CN102534330B - 高强度铸造镁合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度铸造镁合金及其制备方法，该铸造镁合金的组分及其质量百分比为：8～14wt.％Gd，1～5wt.％Y，0.6～2wt.％Al，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt.％，余量为Mg；所述镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序，其中，熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，步骤包括：烘料、熔镁、加Gd和Y、加Al和铸造，热处理工艺工序包括固溶处理和时效处理。本发明通过加入Al与Gd、Y等稀土元素在合金中原位反应生成Al-RE金属间化合物的方法达到了细化晶粒的目的，所获得的高强度铸造镁合金的晶粒热稳定优异，细化效果的抗衰退性强，具有更高的抗拉强度和延伸率。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金及其制备方法，特别涉及一种高强度的铸造稀土镁合金及其制备方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
作为最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度、比刚度高的优点。近年来由于汽车和电子工业上逐步采用了镁合金构件，使镁合金的应用得到推广。然而与铝合金相比，镁合金的应用还有很大的差距，其主要原因为强度不足、耐热性差和抗腐蚀性不佳。添加稀土元素是提高镁合金强度、耐热性和抗腐蚀能力的有效方法，如WE54和WE43等稀土镁合金。近来的研究表明Mg-Gd-Y系镁合金可表现出很高的析出强化效果，相对于传统的铝合金和镁合金，包括在镁合金中具有最高高温强度的WE54在内，Mg-Gd-Y系镁合金具有更高的室温强度和高温强度。
由于镁的晶体结构类型是密排六方(HCP)结构，在室温下只有3个滑移系，因而导致镁的韧性很差。晶粒细化可以有效地提高合金的韧性、强度和铸造性能。已有研究发现对于不含Al的镁合金，锆(Zr)是优良的细化剂(对于含有Al的镁合金，Zr会与Al发生反应而失去细化效果)。目前工业上主要以Mg-Zr中间合金的方式加入Zr。
虽然Zr是镁合金的优良细化剂，但是采用加入Mg-Zr中间合金细化镁合金也存在一些缺点。首先，Mg-Zr中间合金的生产工艺复杂，能耗高，由此导致中间合金价格较贵；其次，Zr的密度(6.52g/cm3)远大于镁熔体的密度，未溶解的Zr颗粒很快就下沉到坩埚底部，同时尺寸大于5μm的Zr颗粒也不能作为异质形核核心，导致中间合金中Zr的吸收率较低，合金中实际得到的Zr量难以控制；再者，经Mg-Zr中间合金细化镁合金晶粒的热稳定性低，在高温固溶过程中容易长大。
最近的研究表明，Mg-10Y中间合金中加入1％Al后，晶粒明显细化，并且晶粒的热稳定性好，在550℃保温48小时后晶粒尺寸基本保持不变，远远高于采用Mg-Zr中间合金细化的晶粒的热稳定性。由于Al、Gd之间的二元相Al2Gd及Al、Gd、Y之间的三元相Al4GdY与Al2Y晶体结构相同，且晶格常数相近( 
和aAl4GdY＝0.7884nm错误！未找到引用源。)，因此有理由相信，通过在Mg-Gd-Y合金中添加廉价的Al原位生成Al-RE金属间化合物也可以作为基体的异质形核核心，细化合金，并且细化后的晶粒有优异的热稳定性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高强度的Mg-Gd-Y-Al镁合金，其通 过比采用Mg-Zr中间合金更为廉价、可靠且有效的细化方法，使细化后的晶粒具有更好的热稳定性，而且通过之后相应的热处理工艺，使得该合金拥有优良的力学性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高强度铸造镁合金，其特征在于：所述铸造镁合金的组分及其质量百分比为：8～14wt.％Gd，1～5wt.％Y，0.6～2wt.％Al，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt.％，余量为Mg。
本发明提供的另一技术方案是：
一种用于权利要求1所述高强度铸造镁合金的制备方法，其包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序；其中，
所述的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯铝、中间合金Mg-Gd和Mg-Y预热3小时以上达到180～250℃；
(2)熔镁：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯美熔化；
(3)加Gd和Y：往720～740℃的镁液中加入中间合金Mg-Gd，加入量根据该中间合金Mg-Gd中Gd所占质量百分比确定；待Mg-Gd熔化后，熔体温度回升至720～740℃时加入中间合金Mg-Y，加入量根据该中间合金Mg-Y中Y所占质量百分比确定；
