CN101613823A - 一种不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金，合金的化学组成为，质量百分比：7.5～12.5％Gd，2.5～3.5％Y，0.3～1％Zr，0.5～1.5％Zn，杂质元素Si≤0.02，Fe≤0.003，Ni≤0.003，Cu≤0.003，余量为Mg。本发明通过向镁熔体中加入稀土元素Gd、Y以及Zr和Zn，研制成一种具有高强度和高耐热性的，适于压铸的镁合金，虽然价格是常用压铸镁合金的2～3倍，却具有压铸成型性能良好、较高的力学性能及良好的耐热性的优点，可以用于要求耐热性能较高的零部件，极具开发潜力。

Description

一种不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种不含铝高强度耐热压铸镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、机加工性能优良和减震性好等优点，被广泛应用于航天航空，汽车及3C产品中。目前所应用的压铸镁合金主要为Mg-Al系列，其中应用最为广泛的为AZ和AM系合金，如AZ91合金(室温强韧性指标为：抗拉强度230MPa、屈服强度140MPa、伸长率3％；高温强韧性指标：200℃下的抗拉强度110MPa、屈服强度60MPa、伸长率6％)。目前，镁合金在汽车上的应用还仅局限于一些在常温下运行的壳体型零件(如手动变速器壳和盖、离合器壳等)和车内部件(如方向盘系统、仪表面板等)，而这些零件在整车中所占重量比是十分有限的。要实现汽车的轻量化就必须实现发动机和传动部件的轻量化，而发动机和传动机构的零件要求材料具有优良的耐热性能(高温强度和抗蠕变性能)，而底盘零件则需要高强度、高韧性、抗疲劳和耐腐蚀性能。目前镁合金作为结构应用的最大用途是铸件，其中90％以上是压铸件。因此，开发新型高性能、低成本的高强度，高耐热性的压铸镁合金是当前世界汽车业急需解决的重大课题。

本发明致力于研究一种新型的不含铝的压铸镁合金，使其具有优良的力学性能及耐热性能，应用于汽车动力总成系统。

发明内容

本发明的目的在于开发一种不含铝高强度耐热压铸镁合金及其制备方法。通过在镁熔体中加入稀土元素Gd、Y以及Zr和Zn，使其强度和耐热性能均较高，以此研制出一种新型压铸镁合金。

本发明提供一种不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金，合金的化学组成为，质量百分比：7.5～12.5％Gd，2.5～3.5％Y，0.3～1％Zr，0.5～1.5％Zn，杂质元素Si≤0.02，Fe≤0.003，Ni≤0.003，Cu≤0.003，余量为Mg，其中优选8～10％Gd，2.5～3.5％Y，0.3～0.8％Zr，0.5～1.5％Zn，余量为Mg。

本发明提供一种不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金的方法，首先将纯镁锭、纯Gd、纯Y、Mg-Zr中间合金和纯Zn预热至150～200℃；其次将纯镁锭放入熔化炉中，待镁锭全部熔化后，将熔体温度升至700～720℃，然后将经过预热的纯Gd、纯Y、Mg-Zr中间合金和纯Zn直接加入熔体中，经搅拌后使其混合均匀，静置，降温至670～690℃，扒去表面浮渣，进行压铸，其中：整个熔化过程在有SF₆和N₂的混合气体保护中进行，压铸时压射速度为2.3～2.9m/s，浇注温度为680～720℃，模具初始温度为200～220℃。

本发明提供的制备不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金的方法，所述的搅拌为2次连续搅拌，保护气为体积分数0.01～0.03％SF₆和余量N₂的混合气体。

本发明提供的一种不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金，在700℃下具有良好的流动性，较低的缩孔和疏松倾向，适用于压铸形状比较复杂的镁合金汽车零部件。

本发明的有益效果是：镁合金室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为250～270MPa、240～255 MPa、4～6％；150℃温度下抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为200～230MPa、170～190MPa、6～8％；200℃温度下抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为180～200MPa、160～180MPa、7～9％。

本发明的特点：①通过向镁熔体中添加定量的稀土元素Gd和Y以及Zr和Zn制成一种不含Al高强度耐热镁合金。稀土元素Gd和Y能够改善镁合金的铸造性能、提高合金流动性及综合力学性能，并具有明显的热处理强化效果。Zr元素可以显著细化镁合金的铸造组织，提高组织均匀性和性能的稳定性。②合金元素(Gd、Y和Zn)是以纯金属的形式加入，这样不仅可以使熔炼工艺简单化，而且能减少杂质元素含量，使得制造成本降低。

