CN101603139A

CN101603139A - 高强度耐热镁合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101603139A
Application number: CNA2009100232900A
Authority: CN
Inventors: 杨光昱; 李杰华; 介万奇; 于忠; 张润强
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2009-12-16

Abstract

本发明公开了一种高强度耐热镁合金材料，其特点是由由2.5～3.5(wt％)的Nd，1.0～2.0(wt％)的Gd、0.05～0.1(wt％)的Zn、0.4～0.6(wt％)的Zr、杂质≤0.25wt％(其中，Cu≤0.1％，Ni≤0.01％)和余量Mg制备而成。本发明还公开了上述高强度耐热镁合金材料的制备方法，通过对添加Zn、Mg－Gd中间合金和Mg－Zr中间合金的时机和温度进行控制，所制备的高强度耐热镁合金的室温抗拉强度σ_b由现有技术的230MPa提高到270MPa，屈服强度σ_0.2由现有技术的135MPa提高到205MPa，延伸率δ由现有技术的3％提高到3.5％。同时，合金的300℃高温瞬时抗拉强度σ_b ^300℃由现有技术的109MPa提高到141MPa，合金的300℃高温瞬时抗拉屈服强度σ_0.2 ^300℃由现有技术的79MPa提高到123MPa。

Description

高强度耐热镁合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金材料，特别是高强度耐热镁合金材料，还涉及这种高强度耐热镁合金材料的制备方法。

背景技术

Mg-RE-Zr系合金中，ZM-6(即俄罗斯ΓOCT2856标准中的MЛ10)镁合金是以Nd为主要合金元素的高强度耐热镁合金。由于Nd在Mg中具有较大的固溶度，所以合金在固溶处理+人工时效(T6)状态下，除有优于ZM-3、ZM-4镁合金的高温性能外，还兼有高的室温力学性能和中等塑性。目前在我国工业领域使用最多的Mg-RE系镁合金是ZM-6镁合金。

在《中华人民共和国国家标准铸造镁合金》(GB1177)中，规定了ZM-6铸造镁合金的化学成分：2.0～2.8％(含Nd量大于85％的)钕混合稀土，0.2～0.7％Zn，0.4～1.0％Zr，杂质总量≤0.3％(其中，Cu≤0.1％，Ni≤0.01％)，余量Mg。GB1177规定了ZM-6合金T6态砂型单铸试样的室温力学性能：σ_b≥230MPa，σ_0.2≥135MPa，δ≥3％。在GB1177附录A(参考件)中，给出了ZM-6合金T6态砂型单铸试样的高温力学性能：250℃试验温度下，

在《铸造手册》第3卷《铸造非铁合金》(第2版)(中国机械工程学会铸造分会编，机械工业出版社出版)中，公布了ZM-6合金T6态砂型单铸试样的典型高温瞬时力学性能：200℃试验温度下，

δ₁₀＝16.7％；250℃试验温度下，

δ₁₀＝13.3％；

δ₁₀＝22.2％。并公布了ZM-6合金T6态砂型单铸试样250℃条件下的典型持久强度

ZM-6合金与俄罗斯耐热镁合金MЛ10的性能相当，最高工作温度在200～250℃，但由于材料成分的差别和生产工艺水平的局限，ZM-6合金各项性能明显低于俄罗斯的M∏10合金。除此之外，在我国现有镁合金体系中，适于在150～250℃服役环境下工作的Mg-RE系镁合金尚有ZM-3、ZM-4合金，但ZM-3和ZM-4合金的室温性能太低(如室温抗拉强度σ_b≤140MPa)而限制了其应用。而在250℃以上服役环境下我国现有镁合金体系中目前尚无可供选择使用的耐热铸造镁合金。

发明内容

为了克服现有技术Mg-RE-Zr系镁合金中ZM-6合金耐热性能差的不足，本发明提供一种高强度耐热镁合金材料。该新型合金的室温力学性能优于ZM-6，高温力学性能全面优于ZM-6合金，可应用于200～350℃温区。新型镁合金抗腐蚀性能优良，铸造工艺性能优良，可适于砂铸、金属型铸造、精铸以及压力铸造。尤其适于发动机部件如缸盖、进气歧管、齿轮箱体等耐热构件的铸造，也可用于航空、航天和汽车工业中的其他耐热构件上。

