CN102628134B - 单相固溶铸造或锻造镁合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适用于毛坯铸造或锻造的单相固溶镁合金。所述镁合金通过与稀土元素(包括钆、钇、镝、钐、镧、铈、钕和镨)的复合微合金化进行制备。各种合金包括0.5至不到5wt.％的稀土元素其含量为以重量计0.05-2.0％。出于经济上的考虑，这些稀土元素的总量被控制在以重量计低于5％。晶粒细化剂钙或锆的含量为以重量计0.05-0.6％。所述合金可以通过采用压模铸造、硬模浇铸、冷激铸造、半固态加工、连续浇铸以及连续双辊铸造的方法来制备。

Description

单相固溶铸造或锻造镁合金
技术领域
本发明涉及具有优良机械特性以及成形性能和抗腐蚀性能的铸造或锻造的单相固溶镁合金。
背景技术
镁合金至今仍未被广泛用于汽车制造业。妨碍镁合金大规模应用的主要技术问题在于其低温下较低的延展性与韧度，以及在高温下较差的抗腐蚀和抗蠕变性能。目前，这样的商业制品通常是通过高温压铸的方法制造的。由于成形性能和抗腐蚀性能较差，锻造镁合金的应用受到限制。
为了使锻造镁合金在工业领域获得更高的认可程度，有必要改善其低温成形性能。低延展性和低韧性源自六方紧密堆积晶体结构内在的脆性特质。另一个妨碍锻造镁合金市场应用的原因在于其抗腐蚀性能较差。
工业上的锻造镁合金大多属于镁铝(Mg-Al)和镁锌(Mg-Zn)系列。后来发展的镁稀土(Mg-RE)系列，例如WE43(Mg-4.1Y-2.2Nd-1HRE-0.5Zr)和WE54(Mg-5.2Y-1.7Nd-1.7HRE-0.4Zr)合金并未被制造业所接受，是因为稀土元素的含量高而导致造价昂贵。
由于较易挤压的特点和合适的机械性能，镁铝合金系列是在铸造用途中最为常用的，但是，这类合金也受到屈服性能明显不对称和加工范围相对较窄的影响。由于镁铝合金共晶温度437℃相对偏低，热加工温度通常设置低于350℃而且加工速度不太快。如果选择超过350℃的高温以及高的加工速度，共晶相会再次溶解，就会导致产生热裂现象并形成劣质产品表面。此外，直到现在，改善镁铝合金的铸态微观结构的工艺方法仍然不甚理想从而在工业上未被广泛采纳。
由于镁锌系列不含铝，镁锌合金的铸态微观结构可以通过加入锆而有效地改善。然而，由于在铸造过程中易受微孔隙度的影响，这些镁锌合金的应用仍然十分有限。在镁合金中加入锌会增加对热裂的易感性。此外，由于锌的高含量，这类合金通常被认为是难于焊接的。
因此，目前只有AZ31(Mg-2.9Al-0.8Zn)合金在工业中有相当的应用。然而，AZ31(Mg-2.9Al-0.8Zn)合金在热加工过程中存在重结晶方面的问题，并且存在机械性能与抗腐蚀性能方面的不足。
为此，本发明旨在运用创新的合金设计理念开发出具有优良抗腐蚀和成形性能的新型镁合金。
发明内容
相应地，本发明提供了一种镁合金，包括0.5wt.％至不到5.0wt.％的选自La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu和Y所构成组群的至少两种元素，其中所述元素La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu和Y中每一元素的含量，如果存在，为基于所述合金总重量的0.05至2.0％重量。
优选地，选自La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu和Y所构成组群的所述至少两种元素的含量为1.0wt.％至不到5.0wt.％。
具体实施方式
稀土元素对于现有镁合金的强化效应通过两种机理来解释，即沉淀强化与固溶强化。沉淀强化，尤其是时效硬化被强调对机械性能的改善有作用。然而不受任何理论的约束，研究表明在本发明所涉及的合金中，不存在沉淀强化，而固溶强化是本发明中镁合金机械性能改善的主要机理。
进一步表明，固溶强化取决于镁基质中合金元素的含量以及这些元素与镁之间原子半径的差别，也就是说，较高的合金元素含量以及较大的原子半径差异较大的合金元素都有助于固溶强化作用。
此外，研究还发现存在由不同稀土元素相互作用而引起的协同作用。在镁合金中稀土元素的总含量相同的前提下，同时存在两种不同的稀土元素比只有一种稀土元素更有助于镁合金机械性能的改善。
