CN101831581B

CN101831581B - 高强高韧稀土镁合金

Info

Publication number: CN101831581B
Application number: CN2010101836597A
Authority: CN
Inventors: 魏佩宏
Original assignee: TIANYUAN XINMEILIAN LIGHT ALLOY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Taiyuan Huayintai Alloy Co ltd
Priority date: 2010-05-22
Filing date: 2010-05-22
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-05-22
Also published as: CN101831581A

Abstract

本发明属于镁合金材料类领域，具体为一种高强高韧稀土镁合金。解决并改进目前广泛应用的Mg-Al基合金强度和塑性低的缺点。其中的各元素组成成分质量百分比为：Al：3％～9％，Zn：0.2％～0.6％，Mn：0.1％～0.5％，Ce：0.05％～1.0％，La：0.05％～1.0％，Y：0.1％～3.0％，Er：0.1％～2.0％，Ho：0.1％～2.0％，杂质元素Fe≤0.004％，Cu≤0.002％，Si≤0.02％，Ni≤0.001％，其余为镁。通过上述元素的共同作用和合适的均匀化处理明显的提高了合金的综合性能。

Description

高强高韧稀土镁合金

技术领域

本发明属于镁合金材料类领域，具体为一种高强高韧稀土镁合金。

背景技术

镁合金具有比重轻、比强度和比刚度高、导热性好、电磁屏蔽能力强、减振性好及易于回收等优点，广泛应用于交通工具、3C产品及航空航天等领域。随着社会的高度发展，人们环保压力和节能意识逐渐增强，从而推动了由轻质镁基材料取代原有的钢、铝材料降低重量来提高能源利用率。以Mg-Al基为代表的轻质镁合金具有铸造工艺性能优良、热裂倾向小、成本低等优点已经在汽车、电子产品等推广应用，但是其室温强度及塑性较差限制了该类合金能够在更加广泛的领域应用。稀土元素作为最具使用价值和发展潜力的合金元素，被引进到镁合金中，能够开发出具有高强高韧的稀土镁合金。

传统高强高韧镁合金主要以Mg-Al系为主，如AZ31、AZ61、AZ80，其AZ31抗拉强度220～250Mpa，延伸率6～8％；AZ61抗拉强度260～280Mpa，延伸率7～9％；AZ80抗拉强度290～330Mpa，延伸率4～6％；从上述看到AZ31和AZ61镁合金强度偏低，延伸率中等，AZ80虽然强度较高，但是延伸率较低，这些高强合金同时受到韧性偏低的制约，而应用被限制到一定范围内。Mg-Zn-Zr系也是高强合金系之一，但是由于Zr的引入成本增加过高，由于过于追求强度，而牺牲了韧性。稀土是合金化的重要元素，添加在镁合金中能够增强镁合金的综合性能，不同的稀土对合金提升某方面的性能有所不同，本文针对低成本Mg-Al系提高合金的强度和韧性进行发明创造，通过添加合适的稀土以及合理的均匀化处理工艺，得到抗拉强度310～370Mpa，延伸率10～16％的高强高韧稀土镁合金。

专利号：200710306657公开了一种含铈镧高强耐蚀压铸镁合金技术，其特征在于组成成分和质量百分比为：Al为8.5％～9.5％，Zn为0.4～0.9％，Mn为0.2％～0.6％，稀土为Ce为0.01％～1.5％，La为0.01％～1.5％，余量为镁。该合金的力学性能及塑性均优于AZ91合金，耐腐蚀性能可提高几倍到几十倍。

发明内容

本发明为了解决并改进目前广泛应用的Mg-Al基合金强度和塑性低的缺点，而在Mg-Al基础上添加铈、镧、钇、铒、钬等稀土元素的基础上制备得到一种高强高韧稀土镁合金。

本发明是由以下技术方案实现的，一种高强高韧稀土镁合金，其中的各元素组成成分质量百分比为：Al：3％～9％，Zn：0.2％～0.6％，Mn：0.1％～0.5％，Ce：0.05％～1.0％，La：0.05％～1.0％，Y：0.1％～3.0％，Er：0.1％～2.0％，Ho：0.1％～2.0％，杂质元素Fe≤0.004％，Cu≤0.002％，Si≤0.02％，Ni≤0.001％，其余为镁。

添加的镧、铈元素是通过镁-富铈中间合金的形式加入，镁-富铈中间合金中富铈包括铈、镧2种元素，富铈组成成分重量百分比为Ce：10％～90％，La：10％～90％。添加的钇、铒、钬元素是通过镁-钇中间合金，镁-铒中间合金、镁-钬中间合金形式加入。通过加入一定量铈、镧、钇、铒、钬稀土元素进行合金化、改性化处理，合适的均匀化处理使该镁合金的力学性能，包括强度和韧性都达到较高的性能，能够符合高强高韧轻合金材料的发展需要，满足未来工业对镁合金的更多需求。

