CN101191168B - 一种镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种镁合金及其制备方法。该镁合金的成份含量为：Gd 7～11wt％，Y2～5wt％，Zr 0.3～0.6wt％，Zn 0～1.0％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。该合金的制备方法包括：合金熔炼、精炼、铸造、固溶、挤压变形以及两种人工时效方法，制成高强韧性耐热镁合金挤压棒材。采用直接人工时效的方法制得镁合金的室温拉伸力学性能为：抗拉强度σb＝450～480MPa，σ0.2＝390～425MPa，δ5＝3～5％；将试样加热到250℃保温10min，抗拉强度σb≥300MPa。采用双级人工时效的方法制得镁合金的室温拉伸力学性能为：抗拉强度σb＝380～395MPa，σ02＝280～290MPa，δ5＝15～21％；将试样加热到250℃保温10min，抗拉强度σb≥260MPa。本发明制成的高强韧性耐热镁合金的密度≤1.93g/cm3，能够满足特殊领域对金属材料密度、强韧性以及耐高温性能的要求。

Description

一种镁合金及其制备方法 
技术领域
本发明涉及一种镁合金及其制备方法，特别涉及一种高强度、高韧性、耐高温的稀土镁合金及其制备方法。 
背景技术
镁合金密度大约为1.74g/cm3，是钢的1/4，铝的2/3，是迄今为止实用金属结构材料中密度最小的一种金属。与钢和铝合金相比，镁合金具有高的比强度及比刚度、导热导电性、电磁屏蔽性，良好的阻尼减震性以及环境相容性好等优点，已在消费性电子产品、汽车、摩托车以及航空航天等领域得到广泛应用。但是，普通镁合金的室温强度低、韧性差，耐高温和耐腐蚀性能差，限制了其在更广阔领域的推广和应用。 
研制一种高强度、高韧性、耐高温和密度小的镁合金就成为本技术领域急需要解决的难题。 
发明内容
本发明的目的之一是提供一种高强度、高韧性、耐高温和小密度的镁合金。 
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 
一种镁合金，其成份及含量为：Gd 7～11重量％，Y 2～5重量％，Zr0.3～0.6重量％，Zn 0～1.0重量％，其余为Mg。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述镁合金的杂质的总含量≤0.30重量％。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述杂质为Fe、Si、Ni、Cu、Ca、Na元素中的一种或几种。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述杂质Fe和Ni的含量均≤0.004重量％，Si和Cu的含量均≤0.05重量％。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述Gd的含量为8～10重量％，Y的含量为3～4重量％，Zr的含量为0.4～0.6重量％，Zn的最佳含量为0～1.0重量％。 
本发明的另一个目的是提供上述镁合金的制备方法。 
一种镁合金的制备方法，该方法包括下述步骤： 
(1)、在石墨坩埚内壁及底部均匀地撒上一层镁合金表面阻燃覆盖剂； 
(2)、加入镁锭，升温至熔化，当熔液温度达740～760℃时，按比例加入Gd、Y，搅拌5～8min；按比例加入Zn和Mg-Zr中间合金，搅拌5～8min，完全熔化后浇注； 
(3)、将温度升温10-20℃，搅拌熔液8～10min，使熔液自下而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔液的波峰上撒以镁合金精炼剂；精炼剂的用量为炉料重量的1.5％～2.0％；精炼结束后，将熔液升温20-30℃，保温静置15～20min，制成镁合金熔体； 
(4)、将制好的镁合金熔体浇注到钢制模具中，制成镁合金铸锭； 
(5)、将制好的镁合金铸锭放入热处理炉中进行固溶，加热温度480～530℃，保温时间10～16h，空气中冷却，然后在车床上车去铸锭表面氧化层，制成挤压坯料； 
(6)、将制好的挤压坯料进行变形加工； 