(4)加Al：待中间合金Mg-Y完全熔化后，熔体温度回升至720～740℃时加入0.6～2wt.％纯Al；
(5)铸造：待纯Al完全熔化后，熔体温度回升至720～740℃时搅拌2分钟，然后在熔体温度升至750～760℃时不断电精炼6～10分钟，精炼后升温至780℃静置25～40分钟，静置后待熔体降温至710～740℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至180～250℃；
所述的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的合金锭在490～570℃温度中进行10～40小时的固溶处理，而后在200～275℃温度中进行10～60小时的时效处理。
本发明所述的制备方法中，所述中间合金Mg-Gd中Gd占25wt.％；所述中间合金Mg-Y中Y占25wt.％。
与现有技术比较，本发明具有的实质性特点和显著的进步为：
(1)本发明采用Mg-Gd和Mg-Y中间合金间接添加Gd和Y元素，能够用纯Mg锭稀释中间合金熔炼过程中带来的较多夹杂物，采用加入Al与Gd、Y原位生成细化颗粒的方法，在精炼前熔体的温度一直保持不超过740℃，减少了熔体在高温的停留时间，并在较低温度下搅拌精炼，成功实现了镁合金在较低的温度下浇注。本发明所述制备方法不仅有效降低了熔炼后合金中的夹杂物，而且也降低了熔炼时合金保护难度，同时减少了Gd和Y的烧损， 提高合金的收得率，在保证合金强度的同时降低了合金的成本。
(2)本发明所述高强度铸造镁合金中的Al-RE相是在浇注后的凝固过程中长大的，浇注前合金中并无大颗粒相存在，细化效果持续时间久，抗衰退性好；在晶界处有很多Al-RE颗粒相，该相熔点高，在高温固溶过程中能够稳定存在，提高了所述高强度铸造镁合金中细小晶粒的热稳定性。
(3)本发明采用添加Al替代常用的Mg-Zr中间合金达到了细化晶粒的目的，降低了成本，缩短了熔炼过程中熔体在较高温度下的停留时间。
(4)本发明对所述镁合金在不同温度下的固溶和时效行为进行了系统研究，获得了固溶和时效处理的优化工艺参数，从而使所述镁合金在优化的热处理工艺条件下能够达到充分发挥其固溶强化和时效硬化的效果。
(5)本发明提供的含稀土高强度Mg-Gd-Y-Al合金随着Gd含量的提高，其抗拉强度升高、延伸率降低；经固溶和时效处理后，其室温抗拉强度和延伸率变化范围分别提高到260～360MPa和1.5～8％。
具体实施方式
本发明通过在Mg-Gd-Y合金中添加廉价的Al原位生成Al-RE金属间化合物作为基体的异质形核核心，细化了合金且细化后的晶粒具有优异的热稳定性。
本发明所提供的高强度铸造镁合金Mg-Gd-Y-Al的组分及其质量百分比为：8～14wt.％Gd(钆)，1～5wt.％Y(钇)，0.6～2wt.％Al(铝)，杂质元素Si(硅)、Fe(铁)、Cu(铜)和Ni(镍)的总量小于0.02wt.％，余量为Mg(镁)。
所述的wt.％是指组分占所配制的合金总质量的百分比，该总质量为Mg、Al和各种中间合金的质量和。
本发明采用Gd(钆)为第一组分，因为Gd当200℃时在镁中的固溶度为3.82wt.％，为保证合金得到良好的固溶强化和时效硬化效果，Gd的加入量不能过低，同时为避免合金成本及密度的过度增加以及合金过分脆化，Gd的加入量也不能过高，结合前人的研究结果，选择Gd的加入量在8～14wt.％；本发明采用Y(钇)为第二组元，Y可以使得Gd在Mg中的固溶度略微降低，从而提高Gd的时效硬化效果，但是加入过多的Y会推迟时效硬化峰的出现，进而降低合金的强度，提高成本，因此Y的含量选择控制在1～5wt.％；本发明选用Al(铝)为第三组元，Al与稀土元素Gd、Y可形成Al-RE金属间化合物，在凝固过程中作为Mg基体的异质形核核心，达到细化晶粒、提高合金力学性能的效果，同时分布在晶界上的Al-RE颗粒还可以阻碍晶界的运动，提高晶粒的热稳定性，由于部分Al优先固溶在镁基体中，因此Al量少则不会有Al-RE颗粒形成或者形成的颗粒少，不能达到理想的细化效果，而Al量过多又会消耗很多的稀土元素，因此Al的含量选择控制在0.6～2wt.％。
本发明所述的高强度铸造镁合金Mg-Gd-Y-Al的制备方法分为两个阶段，即熔炼和随后的热处理工艺工序；其中：
所述的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯铝、中间合金Mg-Gd和Mg-Y预热3小时以上达到180～250℃；
(2)熔镁：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯美熔化；
(3)加Gd和Y：往720～740℃的镁液中加入中间合金Mg-Gd，加入量根据该中间合金Mg-Gd中Gd所占质量百分比确定；待Mg-Gd熔化后，熔体温度回升至720～740℃时加入中间合金Mg-Y，加入量根据该中间合金Mg-Y中Y所占质量百分比确定；
(4)加Al：待中间合金Mg-Y完全熔化后，熔体温度回升至720～740℃时加入0.6～2wt.％纯Al；
(5)铸造：待纯Al完全熔化后，熔体温度回升至720～740℃时搅拌2分钟，然后在熔体温度升至750～760℃时不断电精炼6～10分钟，精炼后升温至780℃静置25～40分钟，静置后待熔体降温至710～740℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至180～250℃；