本发明还提供这种高强度耐热镁合金材料的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种高强度耐热镁合金材料，其特点是：由2.5～3.5(wt％)的Nd，1.0～2.0(wt％)的Gd、0.05～0.1(wt％)的Zn、0.4～0.6(wt％)的Zr、杂质≤0.25wt％(其中，Cu≤0.1％，Ni≤0.01％)和余量Mg制备而成。

一种高强度耐热镁合金材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)将金属Mg50wt％和金属Zr50wt％冶炼浇铸形成中间合金Mg-Zr，将金属Mg72wt％和金属Gd28wt％冶炼浇铸形成中间合金Mg-Gd；

(b)按照2.5～3.5(wt％)的Nd，1.0～2.0(wt％)的Gd、0.05～0.1(wt％)的Zn、0.4～0.6(wt％)的Zr、杂质≤0.25wt％(其中，Cu≤0.1％，Ni≤0.01％)和余量Mg制备而成；

(c)当坩埚的温度达到280～320℃时，在坩埚底部和坩埚壁铺撒一层RJ-7保护溶剂后，加入纯度为99.99％的Mg；

(d)Mg化清后，当坩埚温度达到680～700℃时，加入C₂Cl₆进行除渣除气；

(e)打渣后，在700～720℃时加入纯度为99.99％的Zn，坩埚升温到770～780℃并保持该温度，加入Mg-Gd中间合金，待熔化完成后，立即搅拌2～5min，扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加入纯度为99.9％的Nd，待熔化完成后，立即搅拌2～5min，扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加Mg-Zr中间合金，待熔化完成后，搅拌2～5min，静置10～15min，当熔体温度下降到750～760℃时进行浇铸；

加入Zn、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金时，放在搅拌勺中使其悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。

所述Mg的烧损率按18％进行计算，Nd的烧损率按15％进行计算，Gd的烧损率按40％进行计算。

本发明的有益效果是：由于在合金设计中将Nd的含量提高至2.5～3.5(wt％)范围内，并添加了1.0～2.0wt％的Gd，将Zr的含量控制在0.4～0.7wt％(溶解Zr大于0.35wt％)，并添加了0.05～0.1(wt％)的Zn，使得新型镁合金的室温力学性能比ZM-6合金有了显著提高，合金的室温抗拉强度σ_b由现有技术的230MPa提高到270MPa，屈服强度σ_0.2由现有技术的135MPa提高到205MPa，延伸率δ由现有技术的3％提高到3.5％。同时，合金的高温力学性能显著提高，合金的200℃高温瞬时抗拉强度σ_b ^200℃由现有技术的193MPa提高到240MPa，合金的200℃高温瞬时抗拉屈服强度σ_0.2 ^200℃由现有技术的126MPa提高到161MPa，此时合金的高温延伸率为16.5％；合金的250℃高温瞬时抗拉强度σ_b ^250℃由现有技术的162MPa提高到225MPa，合金的250℃高温瞬时抗拉屈服强度σ_0.2 ^250℃由现有技术的121MPa提高到156MPa，此时合金的高温延伸率为17.5％；合金的300℃高温瞬时抗拉强度σ_b ^300℃由现有技术的109MPa提高到141MPa，合金的300℃高温瞬时抗拉屈服强度σ_0.2 ^300℃由现有技术的79MPa提高到123MPa，此时合金的高温延伸率为20.5％；而合金在350℃实验条件下的高温瞬时抗拉强度σ_b ^350℃可达96MPa，合金的350℃高温瞬时抗拉屈服强度σ_0.2 ^350℃可达92MPa，此时合金的高温延伸率为30.0％。此外，合金的砂型单铸试样250℃条件下的典型持久强度σ_b ^{250℃，100h}由现有技术的78MPa提高到90MPa。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是实施例2方法所制备的镁合金铸态组织照片。