(7)、对步骤(6)经变形加工后的型材进行人工时效，制得高强度、高韧性、耐高温和小密度镁合金材料。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(1)中的所述镁合金表面阻燃覆盖剂包括：氯化镁38～46重量份，氯化钾32～40重量份，氯化钡5～8重量份，氟化钙3～5重量份。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(3)中的所述镁合金精炼剂包括：氯化钾54～56重量份，氯化钡14～16重量份，氟化钙1.5～2.5重量份，氯化钙27～29重量份。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(6)中的变形加工为挤压、锻造或轧制。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述挤压步骤为：将制好的挤压坯料加热到350～420℃，进行挤压，挤压筒温度280～350℃，挤压比15～25，制成挤压棒材。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(7)中的人工时效工艺为：温度220～250℃，保温10～16h，空气中冷却，得镁合金。 
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(7)中的人工时效工艺为：先将挤压棒材加热到150～200℃，保温6～16h，进行第一级时效；然后再将挤压棒材升温至300～350℃，保温3～10h，进行第二级时效，空气中冷却，得镁合金。 
本发明制成的高强韧性耐热镁合金的密度≤1.93g/cm3。 
本发明中稀土金属的加入不仅能够显著提高镁合金的室温强韧性和耐热性，而且还能改善合金的铸造性能和耐腐蚀性能，同时还能保持镁合金密度小的优点，为镁合金应用领域的扩大创造了条件。 
具体实施方式
以下实施例中所用的％均为重量％。以下实施例包括镁合金的熔炼、铸造、热处理以及挤压。但是，本发明的镁合金并不只限于实施例中的挤压的变形加工方法，根据本发明的镁合金的强韧性高的特点，还可以采用其它的变形加工方法，如锻造和轧制等。 
实施例1 
镁合金的成份含量为：Gd 9％，Y 4％，Zr 0.5％，Zn 0.5％，余量为Mg，进行备料，其中，Gd、Y、Zn采用纯稀土金属，Mg采用镁锭，Zr采用Mg-Zr中间合金。 
1、镁合金熔炼 
采用中频炉和石墨坩锅作为熔炼设备，首先在石墨坩埚内壁及底部均匀地撒上一层表面阻燃覆盖剂包括：氯化镁38重量份，氯化钾40重量份，氯化钡8重量份，氟化钙5重量份，加入镁锭，升温至熔化，当熔液温度达730～780℃时，按Gd 9％，Y 4％，加入稀土金属，搅拌5～8min；按照Zr 0.5％加入Mg-Zr中间合金；按Zn 0.5％加入Zn，搅拌5～8min，完全熔化后浇注；光谱试样，进行炉前分析。如果成分不合格，可加料调整，直至合格。 
将温度调整至720～760℃，搅拌熔液8～10min，使熔液自下而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔液的波峰上撒以镁合金精炼剂：氯化钾54重量份，氯化钡16重量份，氟化钙2.5重量份，氯化钙29重量份，精炼剂的用量一般约为炉料重量的1.5％～2.0％。精炼结束后，将熔液升温至750～780℃，保温静置15～20min，精炼后升温静置的目的是减小熔液的密度和粘度，以加速熔渣的沉析，也使熔渣能有较充分的时间从镁熔液中沉淀下 来，以得到较纯净的熔体。至此，制成镁合金熔体。 
2、镁合金铸造 
首先，将钢制铸模预热到200～300℃，在模具型腔表面喷涂镁合金金属型重力铸造用涂料，涂料成分为：滑石粉30％，水玻璃5％，余量为水。然后，再将模具充分预热至200～300℃，保证涂料完全干燥。上述镁合金熔体经过表面撇渣后，浇注到模具中，浇注过程中，尽量保持液流平稳充型，尽量避免液流冲刷模具内壁。熔体经自然冷却凝固成镁合金铸锭。 
3、镁合金的固溶和挤压 
将制好的镁合金铸锭放入热处理炉中进行固溶，加热温度510～520℃，保温时间12～14h，空气中冷却。然后将处理后的镁合金铸锭在车床上加工成直径为93mm、长度为270mm的圆柱状挤压变形坯料。将挤压变形坯料加热到370～400℃并保温30分钟后，将坯料转移到630吨挤压机的挤压筒中，挤压筒温度300～320℃，挤压成直径为20mm的棒材，挤压比为21～22。 
4、镁合金的时效 
