CN101323924B - 含Ag铸造镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种含Ag铸造镁合金及其制备方法，合金包含的各成分及重量百分比为：Gd 10-18％，Y 0-3％，Ag 1-3％，Zr 0.3-0.7％，余量为Mg和不可避免的杂质。该合金制备包括熔炼工艺和热处理工艺两个部分。本发明以Gd作为主要合金元素，通过在合金中添加少量的Ag，有效提高了稀土合金的固溶与时效强化效果，同时，通过添加少量的Zr，抑制了合金在铸造以及而后固溶过程中的晶粒的长大，显著的细化了晶粒。通过上述两种元素的添加，提高了合金的力学性能。为降低合金成本，在不影响合金性能的前提下，通过添加重量百分比不超过3％Y元素来代替部分的Gd元素。

Description

含Ag铸造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，具体地说，涉及的是一种含Ag铸造镁合金及其制备方法。

背景技术

轻量化在航空航天、军工、赛车和高档汽车等高科技领域有着比普通汽车有着更为强烈的需求，特别是对于飞行器，因零部件减重带来的巨大经济效益远胜于普通汽车行业(比如，汽车、民用飞机，战斗机、航天器重量重量每降低0.45kg，分别可以节约$3、$300、$3000和$30000)。镁合金，由于自身优异的比强度、良好的导热性、抗紫外线辐射等性能，对于航天航空、军工、赛车和高档汽车等领域极具吸引力。然而，现有镁合金由于强度、使用温度低等等缺点，严重影响了镁合金在这些领域中的推广应用。

目前，镁合金已经发展了Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-RE等多种系列，其中Mg-RE系列镁合金由于其突出的性能，对于上述领域极具吸引力。例如目前汽车动力系统中应用的AE42，航空发动机中应用的EK41、QE22，汽车、导弹上应用的WE43、WE54等等；目前研究的热点有Mg-Gd系、Mg-Dy系和Mg-Tb系等高性能重稀土镁合金。其中Mg-Gd系合金因为其具有出众的时效硬化特性和高达250℃的耐热温度，成为最具潜力的合金之一。

Gd元素和Mg的原子尺寸接近，在镁中的极限固溶度达到了23.5％(Wt.％)。通过加入Gd元素可实现固溶强化，时效强化。在提高力学性能的同时，熔炼中加入Gd元素还能除气、除杂、提高铸造流动性。除此以外，Gd的加入，还能提高镁合金的耐腐蚀性，耐磨性等性能。

为进一步提高Mg-Gd系合金的力学性能，则需要在Mg-Gd的基础上引入第三甚至第四种元素、优化合金成分和改进熔炼工艺。在镁合金中添加Ag元素，在提高合金固溶强化效果的同时，能提高合金的时效强化效果；而Zr元素的加入能细化晶粒，从而改善合金的力学性能。

经对现有技术的文献检索发现，X.Gao等在《Scripta Materialia》(材料研究快报)2008年58期第619-622页上发表的“Enhanced precipitation-hardening in Mg-Gd alloys containing Ag and Zn”(Ag和Zn元素对Mg-Gd合金沉淀强化效果的促进)，该文在重量百分比Mg-6Gd-0.6Zr合金的基础上，通过添加Ag元素，制备了Mg-6Gd-2Ag-0.6Zr镁合金，其研究发现Ag元素的加入能提高该合金的时效峰值硬度。但文中所述合金的稀土的重量百分比只有6％，未能充分发挥Gd元素的强化效果，并且该文中也未详细说明所述合金的力学性能。从以上分析可以看出，在Mg-Gd二元合金的基础上，添加Ag和Zr元素，通过调整合金成分和制备工艺，可获得性能更为优异的合金。这对于镁合金的发展和应用具有重要意义。

Y元素虽然在提高合金强度和耐热性方面，作用不如Gd元素，但Y元素替代Gd元素能降低合金的成本。在不影响合金性能的前提下，调整Mg-Gd-Ag-Zr合金中的Gd含量，通过添加重量百分比不超过3％Y元素来代替部分的Gd元素，可以获得价格相对便宜，但性能优异的镁合金。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种含Ag铸造镁合金及其制备方法，在Mg-Gd镁合金中添加纯银和Mg-Zr中间合金，Ag的添加增强了稀土合金的固溶和时效强化效果，有效提高了合金的力学性能；Zr的添加有效抑制了合金在铸造以及而后固溶过程中的晶粒的长大，显著的细化了晶粒，改善了合金的力学性能。通过调整Gd元素含量，利用Y元素替代部分Gd元素，从而降低了合金的成本。由于这种铸造镁合金的力学性能出众，可以作为高强度结构件，在汽车工业、航空航天、军工中广泛应用成为了可能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的含Ag铸造镁合金，包含的组分及其重量百分含量为：Gd 10％-18％，Y 0-3％，Ag 1％-3％，Zr 0.3％-0.7％，余量为Mg和不可避免的杂质。

