CN101235454A

CN101235454A - 一种准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN101235454A
Application number: CNA2008101014699A
Authority: CN
Inventors: 杜文博; 李建辉; 李淑波
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2008-08-06

Abstract

一种准晶增强Mg－Zn－Er耐热镁合金及其制备方法属于耐热镁合金材料领域。本发明所提供的合金中各组分及其质量百分比为：Zn为4.5～5.0％，Er为2.0～4.0％，杂质元素Si含量≤0.02％，Fe含量≤0.005％，Cu含量≤0.015％，Ni含量≤0.002％，余量为Mg。本发明通过将预热至140～160℃的镁合金熔炼覆盖剂、镁锭和锌锭加入到200～250℃的坩埚中，设定熔炼炉温度为780℃后开始加热，并撒上镁合金熔炼覆盖剂，待坩埚中的合金熔化后加入Mg－Er中间合金，经搅拌，撇去Mg－Zn－Er合金液表面浮渣及覆盖剂后浇铸于金属模中。本发明的合金具有较高的高温强度和抗蠕变性能。

Description

一种准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于耐热镁合金材料领域，具体涉及一种含Er的准晶增强耐热镁合金的成分设计及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有高的比强度和比刚度、优良的铸造性能和机械加工性能，被誉为“21世纪的绿色结构材料”，有着广泛的应用前景。但是常用的铸造镁合金牌号，例如AZ91，由于其主要的强化相Mg₁₇Al₁₂的熔点仅为438℃，在高于100℃环境使用时强化相易软化，从而导致合金高温强度下降，限制了其应用范围。

近年来在Mg-Zn合金中添加稀土元素制备准晶增强的耐热镁合金已有报道[Z.P.Luo，S.Q.Zhang，Y.L.Tang，D.S.Zhao，Scr.Metall.Mater.1993，28：1513]。准晶增强的Mg-Zn-Y-Zr合金经热轧后，晶粒变得细小。与商业用的AZ31、AZ61和AZ91相比，由于准晶颗粒的强化作用Mg-Zn-Y-Zr合金的屈服强度相对较高，且随着准晶相颗粒含量的增加而增加[D.H.Bae，M.H.Lee，K.T.Kim，W.T.Kim，D.H.Kim，J.Alloys Comp.2002，342：445]。Yuan等人研究表明：与AE42合金相比，Mg-Zn-Gd基含准晶镁合金具有更为优异的抗蠕变性能。在180℃、80MPa、10.8ks的蠕变条件下，蠕变量为0.5％，稳态蠕变速率为1.4×10^-7s^-1[G.Y.Yuan，H.Kato，K.Amiya，A.Inoue，J.Mater.Res.2005，20：1278]。准晶相能很有效地提高合金的机械性能，但是，关于准晶增强镁合金的研究只是集中在Mg-Zn-Y和Mg-Zn-Gd系合金，通过在Mg-Zn系合金里添加其他的稀土元素，制备准晶增强耐热镁合金很有必要。有研究表明在含镁的锌合金Zn-Mg-Er中，已发现了含有Mg、Zn、Er的准晶相[A.P.Tsai，A.Niikura，A.Inoue，T.Masumoto，Phil.Mag.Lett.1994，70(3)：169]，但目前为止在含锌的镁合金里还没有发现准晶相的存在[Qudong Wang，Daquan Li，Qiang Li，Wenjiang Ding，Mater Sci Forum.2007，546-549：105]。本发明研究了稀土元素铒对Mg-Zn系合金的影响，并发现了准晶相的存在，扩大了准晶相在镁合金中的应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种含Er(质量百分比为2.0～4.0％)的准晶增强耐热镁合金及其制备方法。

本发明所提供的一种准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金中各组分及其质量百分比为：Zn含量为4.5～5.0％，Er含量为2.0～4.0％，杂质元素Si含量≤0.02％，Fe含量≤0.005％，Cu含量≤0.015％，Ni含量≤0.002％，Mg为平衡含量。

本发明所提供的一种准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将镁锭、锌锭、Mg-Er中间合金按目标合金中组分的重量百分比进行备料，并在烘箱中预热至140～160℃；

2)将镁合金熔炼覆盖剂在烘箱中预热至140～160℃，镁合金熔炼覆盖剂用量与目标合金总质量比为1/200～1/50；

3)将坩埚电阻炉设定加热温度为780℃，当坩埚温度升至200～250℃时，在坩埚中加入步骤1)中预热的镁锭和锌锭，并撒上步骤2)中预热的镁合金熔炼覆盖剂；

4)待坩埚中加入的镁锭与锌锭完全熔化后，加入步骤1)中预热的Mg-Er中间合金，熔化后得到Mg-Zn-Er合金熔液，搅拌2～5分钟，搅拌完成后保温30分钟；

5)将Mg-Zn-Er合金熔液温度调整至720～740℃，静置3～5分钟后，撇去Mg-Zn-Er合金熔液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将Mg-Zn-Er合金熔液浇注于金属模中，制得准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金。