所述的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的合金锭在490～570℃温度中进行10～40小时的固溶处理，而后在200～275℃温度中进行10～60小时的时效处理。
所述的制备方法中，所述中间合金Mg-Gd中Gd可以占25wt.％，即采用中间合金Mg-25wt.％Gd；所述中间合金Mg-Y中Y可以占25wt.％，即采用中间合金Mg-25wt.％Y。
下面结合实施例对本发明作详细的说明，所述实施例以本发明技术方案为前提下给出了详细的实施过方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
实施例1
所述高强度铸造镁合金的组分及其质量百分比为：8wt.％Gd、5wt.％Y、0.6wt.％Al，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.02wt.％，余量为Mg(wt.％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比，总质量为Mg、Al和各种中间合金的质量和)。
该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序。
其中，在前的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯铝、中间合金Mg-Gd和Mg-Y预热3小时以上，达到180℃；
(2)熔镁：将烘干后的纯镁放入有SF6/CO2气体保护的坩埚电阻炉中熔化；
(3)加Gd和Y：当镁液温度达到720℃后，往镁液中直接加入中间合金Mg-Gd，该中间合金为Mg-25wt.％Gd，即中间合金Mg-Gd中Gd占25wt.％，加入量根据该中间合金Mg-Gd中Gd所占的质量百分比(即25wt.％)和所制备镁合金的总质量确定，使Gd最后在制备的 镁合金的总质量中占8wt.％；待中间合金Mg-Gd熔化后，熔体温度回升至730℃时再加入中间合金Mg-Y，该中间合金为Mg-25wt.％Y，即中间合金Mg-Y中Y占25wt.％，加入量根据该中间合金Mg-Y中Y所占的质量百分比(即25wt.％)和所制备镁合金的总质量确定，使Y最后在制备的镁合金的总质量中占5wt.％；
(4)加Al：待中间合金Mg-Y完全熔化后，熔体温度回升至720℃时加入0.6wt.％纯Al；
(5)铸造：待纯Al完全熔化后，熔体温度回升至730℃时搅拌2分钟，搅拌后将熔体温度升至750℃，不断电精炼6分钟，精炼后升温至780℃静置25分钟，静置后待熔体降温至720℃后撇去表面浮渣，并且进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至180℃。
随后的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的Mg-Gd-Y-Al合金锭在530℃温度中进行20小时的固溶处理，并60℃温水淬火，而后在200℃温度中进行10小时的单级时效处理，最后得到高强度Mg-Gd-Y-Al合金。
该高强度Mg-Gd-Y-Al合金T6态的室温力学性能为：
抗拉强度：300MPa，屈服强度：210MPa，延伸率：8％。
实施例2
所述高强度铸造镁合金的组分及其质量百分比为：12wt.％Gd、2wt.％Y、1.3wt.％Al，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.02wt.％，余量为Mg。
该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序。
其中，在前的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯铝、中间合金Mg-Gd和Mg-Y预热3小时以上，达到225℃；
(2)熔镁：将烘干后的纯镁放入有SF6/CO2气体保护的坩埚电阻炉中熔化；
(3)加Gd和Y：当镁液温度达到730℃后，往镁液中直接加入中间合金Mg-Gd，该中间合金为Mg-25wt.％Gd，即中间合金Mg-Gd中Gd占25wt.％，加入量根据该中间合金Mg-Gd中Gd所占的质量百分比(即25wt.％)和所制备镁合金的总质量确定，使Gd最后在制备的镁合金的总质量中占12wt.％；待中间合金Mg-Gd熔化后，熔体温度回升至740℃时再加入中间合金Mg-Y，该中间合金为Mg-25wt.％Y，即中间合金Mg-Y中Y占25wt.％，加入量根据该中间合金Mg-Y中Y所占的质量百分比(即25wt.％)和所制备镁合金的总质量确定，使Y最后在制备的镁合金的总质量中占2wt.％；
(4)加Al：待中间合金Mg-Y完全熔化后，熔体温度回升至730℃时加入1.3wt.％纯Al；
(5)铸造：待纯Al完全熔化后，熔体温度回升至740℃时搅拌2分钟，搅拌后将熔体温度升至755℃，不断电精炼8分钟，精炼后升温至780℃静置30分钟，静置后待熔体降温至710℃后撇去表面浮渣，并且进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至225℃。