所述不可避免的杂质，其包含的杂质元素及重量百分含量为：Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％。

本发明以Mg、Gd作为基本成分，加入Ag，固溶于镁基体中，提高了Gd元素固溶和时效强化的效果，加入Zr是为了细化合金晶粒，进一步改善合金的力学性能；通过将少量的Gd元素替换成Y元素(重量比不超过3％)，从而降低合金的成本。本发明形成的合金，粒尺寸明显细化，合金的强度相对于WE系列合金以及QE22合金明显提高。

本发明所涉及的含Ag铸造镁合金的制备方法，包括熔炼工艺和热处理工艺两个部分：

所述熔炼工艺，具体为：按照采用的成分计算原料需要的重量百分比，原料为：镁锭，纯银，Mg-Gd(Y)中间合金，Mg-Zr中间合金。将以上原料在烘箱中充分干燥，然后将工业纯镁在SF₆和Ar混合气体的保护下加热，待镁完全熔化后，在750℃分批加入Mg-Gd(Y)中间合金，在800℃加入Mg-Zr中间合金，过2-3分钟后，分次加入纯银。然后保持温度在780℃以上。之后，不断电精炼6-10分钟，精炼过程需充分搅拌。精炼结束后，在760℃-780℃静置，撇去浮渣，在700℃-720℃用浇包浇铸，或低压铸造。

所述热处理工艺，包括固溶处理和时效处理，具体为：将熔炼得到的合金经480-500℃，6-24小时的固溶处理后，在200-225℃的温度下进行2-50小时的时效处理。

所述在烘箱中干燥，其温度为180℃。

所述分次加入纯银的方式为不断电搅拌中加入，搅拌时间为5分钟。

所述保持温度在780℃以上，其保持时间为10分钟。

所述在760℃-780℃静置，其时间为30分钟。

所述镁锭，其中镁含量的质量分数大于99.9％。

所述Mg-Gd(Y)中间合金，其成分的重量百分比为Mg75％，Gd(Y)25％。

所述Mg-Zr中间合金，其成分的重量百分比为Mg70％，Zr30％。

所述SF₆和Ar混合气体，其中SF₆的体积分数为0.2％。

与现有普通铸造镁合金相比，本发明工艺简单，通过在Mg-Gd(或者Mg-Gd-y)合金中加入少量的Ag元素和Zr元素，细化了合金晶粒，并大幅提高了合金的力学性能。以Mg-18Gd-1.8Ag-0.3Zr(重量百分比)合金为例，经过热处理后，抗拉强度为413MPa，远高于QE22合金260MPa以及WE54合金280MPa的室温抗拉强度。

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。

实例1：

合金成分(重量百分比)为：18％Gd、1.8％Ag、0.3％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。合金的熔炼工艺为：按照上述成分配置合金，并在180℃的烘箱中将原料充分干燥，然后在电阻坩锅炉中加入工业纯镁4.4公斤，含有体积分数为0.2％SF₆的Ar、SF₆混合气体保护下加热熔炼，待镁完全熔化后，在750℃分批加入Mg-Gd中间合金总计24公斤，在800℃加入Mg-Zr中间合金1公斤，过2-3分钟后，不断电充分搅拌5分钟，搅拌的过程中分次加入纯银总计0.6公斤。然后保持温度在780℃以上，10分钟后，精炼6-10分钟，精炼过程需充分搅拌。精炼结束后，在760℃静置30分钟，撇去浮渣，在700-720℃用浇包浇铸，或低压铸造。本实例合金经过热处理后，室温抗拉强度为413MPa、屈服强度为330MPa、延伸率为1.7％。

实例2：

合金成分(重量百分比)为：14.3％Gd、1.7％Y、1％Ag、0.5％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

合金的熔炼工艺为：按照上述成分配置合金，并在180℃的烘箱中将原料充分干燥，然后在电阻坩锅炉中加入工业纯镁7.1公斤，含有体积分数为0.2％SF₆的Ar、SF₆混合气体保护下加热熔炼，待镁完全熔化后，在750℃分批加入Mg-Gd中间合金总计18公斤以及Mg-Y中间合金2.9公斤，在800℃加入Mg-Zr中间合金1.7公斤，过2-3分钟后，不断电充分搅拌5分钟，搅拌的过程中分次加入纯银总计0.31公斤。然后保持温度在780℃以上，10分钟后，精炼6-10分钟，精炼过程需充分搅拌。精炼结束后，在780℃静置30分钟，撇去浮渣，在700-720℃用浇包浇铸，或低压铸造。本实例合金经过热处理后，室温抗拉强度为408MPa、屈服强度为321MPa、延伸率为1.9％。