本发明的不含铝新型压铸镁合金虽然价格是常用压铸镁合金的2～3倍，却具有压铸成型性能良好、较高的力学性能及良好的耐热性的优点，可以用于要求耐热性能较高的零部件，极具开发潜力。

具体实施方式

实施例1

将纯镁锭，纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn预热至150～200℃并在有0.01～0.03％SF₆和余量为N₂的混合气体保护熔炉中熔化。首先将纯镁锭放入熔化炉中，待其全部熔化后，将熔体温度升至720℃，然后将经过预热的纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn直接加入熔体中，经两次搅拌后使其混合均匀，静置10分钟，然后降温至680℃，扒去表面浮渣，进行压铸。压铸时压射速度为2.4m/s，浇注温度为710℃，模具初始温度为200℃。

获得的铸件成分如下表所示(按质量百分比)：

Gd	Y	Zr	Zn	Si	Fe	Ni	Cu	Mg
									8.1	2.6	0.4	0.7	0.008	0.002	0.003	0.002	余量

将

合金压铸成拉伸试样，测得的室温拉伸性能为：

σ_b＝264MPa，σ_s＝241 MPa，δ₅＝5.1％；

150℃下拉伸性能为：

σ_b＝215MPa，σ_s＝179MPa，δ₅＝8％。

200℃下拉伸性能为：

σ_b＝197MPa，σ_s＝178 MPa，δ₅＝9％。

实施例2

将纯镁锭，纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn预热至150～200℃并在有0.01～0.03％SF₆和余量为N₂的混合气体保护熔炉中熔化。首先将纯镁锭放入熔化炉中，待其全部熔化后，将熔体温度升至720℃，然后将经过预热的纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn直接加入熔体中，经两次搅拌后使其混合均匀，静置10分钟，然后降温至680℃，扒去表面浮渣，进行压铸。压铸时压射速度为2.4m/s，浇注温度为710℃，模具初始温度为200℃。

获得的铸件成分如下表所示(按质量百分比)：

Gd	Y	Zr	Zn	Si	Fe	Ni	Cu	Mg
									10.0	3.5	0.4	0.5	0.009	0.003	0.002	0.003	余量

将合金压铸成拉伸试样，测得的室温拉伸性能为：

σ_b＝270MPa，σ_s＝248MPa，δ₅＝5.2％；

150℃下拉伸性能为：

σ_b＝225MPa，σ_s＝180MPa，δ₅＝7.6％。

200℃下拉伸性能为：

σ_b＝190MPa，σ_s＝168MPa，δ₅＝8.8％。

实施例3

将纯镁锭，纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn预热至150～200℃并在有0.01～0.03％SF₆和余量为N₂的混合气体保护熔炉中熔化。首先将纯镁锭放入熔化炉中，待其全部熔化后，将熔体温度升至720℃，然后将经过预热的纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn直接加入熔体中，经两次搅拌后使其混合均匀，静置10分钟，然后降温至680℃，扒去表面浮渣，进行压铸。压铸时压射速度为2.4m/s，浇注温度为710℃，模具初始温度为200℃。

获得的铸件成分如下表所示(按质量百分比)：

Gd	Y	Zr	Zn	Si	Fe	Ni	Cu	Mg
									9.2	2.5	0.5	0.6	0.01	0.002	0.002	0.003	余量

将合金压铸成拉伸试样，测得的室温拉伸性能为：

σ_b＝272MPa，σ_s＝250MPa，δ₅＝6％；

150℃下拉伸性能为：

σ_b＝220MPa，σ_s＝182MPa，δ₅＝6.4％。

200℃下拉伸性能为：

σ_b＝192MPa，σ_s＝170MPa，δ₅＝7.8％。

实施例4

将纯镁锭，纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn预热至150～200℃并在有0.01～0.03％SF₆和余量为N₂的混合气体保护熔炉中熔化。首先将纯镁锭放入熔化炉中，待其全部熔化后，将熔体温度升至720℃，然后将经过预热的纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn直接加入熔体中，经两次搅拌后使其混合均匀，静置10分钟，然后降温至680℃，扒去表面浮渣，进行压铸。压铸时压射速度为2.4m/s，浇注温度为710℃，模具初始温度为200℃。