图2是实施例2方法所制备的镁合金固溶态组织照片。

图3是实施例2方法所制备的镁合金固溶+时效态组织照片。

具体实施方式

实施例1：实施例1：按照95.2(wt％)Mg-2.3(wt％)Nd-2.0(wt％)Gd-0.1(wt％)Zn-0.4(wt％)Zr进行配料。Mg的烧损率按18％进行计算，Zn的烧损率可以忽略，Nd的烧损率按15％进行计算，Gd的烧损率按40％进行计算，Zr按照加入总量的1.2(wt％)进行计算。

当坩埚的温度达到300℃时，在坩埚底部和坩埚壁铺撒一层RJ-7保护溶剂后，加入5300gMg，Mg的纯度为99.99％。

Mg化清后，当坩埚温度达到710℃时，加入6gC₂Cl₆进行除渣除气。

打渣后，在720℃时加入10g Zn，加入时，把Zn放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部，Zn的纯度为99.99％。坩埚升温到780℃时加入800g 72(wt％)Mg-28(wt％)Gd中间合金，加入时，把72(wt％)Mg-28(wt％)Gd中间合金放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。待熔化完成后，立即搅拌2min。780℃时扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加入280gNd，Nd的纯度为99.9％。加入时，把Nd放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。待熔化完成后，立即搅拌2min，780℃时扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加入200g 50(wt％)Mg-50(wt％)Zr中间合金，加入时，把50(wt％)Mg-50(wt％)Zr中间合金放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。温度保持在780℃，搅拌2min，静置10min，当熔体温度下降到760℃时进行浇铸。

当合金进行固溶处理时，首先升温到300℃下保温4h后，逐步升温到530℃，保温17h，然后将合金淬于70℃的热水中，淬火转移时间控制在5秒。

在200℃保温13h进行时效处理后，进行空冷。

经测试，本实施例制备的镁合金T6态室温力学性能为：σ_b＝275Mpa，σ_0.2＝205MPa，δ＝5.0％。同时，合金的高温瞬时力学性能为：

A＝19.5％；

A＝22.0％；

A＝23.5％；

A＝35.3％。此外，合金的砂型单铸试样250℃条件下的持久强度

实施例2：按照95.85(wt％)Mg-2.0(wt％)Nd-1.5(wt％)Gd-0.05(wt％)Zn-0.6(wt％)Zr进行配料。Mg的烧损率按18％进行计算，Zn的烧损率可以忽略，Nd的烧损率按15％进行计算，Gd的烧损率按40％进行计算，Zr按照加入总量的1.2(wt％)进行计算。

当坩埚的温度达到310℃时，在坩埚底部和坩埚壁铺撒一层RJ-7保护溶剂后，加入5600gMg，Mg的纯度为99.99％。

Mg化清后，当坩埚温度达到705℃时，加入6.5gC₂Cl₆进行除渣除气。

打渣后，在710℃时加入8gZn，加入时，把Zn放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部，Zn的纯度为99.99％。坩埚升温到770℃时加入670g72(wt％)Mg-28(wt％)Gd中间合金，加入时，把72(wt％)Mg-28(wt％)Gd中间合金放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。待熔化完成后，立即搅拌5min。770℃时扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加入260g Nd，Nd的纯度为99.9％。加入时，把Nd放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。待熔化完成后，立即搅拌5min，770℃时扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加入230g 50(wt％)Mg-50(wt％)Zr中间合金，加入时，把50(wt％)Mg-50(wt％)Zr中间合金放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。温度保持在770℃，搅拌5min，静置13min，当熔体温度下降到770℃时进行浇铸。

当合金进行固溶处理时，首先升温到330℃下保温3h后，逐步升温到525℃，保温18h，然后将合金淬于70℃的热水中，淬火转移时间控制在5秒。

在205℃保温12h进行时效处理后，进行空冷。

经测试，本实施例制备的镁合金T6态室温力学性能为：σ_b＝283Mpa，σ_0.2＝211MPa，δ＝4.2％。同时，合金的高温瞬时力学性能为： A＝17.8％；

