CN101985711A

CN101985711A - 一种以Sn和Gd为主要组元的多元耐热镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN101985711A
Application number: CN 201010578843
Authority: CN
Inventors: 杨明波; 潘复生; 梁晓峰; 朱熠; 秦财源; 胡红军; 周涛
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2030-12-08
Also published as: CN101985711B

Abstract

本发明提供的一种以Sn和Gd为主要组元的耐热镁合金，合金中各组份及其质量百分比为：Sn含量为3.0-5.0%,Gd含量为1.2-3.0%，Gd/Sn重量比为0.4-0.6：1，Mn含量为0.2-0.4%，Ca含量为0.3-0.5%，Sr含量为0.10-0.16%，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为平衡元素。本发明还提出该合金的制备方法。本合金具有良好力学性能和抗蠕变性能。

Description

一种以Sn和Gd为主要组元的多元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，涉及一种轻金属材料，尤其是一种以Sn和Gd为主要组元的多元耐热镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻质的商用金属工程结构材料，因其具有比重轻、比强度比刚度高、阻尼减振降燥能力强、液态成型性能优越和易于回收利用等优点，被誉为21世纪的“绿色结构材料”。但目前由于现有镁合金的高温抗蠕变性能差，长期工作温度不能超过120℃，使其无法用于制造对高温蠕变性能要求高的汽车传动部件，因此极大地阻碍了镁合金的进一步应用。也正是由于这样，国内外对于具有高温抗蠕变性能的汽车用耐热镁合金的研究开发给予了高度重视。由于Sn和Gd在镁合金中是典型的时效强化合金元素，并且Mg、Sn和Gd可形成热稳定性较高的GdMgSn相，因此Mg-Sn-Gd系镁合金被认为是一种潜在的耐热镁合金。然而，目前国内外对于Mg-Sn-Gd系镁合金的研究主要集中在Mg-Sn-Gd三元合金的组织上 [牛高，陈云贵，唐永柏，肖素芬，章晓萍，魏尚海，赵源华. Mg-5Sn-xGd合金的铸态显微组织[J]. 特种铸造及有色合金，2008, 28(2): 150-152]，而对其性能的研究还基本上没有涉及。此外，由于Mg-Sn-Gd三元镁合金中形成的GdMgSn相一般比较粗大，而粗大的GdMgSn相有可能会成为裂纹源而导致合金的力学性能下降。也正是由于上面的原因，目前国内外还未见Mg-Sn-Gd系镁合金成功开发及应用的报道。众所周知，合金化和/或微合金化是改善合金组织和提高合金性能的有效方法之一。因此，有必要在Mg-Sn-Gd三元镁合金组织研究的基础上，通过合金化和/或微合金化发展以Sn和Gd为主要组元的多元耐热镁合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好力学性能和抗蠕变性能的以Sn和Gd为主要组元的多元耐热镁合金及其制备方法。

本发明提供的一种以Sn和Gd为主要组元的多元耐热镁合金，各组份及其质量百分比为：Sn含量为3.0-5.0%, Gd含量为1.2-3.0%，Gd/Sn重量比为0.4-0.6，Mn含量为0.2-0.4%，Ca含量为0.3-0.5%，Sr含量为0.10-0.16%，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为平衡元素。

本发明中Sn和Gd作为主要的组元，主要考虑Mg、Sn和Gd能够形成热稳定性高的GdMgSn相，而将Gd/Sn重量比控制在一定的范围，则主要是考虑让Mg、Sn和Gd能够尽可能形成多的GdMgSn相，避免形成多的热稳定性相对较差的Mg₂Sn和Mg₅Gd等二元相。此外，添加的Sn还能够部分溶入基体提高合金的耐蚀性能，但由于Sn的比重较大，因此其加入量不高于5%。本发明中Mn、Ca和Sr作为次要的组元，主要是考虑添加Mn有利于改善合金的强度和减少杂质元素Fe的含量。而添加少量Ca主要考虑其可提高合金的燃点，从而防止合金熔炼时氧化燃烧。此外，添加的Ca还有可能与Mg和Sn形成热稳定性高的CaMgSn相，使合金的高温抗蠕变性能得到进一步提高。添加微量Sr主要为了变质和/或细化GdMgSn相以及合金的晶粒。此外，少量Sr还兼有消除合金中因存在Ca而可能导致的热裂和疏松等缺陷。