再则，添加稀土元素能够提高铸造过程中熔体的纯度。添加稀土元素能够用来去除例如氢、氧、氯等杂质元素。另外，这些元素能在熔融过程中与铁、钴、镍或铜元素相互作用，而这些元素会通过形成金属间化合物并沉积到铸锭底部而被除去。在基质中除去这些杂质元素也有助于增强抗腐蚀性能。
优选地，本发明的镁合金进一步包括选自Zr，Ca，Zn及其混合物所构成组群的元素。镁合金的应力腐蚀可以通过添加锆(Zr)和稀土元素而减缓。锆(Zr)能够用于减轻应力腐蚀裂化。
优选地，本发明的镁合金不含铝；因此，其铸态微观结构能够通过添加锆或钙的方式而得到有效的改善。
一般而言，稀土元素在周期表中可划分为两组：轻稀土元素和重稀土元素。在每一组中，稀土元素具有类似的化学和物理性质。由于铱和鍶具有类似于重稀土元素的性质，为了本发明目的，铱和鍶都被当作重稀土元素。所述轻稀土元素包括钐、镧、铈、钕和镨，而重稀土元素包括钆、钇和镝。除了稀土元素，锆和/或钙也被优选地添加作为晶粒细化剂。
本发明的镁合金包含0.5wt.％至不到5.0wt.％的至少两种稀土元素，而每种稀土元素的含量为0.05至2.0％重量。稀土元素的总量控制在5wt.％以下，主要是基于经济方面的因素。晶粒细化剂钙和/或锆的含量优选为0.05-0.6％重量。
本发明对镁合金的制造过程没有限制。所述合金能够通过压模铸造，硬模浇铸，冷激铸造，半固态加工，连续浇铸或连续双辊铸造的方法进行制备。
本发明的镁合金呈现出优良的室温延展性，其值为大约25％。
拉力试验表明，铸态合金Mg0.4Gd0.4Y0.4Dy0.2Zr和Mg0.4Gd0.4Y0.4Dy0.2Zn0.2Zr具有很好的延展性。其伸长率超过20％，比AZ31合金的延展性高很多。这两种合金呈现出良好的可变形度。
附图说明
本发明的上述特征和优势能够通过以下的实施例并参照附图而更易于理解，而附图中：
图1对比了所研究铸态合金的光学微观结构((a)Mg，(b)Mg-0.4Y，(c)Mg-0.4Gd-0.4Y，(d)Mg-0.4Gd-0.4Y-0.4Dy，(e)Mg-0.4Gd-0.4Y-0.4Dy-0.2Zr，(f)Mg-0.4Gd-0.4Y-0.4Dy-0.2Zn，(g)Mg-0.4Gd-0.4Y-0.4Dy-0.2Ca，(h)Mg-0.4Gd-0.4Y-0.4Dy-0.2Zn-0.2Zr和(i)AZ31)；
图2描述了所研究合金的晶粒尺寸、硬度和腐蚀性能；
图3描述了所选铸态合金的抗拉性能；以及
图4描述了合金元素的微观结构状态和微观偏析。
实施例
在镁中具有高溶解度的三种稀土元素钆、钇和镝被选来开发单相固溶镁合金。表1列出了所研究合金的成分，其中还列出一种常规的合金Mg-3Al-1Zn(AZ31)作为对照。
所有的合金都是通过区域凝固法制备的。其光学微观结构如图1所示。平均晶粒尺寸随着稀土元素含量的增加而减小。与钆和镝相比，铱元素在减小晶粒尺寸方面最为有效。含有锆的E和H合金的平均晶粒尺寸分别为55μm和67μm。合金Mg-3Al-1Zn(AZ31)的平均晶粒尺寸为480μm。
表1.所研究合金的公称成分
*其余百分含量

Claims (6)

1.一种单相固溶镁合金，其组成为(a)Mg；(b)0.5wt.％至不到5.0wt.％的选自Gd,Dy和Y所构成组群的至少两种元素；以及(c)可选择的Zr；其中，各种所述元素Gd,Dy和Y的含量，如果存在，为基于所述合金总重量的0.05至2.0％重量；以及其中，Zr的含量，如果存在，为基于所述合金总重量的0.05至0.6wt.％；其余部分为镁。
2.根据权利要求1所述的镁合金，其中Gd的含量为以重量计的0.05至2.0％。
3.根据权利要求1所述的镁合金，其中Y的含量为以重量计的0.05至2.0％。
4.根据权利要求1所述的镁合金，其中Dy的含量为以重量计的0.05至2.0％。
5.根据权利要求1所述的镁合金，其中Zr含量为以重量计0.2至0.6％。
6.一种将权利要求1至5中任一项所述的镁合金用于铸造镁合金、锻造镁合金或可降解生物材料的用途。
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