一种时效工艺制度是：将挤压棒材直接进行人工时效，人工时效制度是：220～250℃，保温10～16h，空气中冷却，得到镁合金。 
按照GB/T228-2002测试镁合金的室温拉伸力学性能，所得镁合金的室温拉伸力学性能为：抗拉强度σb＝450～480MPa，屈服强度σ0.2＝390～425MPa，断裂延伸率δ5＝3～5％；按照GB/T4338-1995，测试镁合金在250℃下保温10min的拉伸力学性能，其中镁合金的抗拉强度σb≥300MPa。 
采用流体静力称衡法，测量本发明制成的高强韧性耐热镁合金的密度ρ≤1.93g/cm3。 
实施例2 
按照实施例1中步骤1、2、3所述内容制得φ20mm的镁合金挤压圆棒。 
1、镁合金熔炼 
采用中频炉和石墨坩锅作为熔炼设备，首先在石墨坩埚内壁及底部均匀地撒上一层表面阻燃覆盖剂包括：氯化镁46重量份，氯化钾32重量份，氯化钡5重量份，氟化钙3重量份，加入镁锭，升温至熔化，当熔液温度达730～780℃时，按Gd 9％，Y 4％，加入稀土金属，搅拌5～8min；按照Zr 0.5％加入Mg-Zr中间合金；按Zn 0.5％加入Zn，搅拌5～8min，完全 熔化后浇注；光谱试样，进行炉前分析。如果成分不合格，可加料调整，直至合格。 
将温度调整至720～760℃，搅拌熔液8～10min，使熔液自下而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔液的波峰上撒以镁合金精炼剂：氯化钾56重量份，氯化钡14重量份，氟化钙1.5重量份，氯化钙27重量份，精炼剂的用量一般约为炉料重量的1.5％～2.0％。精炼结束后，将熔液升温至750～780℃，保温静置15～20min，精炼后升温静置的目的是减小熔液的密度和粘度，以加速熔渣的沉析，也使熔渣能有较充分的时间从镁熔液中沉淀下来，以得到较纯净的熔体。至此，制成镁合金熔体。 
2、镁合金铸造 
首先，将钢制铸模预热到200～300℃，在模具型腔表面喷涂镁合金金属型重力铸造用涂料，涂料成分为：滑石粉30％，水玻璃5％，余量为水。然后，再将模具充分预热至200～300℃，保证涂料完全干燥。上述镁合金熔体经过表面撇渣后，浇注到模具中，浇注过程中，尽量保持液流平稳充型，尽量避免液流冲刷模具内壁。熔体经自然冷却凝固成镁合金铸锭。 
3、镁合金的固溶和挤压 
将制好的镁合金铸锭放入热处理炉中进行固溶，加热温度510～520℃，保温时间12～14h，空气中冷却。然后将处理后的镁合金铸锭在车床上加工成直径为93mm、长度为270mm的圆柱状挤压变形坯料。将挤压变形坯料加热到370～400℃并保温30分钟后，将坯料转移到630吨挤压机的挤压筒中，挤压筒温度300～320℃，挤压成直径为20mm的棒材，挤压比为21～22。 
4、镁合金的双级时效 
先将试样加热到150～200℃，保温10～16h，进行第一级时效；然后再将试样升温至300～350℃，保温5～8h，进行第二级时效，空气中冷却，得到镁合金。 
按照GB/T228-2002测试镁合金的室温拉伸力学性能，所得镁合金的室温拉伸力学性能为：抗拉强度σb＝380～395MPa，屈服强度σ0.2＝280～290MPa，断裂延伸率δ5＝15～21％；按照GB/T4338-1995，测试镁合金在250℃下保温10min的拉伸力学性能，其中镁合金的抗拉强度σb≥260MPa。 
采用流体静力称衡法，测量本发明制成的高强韧性耐热镁合金的密度ρ≤1.93g/cm3。 
实施例3 
制备方法与实施例1相同，只是镁合金的成份含量为：Gd7％，Y5％，Zr 0.6％，Zn 1.0％，余量为Mg，进行备料，其中，Gd、Y、Zn采用纯金属，Mg采用镁锭，Zr采用Mg-Zr中间合金。表面阻燃覆盖剂包括：氯化镁42重量份，氯化钾36重量份，氯化钡6重量份，氟化钙4重量份。镁合金精炼剂：氯化钾55重量份，氯化钡15重量份，氟化钙2.0重量份，氯化钙28重量份。 
按照GB/T228-2002测试镁合金的室温拉伸力学性能，所得镁合金的室温拉伸力学性能为：抗拉强度σb＝360～400MPa，屈服强度σ0.2＝280～325MPa，断裂延伸率δ5＝8～15％；按照GB/T4338-1995，测试镁合金在250℃下保温10min的拉伸力学性能，其中镁合金的抗拉强度σb≥200MPa。 
采用流体静力称衡法，测量本发明制成的高强韧性耐热镁合金的密度ρ≤1.92g/cm3。 
实施例4 