本发明提供的以Sn和Gd为主要组元的多元耐热镁合金的制备方法，其主要包括以下三个步骤：

1）将Mg、Sn、Gd、Mn、Ca和Sr按相应的成分配料，其中Mg和Sn以工业纯Mg和纯Sn（＞99.99wt.%）形式添加，Gd、Mn、Ca和Sr分别以Mg-25wt.%Gd、Mg-4wt.%Mn、Mg-19wt.%Ca和Mg-10wt.%Sr中间合金的形式添加。在熔剂或气体保护下，当石墨坩埚的温度达到200-250℃后，加入已预热的纯Mg、纯Sn和Mg-4wt.%Mn中间合金并将其熔化，熔化后升温到720-740℃，然后加入已预热的Mg-25wt.%Gd和Mg-19wt.%Ca中间合金，待这些中间合金熔化后加入Mg-10wt.%Sr中间合金。Mg-10wt.%Sr中间合金的加入方法：在100-150℃左右将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤15-30分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约2-6分钟，搅拌后升温到720-760℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5-10分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10-15分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后进行铸造。

2）将铸造得到的合金进行固溶处理，具体为：将合金放入通保护性气氛的电炉中，在480-520℃下保温12-24小时，然后淬入冷水中。固溶处理的目的在于消除合金的铸态枝晶组织，同时使合金铸态组织中形成的少量Mg₂Sn相分解并溶入合金基体，从而为后续的时效强化奠定组织基础。

3）将铸造得到的合金进行时效处理，具体为：将合金放入通保护性气氛的电炉中，在240-280℃下保温16-32小时，然后空冷。时效处理的目的在于析出Mg₂Sn和Mg₅Gd等第二相，以使合金的性能得到进一步提高。

本合金具有良好力学性能和抗蠕变性能。

附图说明

图1是实施例1的合金时效后的显微组织照片。

图2是实施例2的合金时效后的显微组织照片。

图3是实施例3的合金时效后的显微组织照片。

具体实施方式

以下通过具体的三个实施例对本发明的技术方案和效果作进一步的阐述。

实施例1：合金的成分（重量百分比）为：Sn含量为3.0%, Gd含量为1.2%，Gd与Sn的重量比为0.4：1，Mn含量为0.2%，Ca含量为0.3%，Sr含量为0.10%，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%，其余为Mg。

按上述成分配制合金，其中Mg和Sn均以工业纯Mg和纯Sn（＞99.99wt.%）形式添加，Gd、Mn、Ca和Sr分别以Mg-25wt.%Gd、Mg-4wt.%Mn、Mg-19wt.%Ca和Mg-10wt.%Sr中间合金的形式添加。在熔剂或气体保护下，当石墨坩埚的温度达到200-250℃，加入已预热的纯Mg、纯Sn和Mg-4wt.%Mn中间合金并将其熔化，熔化后升温到740℃，然后加入已预热的Mg-25wt.%Gd和Mg-19wt.%Ca中间合金，待这些中间合金熔化后加入Mg-10wt.%Sr中间合金。Mg-10wt.%Sr中间合金的加入方法：在150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置15分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后将其浇铸入已预热到100-150℃的金属型中。合金的固溶处理工艺为：在480℃下保温12小时，然后淬入冷水中。合金的时效处理工艺为：在240℃下保温16小时，然后空冷。合金时效后的显微组织照片如图1所示。在照片中几乎看不到粗大的GdMgSn相，而这对于合金的性能提高是非常有利的。

本实施例得到的合金，其室温抗拉强度为162MPa，屈服强度为140MPa，延伸率为3.2%；150℃下的抗拉强度为145MPa，屈服强度为128MPa，延伸率为15.6%；在蠕变温度为150°C 和应力为70MPa 下持续100h的总蠕变量为1.09%，最小蠕变速率为3.04×10^-8 s^-1。

实施例2：合金的成分（重量百分比）为：Sn含量为4.0%, Gd含量为2.4%，Gd与Sn重量比为0.6：1，Mn含量为0.25%，Ca含量为0.4%，Sr含量为0.13%，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%，其余为Mg。

按上述成分配制合金，其中Mg和Sn均以工业纯Mg和纯Sn（＞99.99wt.%）形式添加，Gd、Mn、Ca和Sr分别以Mg-25wt.%Gd、Mg-4wt.%Mn、Mg-19wt.%Ca和Mg-10wt.%Sr中间合金的形式添加。在熔剂或气体保护下，当石墨坩埚的温度达到200-250℃，加入已预热的纯Mg、纯Sn和Mg-4wt.%Mn中间合金并将其熔化，熔化后升温到740℃，然后加入已预热的Mg-25wt.%Gd和Mg-19wt.%Ca中间合金，待这些中间合金熔化后加入Mg-10wt.%Sr中间合金。Mg-10wt.%Sr中间合金的加入方法：在150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约4分钟，搅拌后升温到750℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理6分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置15分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后将其浇铸入已预热到100-150℃的金属型中。合金的固溶处理工艺为：在500℃下保温18小时，然后淬入冷水中。合金的时效处理工艺为：在260℃下保温24小时，然后空冷。合金时效后的显微组织照片如图2所示。在照片中几乎看不到粗大的GdMgSn相，而这对于合金的性能提高是非常有利的。