随后的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的Mg-Gd-Y-Al合金锭在490℃温度中进行10小时的固溶处理，并60℃温水淬火，而后在225℃温度中进行30小时的单级时效处理，最后得到高强度Mg-Gd-Y-Al合金。
该高强度Mg-Gd-Y-Al合金T6态的室温力学性能为：
抗拉强度：350MPa，屈服强度：230MPa，延伸率：4％。
实施例3
所述高强度铸造镁合金的组分及其质量百分比为：14wt.％Gd、1wt.％Y、2wt.％Al，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.02wt.％，余量为Mg。
该镁合金的制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序。
其中，在前的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯铝、中间合金Mg-Gd和Mg-Y预热3小时以上，达到250℃；
(2)熔镁：将烘干后的纯镁放入有SF6/CO2气体保护的坩埚电阻炉中熔化；
(3)加Gd和Y：当镁液温度达到740℃后，往镁液中直接加入中间合金Mg-Gd，该中间合金为Mg-25wt.％Gd，即中间合金Mg-Gd中Gd占25wt.％，加入量根据该中间合金Mg-Gd中Gd所占的质量百分比(即25wt.％)和所制备镁合金的总质量确定，使Gd最后在制备的镁合金的总质量中占14wt.％；待中间合金Mg-Gd熔化后，熔体温度回升至720℃时再加入中间合金Mg-Y，该中间合金为Mg-25wt.％Y，即中间合金Mg-Y中Y占25wt.％，加入量根据该中间合金Mg-Y中Y所占的质量百分比(即25wt.％)和所制备镁合金的总质量确定，使Y最后在制备的镁合金的总质量中占1wt.％；
(4)加Al：待中间合金Mg-Y完全熔化后，熔体温度回升至740℃时加入2wt.％纯Al；
(5)铸造：待纯Al完全熔化后，熔体温度回升至720℃时搅拌2分钟，搅拌后将熔体温度升至760℃，不断电精炼10分钟，精炼后升温至780℃静置40分钟，静置后待熔体降温至740℃后撇去表面浮渣，并且进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至250℃。
随后的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的Mg-Gd-Y-Al合金锭在570℃温度中进行40小时的固溶处理，并60℃温水淬火，而后在275℃温度中进行60小时的单级时效处理，最后得到高强度Mg-Gd-Y-Al合金。
该高强度Mg-Gd-Y-Al合金T6态的室温力学性能为：
抗拉强度：355MPa，屈服强度：255MPa，延伸率：2％。
Claims (3)
1.一种高强度铸造镁合金的制备方法，所述铸造镁合金的组分及其质量百分比为：8～14wt.%Gd，1～5wt.%Y，0.6～2wt.%Al，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt.%，余量为Mg，其特征在于：所述制备方法包括熔炼和随后的热处理两个工艺工序；其中，
所述的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯铝、中间合金Mg–Gd和Mg–Y预热3小时以上达到180～250℃；
(2)熔镁：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化；
(3)加Gd和Y：往720～740℃的镁液中加入中间合金Mg–Gd，加入量根据该中间合金Mg–Gd中Gd所占质量百分比和所制备镁合金的总质量确定；待Mg–Gd熔化后，熔体温度回升至720～740℃时加入中间合金Mg–Y，加入量根据该中间合金Mg–Y中Y所占质量百分比和所制备镁合金的总质量确定；
(4)加Al：待中间合金Mg–Y完全熔化后，熔体温度回升至720～740℃时加入0.6～2wt.%纯Al；
(5)铸造：待纯Al完全熔化后，熔体温度回升至720～740℃时搅拌2分钟，然后在熔体温度升至750～760℃时不断电精炼6～10分钟，精炼后升温至780℃静置25～40分钟，静置后待熔体降温至710～740℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至180～250℃；
所述的热处理工艺工序为：
将熔炼得到的合金锭在490～570℃温度中进行10～40小时的固溶处理，而后在200～275℃温度中进行10～60小时的时效处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的中间合金Mg–Gd中Gd占25wt.%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的中间合金Mg–Y中Y占25wt.%。
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