CN102181763A - 一种高温强度稳定的稀土镁合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温强度稳定的稀土镁合金，由以下的质量百分比的组分组成：5～8%Y，1～3%Sm，0.2～1%Ca，0.2～1%Sb，0.2～1%Al，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明的稀土镁合金具有极其稳定的高温拉伸强度，在200℃到300℃范围内，合金的抗拉强度随着温度的升高而降低，但降低的幅度很小。本发明的稀土镁合金在室温时的抗拉强度最高可达266MPa，200℃、250℃和300℃时的抗拉强度分别达到223MPa、216MPa和208MPa。本发明的稀土镁合金与商用耐热镁合金WE54合金相比，具有更为低廉的成本和更加稳定的高温强度，在航空航天、汽车工业、武器装备等方面有着广阔的应用前景。

Description

一种高温强度稳定的稀土镁合金

技术领域

本发明涉及一种高温强度稳定的稀土镁合金。

背景技术

镁是最轻的金属结构材料，在汽车上应用日益增多。汽车采用镁合金可以减重，同时减少了尾气排放，因此进行镁合金的研究开发对于节约能源、抑制环境污染有着重要意义。但是，镁合金的强度和耐热性能不佳，严重阻碍其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的应用，因此提高镁合金的强度和耐热性能是发展镁合金材料的重要课题。

现有的耐热镁合金主要从限制位错运动和强化晶界入手，通过适当的合金化，通过引入热稳定性高的第二相、降低元素在镁基体中的扩散速率或者改善晶界结构状态和组织形态等手段来实现提高镁合金热强性和高温蠕变抗力的目的。目前，在所有合金元素中，稀土（RE）是提高镁合金耐热性能最有效的合金元素。大部分稀土元素在镁中具有较大的固溶度极限，而且随温度下降，固溶度急剧减少，可以得到较大的过饱和度，从而在随后的时效过程中析出弥散的、高熔点的稀土化合物相；稀土元素还可以细化晶粒、提高室温强度，而且分布在晶内和晶界（主要是晶界）的弥散的、高熔点稀土化合物，在高温时仍能钉扎晶内位错和晶界滑移，从而提高了镁合金的高温强度；同时，稀土元素在镁基体中的扩散速率较慢，这使得Mg-RE合金适于在较高温度环境下长期工作。Mg-RE（如Mg-Y系）合金是重要的耐热镁合金系，具有较高的高温强度和优良的抗蠕变性能。当前在200～300℃下长期工作的镁合金零部件均为Mg-RE系合金，Mg-RE系成为发展高强度耐热镁合金的一个重要合金系。

作为镁和稀土资源第一大国，中国关于Mg-RE系合金的研究近年来不断增多和深入，稀土镁合金的成功研发将有助于我们利用这一优势。目前的商业耐热镁合金如WE54，其存在的主要不足是耐热性能不够稳定，高温时强度下降较多，还不能完全满足航空航天、军工、汽车及其它行业在较宽的作业温度范围特别是在200℃-300℃下使用时对强度稳定性的更高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温强度稳定的稀土镁合金，提高镁合金在室温至300℃作业温度范围内的强度稳定性。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种高温强度稳定的稀土镁合金，由以下的质量百分比的组分组成：5～8%Y，1～3%Sm，0.2～1%Ca，0.2～1%Sb，0.2～1%Al，余量为Mg和不可避免的杂质。

所述杂质中Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%。

所述Y，Sm的质量百分比之和为7～9%。

本发明高温强度稳定的稀土镁合金是由镁，锑，铝和中间合金Mg-Y，Mg-Sm，Mg-Ca为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理而成。

本发明合金组分为Mg-Y-Sm-Ca-Sb-Al。本发明采用Y为第一组分，Y在Mg固溶体中的最大固溶度为12wt%，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Y的加入量不低于5wt%，而又为了避免合金密度增加太多，以及合金过分脆化，因此本发明的Y加入量不高于8wt%；采用Sm为第二组分，Sm可以降低Y在Mg中的固溶度，从而增加Y的时效析出强化效应；Sm在Mg中的最大固溶度为5.7wt%，因此本发明的Sm加入量不高于3wt%；加入少量的Ca可改善镁合金的力学性能，Ca可细化晶粒，提高室温强度，也可与Mg生成高熔点强化相Mg₂Ca，改善高温强度，但Ca过量会影响铸造性能，因此本发明的Ca加入量不高于1wt%；加入少量的Sb，本发明的Sb加入量不高于1wt%；加入少量的Al可改善镁合金的力学性能，Al可与Y、Sm生成高熔点强化相Al₂Y、Al₂Sm，改善高温强度，但Al过量会生成在高温下不稳定的Mg₁₇Al₁₂相，影响高温性能，因此本发明的Al加入量不高于1wt%；综合利用稀土元素（Y、Sm）、碱土元素（Ca）和其他元素（Sb、Al）的强化作用，进一步提高合金的高温强度。