本实施例得到的合金，其室温抗拉强度为175MPa，屈服强度为159MPa，延伸率为3.5%；150℃下的抗拉强度为153MPa，屈服强度为140MPa，延伸率为20.2%；在蠕变温度为150°C 和应力为70MPa 下持续100h的总蠕变量为1.02%，最小蠕变速率为2.84×10^-8 s^-1。

实施例3：合金的成分（重量百分比）为：Sn含量为5.0%, Gd含量为2.5%，Gd与Sn重量比为0.5：1，Mn含量为0.4%，Ca含量为0.5%，Sr含量为0.16%，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%，其余为Mg。

按上述成分配制合金，其中Mg和Sn均以工业纯Mg和纯Sn（＞99.99wt.%）形式添加，Gd、Mn、Ca和Sr分别以Mg-25wt.%Gd、Mg-4wt.%Mn、Mg-19wt.%Ca和Mg-10wt.%Sr中间合金的形式添加。在熔剂或气体保护下，当石墨坩埚的温度达到200-250℃，加入已预热的纯Mg、纯Sn和Mg-4%Mn中间合金并将其熔化，熔化后升温到730℃，然后加入已预热的Mg-25wt.%Gd和Mg-19wt.%Ca中间合金，待这些中间合金熔化后加入Mg-10wt.%Sr中间合金。Mg-10wt.%Sr中间合金的加入方法：在150℃将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置15分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后将其浇铸入已预热到100-150℃的金属型中。合金的固溶处理工艺为：在520℃下保温24小时，然后淬入冷水中。合金的时效处理工艺为：在280℃下保温32小时，然后空冷。合金时效后的显微组织照片如图3所示。在照片中几乎看不到粗大的GdMgSn相，而这对于合金的性能提高是非常有利的。

本实施例得到的合金，其室温抗拉强度为155MPa，屈服强度为134MPa，延伸率为3.0%；150℃下的抗拉强度为131MPa，屈服强度为120MPa，延伸率为16.4%；在蠕变温度为150°C 和应力为70MPa 下持续100h的总蠕变量为0.958%，最小蠕变速率为2.66×10^-8 s^-1。

以上实施例中使用的溶剂可以采用镁合金制备通用的各种溶剂，如采用的较为普遍的2# 熔剂 (45 wt.% MgCl2 + 37 wt.% KCl +8 wt.% NaCl + 4 wt.% CaF2 + 6 wt.% BaCl)。

保护气体也可以采用镁合金制备通用的各种保护气体，如CO₂。

Claims

1.一种以Sn和Gd为主要组元的耐热镁合金，各组份及其重量百分比为：Sn3.0-5.0%, Gd1.2-3.0%，Gd与Sn重量比为0.4-0.6：1，Ca0.3-0.5%，Mn0.2-0.4%，Sr0.10-0.16%，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为平衡元素。

2.根据权利要求1所述的以Sn和Gd为主要组元的耐热镁合金，其特征在于其中： Gd与Sn重量比为0.4-0.6：1。

3.根据权利要求2所述的以Sn和Gd为主要组元的耐热镁合金，其特征在于其中： Gd与Sn重量比为0.6：1。

4.根据权利要求1所述的以Sn和Gd为主要组元的耐热镁合金，其特征在于各组份的重量百分比为：Sn4.0%, Gd2.4%，Gd与Sn重量比为0.6：1，Ca0.4%，Mn0.25%，Sr0.13%，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总含量≤0.02%，其余为Mg。

5.权利要求1所述的多元耐热镁合金的制备方法，包括以下三个步骤：

1）将Mg、Sn、Gd、Mn、Ca和Sr按相应的成分配料，其中Mg和Sn以工业纯Mg和纯Sn（＞99.99wt.%）形式添加，Gd、Mn、Ca和Sr分别以Mg-25wt.%Gd、Mg-4wt.%Mn、Mg-19wt.%Ca和Mg-10wt.%Sr中间合金的形式添加；在熔剂或气体保护下，当石墨坩埚的温度达到200-250℃后，加入已预热的纯Mg、纯Sn和Mg-4wt.%Mn中间合金并将其熔化，熔化后升温到720-740℃，然后加入已预热的Mg-25wt.%Gd和Mg-19wt.%Ca中间合金，待这些中间合金熔化后加入Mg-10wt.%Sr中间合金；Mg-10wt.%Sr中间合金的加入方法：在100-150℃左右将Mg-10wt.%Sr中间合金烘烤15-30分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约2-6分钟，搅拌后升温到720-760℃，然后用C₂Cl₆精炼剂精炼处理5-10分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740℃静置10-15分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后进行铸造；

2）将铸造得到的合金进行固溶处理；

3）将固溶处理后的合金进行时效处理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述固溶处理为：将合金放入通保护性气氛的电炉中，在480-520℃下保温12-24小时，然后淬入冷水中。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述时效处理为：将合金放入通保护性气氛的电炉中，在240-280℃下保温16-32小时，然后空冷。