其中，所述的镁合金熔炼覆盖剂的组分及其质量百分比为：BaCl₂(纯度99.9％)含量为35％，LiCl(纯度99.9％)含量为30％，CaF₂(纯度99.9％)含量为25％和KCl(纯度99.9％)含量为10％；所述的镁合金熔炼覆盖剂是按上述成分分别称量BaCl₂、LiCl、CaF₂和KCl四种化学物质，置于研钵中搅拌，混合均匀后放到烘箱中150℃下加热2h制得的，该覆盖剂最终不存在于目标合金中。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

本发明所制备的含Er的准晶增强耐热镁合金具有较高的高温强度和抗蠕变性能。可以作为汽车发动机及传动系统零部件的结构材料，也可以使用在需要较高服役温度下的其他结构零件材料，扩大了镁合金的应用范围。

附图说明

图1：实施例1制备的准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金的显微组织照片。

图2：实施例1制备的准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金所含准晶的透射电镜明场图及相应的衍射斑和能谱。其中，图2(a)为合金显微组织的透射电镜明场图，(b)、(c)分别为准晶相(图(a)中“A”处的衍射斑及能谱分析图。

图3：实施例1制备的准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金在175℃/70MPa条件下的蠕变曲线。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详述。

具体实施方式

实施例1

1)分别将称量的镁锭800克、锌锭56克、Mg-Er中间合金270克和覆盖剂6克(其中BaCl₂为2.1，LiCl为1.8克、CaF₂为1.5克和KCl为0.6克)置于烘箱中预热至150℃；

2)将坩埚电阻炉设定加热温度为780℃，当石墨坩埚温度升至230℃时，在石墨坩埚中加入镁锭和锌锭，并撒上6克镁合金熔炼覆盖剂；

3)待石墨坩埚中加入的镁锭与锌锭完全熔化后，加入Mg-Er中间合金。熔化后，对Mg-Zn-Er合金熔液搅拌4分钟，搅拌完成后保温30分钟；

4)将Mg-Zn-Er合金熔液温度调整至730℃，静置4分钟后，撇去Mg-Zn-Er合金熔液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将Mg-Zn-Er合金熔液浇注于金属模中，制得准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金。分析合金成分(质量百分比)为：Zn：4.8％，Er：2.4％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，余量为Mg。

本发明的含Er的准晶增强耐热镁合金在175℃温度条件下，抗拉强度为148MPa，伸长率为12％；在温度为175℃，应力为70MPa的蠕变条件下，100小时的总蠕变量为0.19％。合金的显微组织见图1、图2，蠕变曲线见图3。

实施例2

1)分别将称量的镁锭850克、锌锭57克、Mg-Er中间合金227克和覆盖剂12克(其中BaCl₂为4.2，LiCl为3.6克、CaF₂为3.0克和KCl为1.2克)置于烘箱中预热至140℃；

2)将坩埚电阻炉设定加热温度为780℃，当石墨坩埚温度升至200℃时，在石墨坩埚中加入镁锭和锌锭，并撒上12克镁合金熔炼覆盖剂；

3)待石墨坩埚中加入的镁锭与锌锭完全熔化后，加入Mg-Er中间合金，熔化后，对Mg-Zn-Er合金熔液搅拌2分钟，搅拌完成后保温30分钟；

4)将Mg-Zn-Er合金熔液温度调整至740℃，静置3分钟后，撇去Mg-Zn-Er合金熔液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将Mg-Zn-Er合金熔液浇注于金属模中，制得准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金。分析合金成分(质量百分比)：Zn：4.5％，Er：2.1％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，余量为Mg。

本发明的合金在175℃温度条件下，抗拉强度为140MPa，伸长率为16％；在温度为175℃，应力为70MPa的蠕变条件下，100小时的总蠕变量为0.3％。

实施例3

1)分别将称量的镁锭780克、锌锭70克、Mg-Er中间合金540克和覆盖剂26克(其中BaCl₂为9.1，LiCl为7.8克、CaF₂为6.5克和KCl为2.6克)置于烘箱中预热至160℃；

2)将坩埚电阻炉设定加热温度为780℃，当石墨坩埚温度升至250℃时，在石墨坩埚中加入镁锭和锌锭，并撒上26克镁合金熔炼覆盖剂；

3)待石墨坩埚中加入的镁锭与锌锭完全熔化后，加入Mg-Er中间合金。熔化后，对Mg-Zn-Er合金熔液搅拌5分钟，搅拌完成后保温30分钟；

4)将Mg-Zn-Er合金熔液温度调整至720℃，静置5分钟后，撇去Mg-Zn-Er合金熔液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将Mg-Zn-Er合金熔液浇注于金属模中，制得准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金。分析合金成分(质量百分比)：Zn：4.9％，Er：3.9％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，其余为Mg。

本发明的合金在175℃温度条件下，抗拉强度为150MPa，伸长率为11％；在温度为175℃，应力为70MPa的蠕变条件下，100小时的总蠕变量为0.4％。

Claims

1、一种准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金，其特征在于，各组分及其质量百分比为：Zn含量为4.5～5.0％，Er含量为2.0～4.0％，杂质元素Si含量≤0.02％，Fe含量≤0.005％，Cu含量≤0.015％，Ni含量≤0.002％，Mg为平衡含量。

2、权利要求1所述的一种准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的镁合金熔炼覆盖剂的组分及其质量百分比为：BaCl₂为35％，LiCl为30％，CaF₂为25％，KCl为10％。