实例3：

合金成分(重量百分比)为：10％Gd、3％Y，2％Ag、0.6％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

合金的熔炼工艺为：按照上述成分配置合金，并在180℃的烘箱中将原料充分干燥，然后在电阻坩锅炉中加入工业纯镁10.2公斤，含有体积分数为0.2％SF₆的Ar、SF₆混合气体保护下加热熔炼，待镁完全熔化后，在750℃分批加入Mg-Gd中间合金总计12.6公斤以及Mg-Y中间合金5.1公斤，在800℃加入Mg-Zr中间合金1.5公斤，过2-3分钟后，不断电充分搅拌5分钟，搅拌的过程中分次加入纯银总计0.61公斤。然后保持温度在780℃以上，10分钟后，精炼6-10分钟，精炼过程需充分搅拌。精炼结束后，在770℃静置30分钟，撇去浮渣，在700-720℃用浇包浇铸，或低压铸造。本实例合金经过热处理后，室温抗拉强度为405MPa、屈服强度为310MPa、延伸率为2.3％。

实例4：

合金成分(重量百分比)为：13％Gd、1％Y，3％Ag、0.7％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

合金的熔炼工艺为：按照上述成分配置合金，并在180℃的烘箱中将原料充分干燥，然后在电阻坩锅炉中加入工业纯镁8.7公斤，含有体积分数为0.2％SF₆的Ar、SF₆混合气体保护下加热熔炼，待镁完全熔化后，在750℃分批加入Mg-Gd中间合金总计16.4公斤以及Mg-Y中间合金1.7公斤，在800℃加入Mg-Zr中间合金2.3公斤，过2-3分钟后，不断电充分搅拌5分钟，搅拌的过程中分次加入纯银总计0.91公斤。然后保持温度在780℃以上，10分钟后，精炼6-10分钟，精炼过程需充分搅拌。精炼结束后，在760℃-780℃静置30分钟，撇去浮渣，在700-720℃用浇包浇铸，或低压铸造。本实例合金经过热处理后，室温抗拉强度为410MPa、屈服强度为320MPa、延伸率为2％。

Claims (9)

1.一种含Ag铸造镁合金的制备方法，该含Ag铸造镁合金包含的组分及其重量百分含量为：Gd 10％-18％，Y 0-3％，Ag 1％-3％，Zr 0.3％-0.7％，余量为Mg和杂质，其特征在于，所述制备方法包括：熔炼工艺和热处理工艺：

所述熔炼工艺，具体为：按照比例称取原料，原料采用镁锭、纯银、包含Y元素的Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金，将以上原料在烘箱中干燥，然后将工业纯镁在SF6和Ar混合气体的保护下加热，待镁完全熔化后，在750℃分批加入包含Y元素的Mg-Gd中间合金，在800℃加入Mg-Zr中间合金，过2-3分钟后，分次加入纯银，然后保持温度在780℃以上，再不断电精炼6-10分钟，精炼过程伴随搅拌，精炼结束后，在760℃-780℃静置，撇去浮渣，在700℃-720℃用浇包浇铸，或低压铸造；

所述热处理工艺，包括固溶处理和时效处理，具体为：将熔炼得到的合金经480℃-500℃，6-24小时的固溶处理后，在200℃-225℃的温度下进行2-50小时的时效处理。

2.根据权利要求1所述的含Ag铸造镁合金的制备方法，其特征是，所述在烘箱中干燥，其温度为180℃。

3.根据权利要求1所述的含Ag铸造镁合金的制备方法，其特征是，所述分次加入纯银，其方式为不断电搅拌中加入，搅拌时间为5分钟。

4.根据权利要求1所述的含Ag铸造镁合金的制备方法，其特征是，所述保持温度在780℃以上，其保持时间为10分钟。

5.根据权利要求1所述的含Ag铸造镁合金的制备方法，其特征是，所述在760℃-780℃静置，其时间为30分钟。

6.根据权利要求1所述的含Ag铸造镁合金的制备方法，其特征是，所述包含Y元素的Mg-Gd中间合金，其成分的重量百分比为Mg75％，包含Y元素的Gd25％。

7.根据权利要求1所述的含Ag铸造镁合金的制备方法，其特征是，所述Mg-Zr中间合金，其成分的重量百分比为Mg70％，Zr30％。

8.根据权利要求1所述的含Ag铸造镁合金的制备方法，其特征是，所述SF₆和Ar混合气体，其中SF₆的体积分数为0.2％。

9.根据权利要求1所述的含Ag铸造镁合金的制备方法，其特征是，所述杂质，其包含的杂质元素及重量百分含量为：Fe＜0.005％，Cu＜0.015％，Ni＜0.002％。