A＝18.3％；

A＝21.7％；

A＝31.5％。此外，合金的砂型单铸试样250℃条件下的持久强度

从图1镁合金铸态微观组织照片中可以看出，合金铸态组织由近等轴状的α-Mg基体相和晶界上不连续分布的Mg₁₂Nd化合物相组成，而Gd元素主要溶入α-Mg基体相中。从图2镁合金固溶态微观组织照片中可以观察到，合金经过固溶处理后，原先铸态组织中的Mg₁₂Nd化合物大部分溶解入基体，但在晶界上仍残留有少量颗粒状Mg₁₂Nd化合物相；同时，还可观察到晶内析出的弥散状点状沉淀物。从图3镁合金固溶+时效态(T6态)微观组织照片中可以观察到，合金基体相内部大量析出雪花状的细小弥散颗粒状化合物相，这会对合金基体产生极大的沉淀强化作用。此外，晶界上的残留块状化合物相会对合金的晶界产生弥散强化作用，再加上Gd对α-Mg基体相的固溶强化作用。由此，不难理解，实施例2方法所制备的镁合金性能比ZM-6合金性能更优的微观组织机理。

实施例3：按照95.6(wt％)Mg-2.3(wt％)Nd-1.4(wt％)Gd-0.1(wt％)Zn-0.6(wt％)Zr进行配料。Mg的烧损率按18％进行计算，Zn的烧损率可以忽略，Nd的烧损率按15％进行计算，Gd的烧损率按40％进行计算，Zr按照加入总量的1.2(wt％)进行计算。

当坩埚的温度达到305℃时，在坩埚底部和坩埚壁铺撒一层RJ-7保护溶剂后，加入5000gMg，Mg的纯度为99.99％。

Mg化清后，当坩埚温度达到700℃时，加入5.5gC₂Cl₆进行除渣除气。

打渣后，在700℃时加入9gZn，加入时，把Zn放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部，Zn的纯度为99.99％。坩埚升温到775℃时加入660g 72(wt％)Mg-28(wt％)Gd中间合金，加入时，把72(wt％)Mg-28(wt％)Gd中间合金放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。待熔化完成后，立即搅拌4min。775℃时扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加入250gNd，Nd的纯度为99.9％。加入时，把Nd放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。待熔化完成后，立即搅拌3min。775℃时扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加入220g 50(wt％)Mg-50(wt％)Zr中间合金，加入时，把50(wt％)Mg-50(wt％)Zr中间合金放在搅拌勺中使其能够悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部。温度保持在775℃，搅拌3min，静置15min，当熔体温度下降到760℃时进行浇铸。

当合金进行固溶处理时，首先升温到340℃下保温4h后，逐步升温到525℃，保温16h，然后将合金淬于70℃的热水中，淬火转移时间控制在5秒。

在205℃保温14h进行时效处理后，进行空冷。

经测试，本实施例制备的镁合金T6态室温力学性能为：σ_b＝290Mpa，σ_0.2＝220MPa，δ＝3.5％。同时，合金的高温瞬时力学性能为：

A＝16.5％；

A＝18.0％；

A＝20.5％；

A＝30.3％。此外，合金的砂型单铸试样250℃条件下的持久强度

Claims

1、一种高强度耐热镁合金材料，其特点是：由2.5～3.5(wt％)的Nd，1.0～2.0(wt％)的Gd、0.05～0.1(wt％)的Zn、0.4～0.6(wt％)的Zr、杂质≤0.25wt％(其中，Cu≤0.1％，Ni≤0.01％)和余量Mg制备而成。

2、根据权利要求1所述高强度耐热镁合金材料，其特征在于：所述Mg的纯度是99.99％。

3、一种权利要求1所述高强度耐热镁合金材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

(e)打渣后，在700～720℃时加入纯度为99.99％的Zn，坩埚升温到770～780℃并保持该温度，加入Mg-Gd中间合金，待熔化完成后，立即搅拌2～5min，扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加入纯度为99.9％的Nd，待熔化完成后，立即搅拌2～5min，扒去废旧熔剂，撒上RJ-7熔剂，加Mg-Zr中间合金，待熔化完成后，搅拌2～5min，静置10～15min，当熔体温度下降到750～760℃时进行浇铸；加入时，将Zn、Nd、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金放在搅拌勺中使其悬浮在坩埚中镁合金熔液的中上部；

4、根据权利要求1或3所述的高强度耐热镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述Mg的烧损率按18％进行计算，Nd的烧损率按15％进行计算，Gd的烧损率按40％进行计算。