制备方法与实施例1相同，只是镁合金的成份含量为：Gd11％，Y2％，Zr 0.3％，Zn 0％，余量为Mg，进行备料，其中，Gd、Y采用纯稀土金属，Mg采用镁锭，Zr采用Mg-Zr中间合金。 
按照GB/T228-2002测试镁合金的室温拉伸力学性能，所得镁合金的室温拉伸力学性能为：抗拉强度σb＝400～455MPa，屈服强度σ0.2＝320～380MPa，断裂延伸率δ5＝5～8％；按照GB/T4338-1995，测试镁合金在250℃下保温10min的拉伸力学性能，其中镁合金的抗拉强度σb≥250MPa。 
采用流体静力称衡法，测量本发明制成的高强韧性耐热镁合金的密度ρ≤1.93g/cm3。 

Claims (11)

1.一种镁合金，其成份及含量为：Gd 7～11重量％，Y2～5重量％，Zr 0.3～0.6重量％，Zn 0.5～1.0重量％，其余为Mg。
2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于：所述镁合金的杂质的总含量≤0.30重量％。
3.根据权利要求2所述的镁合金，其特征在于：所述杂质为Fe、Si、Ni、Cu、Ca、Na元素中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的镁合金，其特征在于：所述杂质Fe和Ni的含量均≤0.004重量％，Si和Cu的含量均≤0.05重量％。
5.根据权利要求4所述的镁合金，其特征在于：所述Gd的含量为8～10重量％，Y的含量为3～4重量％，Zr的含量为0.4～0.6重量％，Zn的含量为0.5～1.0重量％。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的镁合金的制备方法，该方法包括下述步骤：
(1)、在石墨坩埚内壁及底部均匀地撒上一层表面阻燃覆盖剂；
(2)、加入镁锭，升温至熔化，当熔液温度达740～760℃时，按比例加入Gd、Y，搅拌5～8min；按比例加入Zn和Mg-Zr中间合金，搅拌5～8min，完全熔化后浇注；
(3)、将温度升温10-20℃，进行精炼，搅拌熔液8～10min，使熔液自下而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔液的波峰上撒以镁合金精炼剂；精炼剂的用量为炉料重量的1.5％～2.0％；精炼结束后，将熔液升温20-30℃，保温静置15～20min，制成镁合金熔体；
(4)、将制好的镁合金熔体浇注到钢制模具中，制成镁合金铸锭；
(5)、将制好的镁合金铸锭放入热处理炉中进行固溶，加热温度480～530℃，保温时间10～16h，空气中冷却，然后在车床上车去铸锭表面氧化层，制成挤压坯料；
(6)、将制好的挤压坯料进行挤压；
(7)、对步骤(6)经变形加工后的型材进行人工时效，制得高强度、高韧性、耐高温和小密度镁合金材料。
7.根据权利要求6所述的镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的所述镁合金表面阻燃覆盖剂包括：氯化镁38～46重量份，氯化钾32～40重量份，氯化钡5～8重量份，氟化钙3～5重量份。
8.根据权利要求6所述的镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的所述镁合金精炼剂包括：氯化钾54～56重量份，氯化钡14～16重量份，氟化钙1.5～2.5重量份，氯化钙27～29重量份。
9.根据权利要求6所述的镁合金的制备方法，其特征在于：所述挤压步骤为：将制好的挤压坯料加热到350～420℃，进行挤压，挤压筒温度280～350℃，挤压比15～25，制成挤压棒材。
10.根据权利要求6所述的镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中的人工时效工艺为：温度220～250℃，保温10～16h，空气中冷却，得镁合金。
11.根据权利要求6所述的镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中的人工时效工艺为：先将挤压棒材加热到150～200℃，保温6～16h，进行第一级时效；然后再将挤压棒材升温至300～350℃，保温3～10h，进行第二级时效，空气中冷却，得镁合金。
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