获得的铸件成分如下表所示(按质量百分比)：

Gd	Y	Zr	Zn	Si	Fe	Ni	Cu	Mg
									11.8	3.2	0.8	1.2	0.01	0.002	0.002	0.003	余量

将合金压铸成拉伸试样，测得的室温拉伸性能为：

σ_b＝251MPa，σ_s＝238MPa，δ₅＝4％；

150℃下拉伸性能为：

σ_b＝203MPa，σ_s＝172MPa，δ₅＝6.4％。

200℃下拉伸性能为：

σ_b＝179MPa，σ_s＝161MPa，δ₅＝7％。

实施例5

将纯镁锭，纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn预热至150～200℃并在有0.01～0.03％SF₆和余量为N₂的混合气体保护熔炉中熔化。首先将纯镁锭放入熔化炉中，待其全部熔化后，将熔体温度升至720℃，然后将经过预热的纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn直接加入熔体中，经两次搅拌后使其混合均匀，静置10分钟，然后降温至680℃，扒去表面浮渣，进行压铸。压铸时压射速度为2.4m/s，浇注温度为710℃，模具初始温度为200℃。

获得的铸件成分如下表所示(按质量百分比)：

Gd	Y	Zr	Zn	Si	Fe	Ni	Cu	Mg
									12.3	3.5	0.95	1.2	0.01	0.002	0.002	0.003	余量

将合金压铸成拉伸试样，测得的室温拉伸性能为：

σ_b＝253MPa，σ_s＝243MPa，δ₅＝4.6％；

150℃下拉伸性能为：

σ_b＝197MPa，σ_s＝169 MPa，δ₅＝5.9％。

200℃下拉伸性能为：

σ_b＝181MPa，σ_s＝162MPa，δ₅＝7.3％。

实施例6

将纯镁锭，纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn预热至150～200℃并在有0.01～0.03％SF₆和余量为N₂的混合气体保护熔炉中熔化。首先将纯镁锭放入熔化炉中，待其全部熔化后，将熔体温度升至720℃，然后将经过预热的纯Gd、纯GdY、Mg-Zr中间合金和纯Zn直接加入熔体中，经两次搅拌后使其混合均匀，静置10分钟，然后降温至680℃，扒去表面浮渣，进行压铸。压铸时压射速度为2.4m/s，浇注温度为710℃，模具初始温度为200℃。

获得的铸件成分如下表所示(按质量百分比)：

Gd	Y	Zr	Zn	Si	Fe	Ni	Cu	Mg
									7.5	2.5	0.3	0.6	0.01	0.002	0.002	0.003	余量

将合金压铸成拉伸试样，测得的室温拉伸性能为：

σ_b＝256MPa，σ_s＝248MPa，δ₅＝4.3％；

150℃下拉伸性能为：

σ_b＝208MPa，σ_s＝172MPa，δ₅＝5.4％。

200℃下拉伸性能为：

σ_b＝187MPa，σ_s＝160MPa，δ₅＝7.3％。

Claims (7)

1、一种不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金，其特征在于：合金的化学组成为，质量百分比：7.5～12.5％Gd，2.5～3.5％Y，0.3～1％Zr，0.5～1.5％Zn，杂质元素Si≤0.02，Fe≤0.003，Ni≤0.003，Cu≤0.003，余量为Mg。

2、按照权利要求1所述的不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金，其特征在于：合金的化学组成为，质量百分比：8～10％Gd，2.5～3.5％Y，0.3～0.8％Zr，0.5～1.5％Zn，余量为Mg。

3、一种制备权利要求1、2所述的不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金的方法，其特征在于：首先将纯镁锭、纯Gd、纯Y、Mg-Zr中间合金和纯Zn预热至150～200℃；其次将纯镁锭放入熔化炉中，待镁锭全部熔化后，将熔体温度升至700～720℃，然后将经过预热的纯Gd、纯Y、Mg-Zr中间合金和纯Zn直接加入熔体中，经搅拌后使其混合均匀，静置，降温至670～690℃，扒去表面浮渣，进行压铸，其中：整个熔化过程在有SF₆和N₂的混合气体保护中进行，压铸时压射速度为2.3～2.9m/s，浇注温度为680～720℃，模具初始温度为200～220℃。

4、按照权利要求3所述的制备不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金的方法，其特征在于：所述的搅拌为2次连续搅拌。

5、按照权利要求3所述的制备不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金的方法，其特征在于：所述的保护气为体积分数0.01～0.03％SF₆和余量N₂的混合气体。

6、按照权利要求4所述的制备不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金的方法，其特征在于：所述的保护气为体积分数0.01～0.03％SF₆和余量N₂的混合气体。

7、按照权利要求3-6所述的制备不含铝元素的高强度耐热压铸镁合金方法，适用于压铸形状比较复杂的镁合金汽车零部件。