本发明还提供了高强高韧稀土镁合金的制备方法，步骤和条件如下：按配比重量百分比称量材料，将工业用纯镁放入到熔炼坩锅中加热温度到300℃～600℃预热熔化，使用熔剂保护通入SF₆∶CO₂体积比为1∶100的SF₆-CO₂保护气体，同时加入工业用纯锌、铝-锰中间合金，待上述合金完全熔化、熔体温度达到720℃～740℃时加入镁-富铈中间合金，镁-钇中间合金、镁-铒中间合金、镁-钬中间合金，然后连续搅拌，加入熔剂或通入SF₆-CO₂保护气体，直至镁-富铈中间合金，镁-钇中间合金、镁-铒中间合金、镁-钬中间合金全部熔化；继续加热当温度到730～760℃时加入精炼剂精炼或通氩气搅拌，精炼10～20分钟，然后静置20-40分钟，当熔体温度下降到680℃～700℃时，在圆柱形水冷模具中浇铸成棒材，冷却后进行均匀化处理于360℃～410℃进行挤压，得到高强高韧稀土镁合金。

本发明的特点和有益效果：

(1)稀土铈、镧、钬、钇、铒是本发明用于提高合金强度和塑性的元素，其强化机理是：一、细晶强化：由于稀土在镁合金熔体中是最有效的表面活性元素之一，在熔体凝固过程中上述稀土富集在固液界面前沿，形成成分过冷阻碍晶粒长大，有效细化合金组织。二、固溶强化：固溶度较大的钬、钇、铒稀土能够大部分固溶于镁中，减少合金组织缺陷，增强合金力学性能；三、沉淀强化：轻稀土铈、镧与合金中的铝优先结合生成稀土相Al₁₁RE₃，主要弥散分布于晶界处，减少并抑制了脆性第二相Mg₁₇Al₁₂的生成和长大，从而强化了合金基体，使塑性变形均匀化。此外稀土相还能够有效的钉扎晶界、抑制晶内的位错攀移、使位错运动阻力增加，从而提高了合金强度和塑性，因此新型稀土镁合金的综合性能得到改善，特别是强度和韧性得到大幅度提高。

(2)熔炼过程中铈镧稀土能够除去熔体中的有害杂质，达到除气、除渣、净化熔体的效果。通过稀土与合金液表面聚集的O、S、H、N气体作用，生成RE₂O₃、RE₂S₃、REH₂、REN等产物，可使合金熔体中气体含量降低16％；同时因稀土元素与O的亲和力大于Mg与O的亲和力，稀土加入镁合金液后将生成稀土氧化物，减少MgO夹杂；稀土也能够降低金属材料中有害微量金属如Fe、Cu、Si、Ni等的削弱作用，生成熔点较高的二元或多元化合物，这些化合物可成渣析出、或作为强化相存在，降低金属夹杂物在固态金属中的危害性。通过上述共同的作用，减少了镁合金中各种有害物质的数量，从而纯净化了合金，提高了合金的综合性能，特别是强度和塑形将得到提高。

(3)富铈属于没有完全提纯和分离的混合型稀土，是稀土元素中价格最低的元素。镁合金商业应用应注重考虑成本，本发明也是考虑到稀土在镁合金中应用的可能性，采用这些廉价的混合型稀土元素作为合金成分，有利于这种高强高韧稀土镁合金能够在工业生产中尽快得到应用。

总之铝通过固溶强化和与镁形成的β-Mg₁₇Al₁₂的沉淀强化提高合金的室温强度，此外铝还提高合金的铸造工艺性能；锌能够改善合金的强度和塑性；稀土元素铈、镧通过细晶强化和Al₁₁RE₃相的沉淀强化作用提高合金的力学性能；钇、钬、铒则通过细晶强化和固溶强化提高合金的强度和韧性。与200710306657.0所记载的技术相比，本申请又增加了钇、钬、铒三种元素；通过上述元素的共同作用和合适的均匀化处理明显的提高了合金的综合性能(详见表1、2)。

附图说明

图1是本发明高强高韧稀土镁合金实施例4的应力应变曲线图。

图2是本发明高强高韧稀土镁合金实施例4的断口形貌扫描图。

图3是本发明高强高韧稀土镁合金实施例4的合金组织扫描图。

具体实施方式

实施例1(Mg-3Al-0.2Zn-0.1Mn-0.05Ce-1La-0.1Y-2Er-0.1Ho)

高强高韧稀土镁合金的组成成分质量百分比为：Al：3.0％，Zn：0.2％，Mn：0.1％，Ce：0.05％，La：1％，Y：0.1％，Er：2.0％，Ho为0.1％，杂质元素Fe≤0.004％，Cu≤0.002％，Si≤0.02％，Ni≤0.001％，其余为镁。添加的铈、镧元素是通过镁-富铈中间合金的形式加入，镁-富铈中间合金中富铈包括铈、镧2种元素，富铈组成成分重量百分比为Ce：90％，La：10％。添加的钇、铒、钬元素是通过镁-钇中间合金，镁-铒中间合金、镁-钬中间合金形式加入。其具体的性能测试见附表1、2。

