔化；(5)升高镁液温度至800℃，保温30min后降温至740℃，不断电精炼10min，精炼后的静置时间控制在40min之间，待镁液冷却至740℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至250℃。
将熔炼得到的合金进行540℃，10h的固溶处理(简称T4)或者T4处理后再进行300℃，16h的时效处理(简称T6)。最后可以得到兼有高强度和良好塑性的抗蠕变Mg-5Sm-2Zn-1.5Y-0.9Zr合金。
本实施例的合金，铸态下其抗拉强度和延伸率分别为250MPa和4.52％，经T4处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为264.7MPa和10.05％，经T6处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为298.63MPa和8.61％。
本实施例的合金，经T6处理后，高温200℃和250℃测试时的抗拉强度依然高达287MPa和271MPa；250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为9.13×10-9s-1；250℃/120MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为2.98×10-8s-1。
实施例5：
合金成分(重量百分比)：4％Sm、1％Zn、1％Y、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和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-Sm中间合金直接加入到镁液中，Mg-Sm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2min以促使其充分熔化；(5)升高镁液温度至780℃，保温20min后降温至750℃，不断电精炼6min，精炼后的静置时间控制在30min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250℃。
将熔炼得到的合金进行490℃，7h的固溶处理(简称T4)或者T4处理后再进行225℃，12h的时效处理(简称T6)。最后可以得到兼有高强度和良好塑性的抗蠕变Mg-4Sm-1Zn-1Y-0.5Zr合金。
本实施例的合金，铸态下其抗拉强度和延伸率分别为203.2MPa和3.38％，经T4处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为222.96MPa和7.87％，经T6处理后，室温抗拉强度和延伸率分别为219.95MPa和5.01％。
本实施例的合金，经T6处理后，高温200℃和250℃测试时的抗拉强度依然高达244MPa和239MPa。
即便在铸态下，本实施例的合金仍可获得优于WE43合金(T6态)的抗蠕变性能，250℃/80MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为2.14×10-8s-1，而WE43合金(T6态)为2.17×10-7s-1；250℃/120MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为7.8×10-8s-1，而WE43合金(T6态)为1.22×10-6s-1。本实施例的合金，经T4处理后，200℃/120MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为6.19×10-10s-1，而WE43合金(T6态)为1.05×10-9s-1。
Claims (9)
1.一种抗蠕变镁合金的制备方法，该抗蠕变镁合金的各组分及其重量百分比为：1％≤Sm≤6％、0.2％≤Zn≤3％、0.2％≤Y≤1.5％、0≤Zr≤0.9％，其余为Mg和杂质，所述杂质成分的重量百分比为：Fe＜0.005％、Cu＜0.015％、Ni＜0.002％，
其特征在于，所述制备方法包括：熔炼和后续热处理，
所述熔炼在SF6和CO2气体保护条件下进行，包括如下步骤：
第一步，熔炼Mg：在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，加热熔炼；
第二步，加Zn：待镁完全熔化后，在680℃～700℃下加入工业纯锌；
第三步，加Sm和Y：在700℃～740℃往镁液中加入Mg-Sm和Mg-Y中间合金；
第四步，在加Zr的情况下：将镁液温度升至760℃～780℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌以促使其充分熔化；
第五步，铸造：升高镁液温度至780℃～800℃，保温后降温至740℃～760℃，通电精炼，精炼后静置，待镁液冷却至700℃～740℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至200℃～250℃，即得到Mg-Sm-Zn-Y合金或Mg-Sm-Zn-Y-Zr合金。
2.根据权利要求1所述的抗蠕变镁合金的制备方法，其特征是，
所述后续热处理，是指将得到的Mg-Sm-Zn-Y合金或Mg-Sm-Zn-Y-Zr合金进行490℃～540℃、6h～24h的固溶处理。
3.根据权利要求1的抗蠕变镁合金的制备方法，其特征是，第四步中，所述搅拌，其时间为2min～5min。
4.根据权利要求1的抗蠕变镁合金的制备方法，其特征是，第五步中，所述保温，其时间为20min～30min。
5.根据权利要求1或4的抗蠕变镁合金的制备方法，其特征是，第五步中，所述通电精炼，其时间为6min～10min。
6.根据权利要求2或4的抗蠕变镁合金的制备方法，其特征是，第五步中，所述静置，其时间控制在25min～40min之间。
7.根据权利要求2的抗蠕变镁合金的制备方法，其特征是，所述后续热处理，是指将熔炼得到的Mg-Sm-Zn-Y合金或Mg-Sm-Zn-Y-Zr合金进行490℃～540℃、6h～24h的固溶处理之后再进行时效处理。
8.根据权利要求7的抗蠕变镁合金的制备方法，其特征是，所述时效处理，其温度为200℃～300℃。
9.根据权利要求7或8的抗蠕变镁合金的制备方法，其特征是，所述时效处理，其时间为12h～48h。
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