本发明的稀土镁合金在耐热性能上具有一个突出的特点，即高温拉伸强度极其稳定，在200℃到300℃范围内，合金的抗拉强度随着温度的升高而降低的幅度低于10%，在300℃时，抗拉强度仍可达到200MPa以上。而在相同条件下，WE54镁合金的室温抗拉强度为280MPa，延伸率为4.0%，200℃抗拉强度为241MPa，250℃抗拉强度为230MPa，300℃抗拉强度降到180MPa，从200℃到300℃，抗拉强度约降低25%。

本发明的稀土镁合金与商用耐热镁合金WE54合金相比，稀土用量更少，成本更低，高温强度更加稳定，在航空航天、汽车工业、武器装备等方面有着广阔的应用前景。

具体实施方式

本发明具体实施方式中涉及到的原料镁（Mg），锑（Sb），Al（铝），Mg-Y，Mg-Sm，Mg-Zr均为市售产品。所述原料的纯度为99.8%的Mg，99.5%的Sb和Al，99.8%的Mg-20%Y、Mg-25%Sm和Mg-25%Ca。

实施例1

本实施例高温强度稳定的耐热稀土镁合金是由以下质量百分比的组分组成：5%Y，3%Sm，0.2%Ca，1%Sb，0.5%Al，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%。稀土（Y和Sm）总含量为8%。

按上述成分配制合金，其熔铸工艺为：采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼。在CO₂+SF₆混合气体保护下，镁液升温至750℃进行浇铸，浇铸用钢制模具。最后得到Mg-5Y-3Sm-0.2Ca-1Sb-0.5Al铸态镁合金。热处理工艺为：525℃固溶处理8小时，250℃等温时效处理16小时。

本实施例高温强度稳定的稀土镁合金拉伸强度试验的方法：经固溶时效处理后的试样，按照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》加工成5倍标准拉伸试样。在日本岛津AG-I 250kN 精密万能实验机上进行拉伸试验，拉伸速率为1mm/min。高温拉伸时，要保温10分钟，再进行拉伸。

本实施例所得的稀土镁合金，其室温抗拉强度为226MPa，延伸率为4.26%，200℃的抗拉强度为213MPa，250℃的抗拉强度为208MPa，300℃时抗拉强度仍高达到197MPa。本实例稀土镁合金的抗拉强度在200℃至300℃内，拉伸强度仅降低16MPa，约8%，抗拉强度极其稳定，满足了其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。

实施例2

本实施例高温强度稳定的耐热稀土镁合金是由以下质量百分比的组分组成：6%Y，2%Sm，0.8%Ca，0.2%Sb，1%Al，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%。稀土（Y和Sm）总含量为8%。

本实施例高温强度稳定的稀土镁合金的熔炼、热处理及拉伸强度试验方法同实施例1。

本实施例所得的稀土镁合金，其室温抗拉强度为238MPa，延伸率为3.71%，200℃抗拉强度为228MPa，250℃抗拉强度为208MPa，300℃时抗拉强度205MPa。本实例稀土镁合金的抗拉强度在200℃至300℃内，拉伸强度仅降低23MPa，约10%，抗拉强度极其稳定，满足了其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。

实施例3

本实施例高温强度稳定的耐热稀土镁合金是由以下质量百分比的组分组成：8%Y，1%Sm，1%Ca，0.5%Sb，0.2%Al，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%。稀土（Y和Sm）总含量为8%。

本实施例高温强度稳定的稀土镁合金的熔炼、热处理及拉伸强度试验方法同实施例1。

本实施例所得的稀土镁合金，其室温抗拉强度为243MPa，延伸率为3.42%，200℃抗拉强度为221MPa，250℃抗拉强度为216MPa，300℃时抗拉强度198MPa。本实例稀土镁合金的抗拉强度在200℃至300℃内，拉伸强度仅降低23MPa，约10%，抗拉强度极其稳定，满足了其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。

最后应该说明的是，以上实例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种高温强度稳定的稀土镁合金，其特征在于：由以下的质量百分比的组分组成：5～8%Y，1～3%Sm，0.2～1%Ca，0.2～1%Sb，0.2～1%Al，余量为Mg和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高温强度稳定的稀土镁合金，其特征在于：所述杂质中Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%。

3.根据权利要求1所述的高温强度稳定的稀土镁合金，其特征在于：所述Y，Sm的质量百分比之和为7～9%。