实施例2(Mg-5Al-0.3Zn-0.2Mn-0.1Ce-0.8La-0.5Y-1.5Er-0.5Ho)

高强高韧稀土镁合金的组成成分质量百分比为：Al：5.0％，Zn：0.3％，Mn：0.2％，Ce：0.1％，La：0.8％，Y：0.5％，Er：1.5％，Ho为0.5％，杂质元素Fe≤0.004％，Cu≤0.002％，Si≤0.02％，Ni≤0.001％，其余为镁。添加的镧、铈元素是通过镁-富铈中间合金的形式加入，镁-富铈中间合金中富铈包括铈、镧2种元素，富铈组成成分重量百分比为Ce：60％，La：40％。添加的钇、铒、钬元素是通过镁-钇中间合金，镁-铒中间合金、镁-钬中间合金形式加入。其具体的性能测试见附表1、2。

实施例3(Mg-6Al-0.4Zn-0.3Mn-0.5Ce-0.5La-1Y-1Er-1Ho)

高强高韧稀土镁合金的组成成分质量百分比为：Al：6.0％，Zn：0.4％，Mn：0.3％，Ce：0.5％，La：0.5％，Y：1.0％，Er：1.0％，Ho为1.0％，杂质元素Fe≤0.004％，Cu≤0.002％，Si≤0.02％，Ni≤0.001％，其余为镁。添加的镧、铈元素是通过镁-富铈中间合金的形式加入，镁-富铈中间合金中富铈包括铈、镧2种元素，富铈组成成分重量百分比为Ce：50％，La：50％。添加的钇、铒、钬元素是通过镁-钇中间合金，镁-铒中间合金、镁-钬中间合金形式加入。其具体的性能测试见附表1、2。

实施例4(Mg-8Al-0.5Zn-0.4Mn-0.8Ce-0.1La-1.5Y-0.5Er-1.5Ho)

高强高韧稀土镁合金的组成成分质量百分比为：Al：8.0％，Zn：0.5％，Mn：0.4％，Ce：0.8％，La：0.1％，Y：1.5％，Er：0.5％，Ho为1.5％，杂质元素Fe≤0.004％，Cu≤0.002％，Si≤0.02％，Ni≤0.001％，其余为镁。添加的镧、铈元素是通过镁-富铈中间合金的形式加入，镁-富铈中间合金中富铈包括铈、镧2种元素，富铈组成成分重量百分比为Ce：40％，La：60％。添加的钇、铒、钬元素是通过镁-钇中间合金，镁-铒中间合金、镁-钬中间合金形式加入。其具体的性能测试见附表1、2，及图3、4、5。

实施例5(Mg-9Al-0.6Zn-0.5Mn-1.0Ce-0.05La-3Y-0.1Er-3Ho)

高强高韧稀土镁合金的组成成分质量百分比为：Al：9.0％，Zn：0.6％，Mn：0.5％，Ce：1.0％，La：0.05％，Y：3.0％，Er：0.1％，Ho为3.0％，杂质元素Fe≤0.004％，Cu≤0.002％，Si≤0.02％，Ni≤0.001％，其余为镁。添加的镧、铈元素是通过镁-富铈中间合金的形式加入，镁-富铈中间合金中富铈包括铈、镧2种元素，富铈组成成分重量百分比为Ce：10％，La：90％。添加的钇、铒、钬元素是通过镁-钇中间合金，镁-铒中间合金、镁-钬中间合金形式加入。其具体的性能测试见附表1、2。

表1是本发明高强高韧稀土镁合金实施例的室温力学性能。

表2是本发明高强高韧稀土镁合金实施例的均匀化处理条件。

Claims

1.一种高强高韧稀土镁合金，其特征在于由铝、锌、锰、铈、镧、钇、铒、钬和镁组成，其各个元素组成成分重量百分比为：Al：3％～8％，Zn：0.2％～0.3％，Mn：0.1％～0.5％，Ce：0.05％～1.0％，La：0.05％～1.0％，Y：0.1％～3.0％，Er：0.5％～2.0％，Ho：0.5％～2.0％，杂质元素Fe≤0.004％，Cu≤0.002％，Si≤0.02％，Ni≤0.001％，其余为镁。

2.如权利要求1所述的高强高韧稀土镁合金，其特征在于：所述的镧、铈元素是通过镁-富铈中间合金的形式加入，镁-富铈中间合金中富铈包括铈、镧两种元素，富铈组成成分重量百分比为Ce：10％～90％，La：10％～90％。

3.如权利要求1所述的高强高韧稀土镁合金，其特征在于所述的钇、铒、钬元素是通过镁-钇中间合金，镁-铒中间合金、镁-钬中间合金形式加入。