CN102650010A - 一种高抗蠕变镁钪基合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高抗蠕变镁钪基合金，其化学成分为Mg-xSc-yMn-z(Sr+Ba），其中x、y和z为质量分数，0.5≤x≤5，0.1≤y≤1.5，0.5≤z≤3，Sr和Ba为一种或两种，当同时添加两种元素时，各元素的质量分数比相等；其制备方法主要是将合金熔炼后，在0.7-0.85Tm（Tm：熔点）下固溶处理，然后在0.1-0.2Tm下，在30-80MPa下时效2-24小时。本发明的高抗蠕变镁钪基合金和传统的高稀土含量的镁稀土合金（WE43）相比，其蠕变性能比高出5倍以上，而且制备工艺简单，处理成本低。

Description

一种高抗蠕变镁钪基合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料及其制备方法，特别涉及一种抗蠕变镁钪基合金及其制备方法。
背景技术
镁合金被誉为“21世纪的绿色工程材料”。和传统的结构材料铝合金或钢相比，具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼性及切削加工性好、导热性好、电磁屏蔽能力强以及减振性好和易于回收等优点，在航空、航天、现代汽车工业上具有广阔的应用前景。
但是，目前制约镁合金应用的一个主要的因素之一就是镁合金的抗蠕变性能差，不满足长期受力结构件的要求[Czerwinski F. Magnesium Injection Molding: Springer, 2008]。在已有的镁合金中，WE系列合金表现出突出的力学性能，在镁合金结构件中有少量应用，如赛车轮毂。但是，由于这类合金主要是通过热处理析出细小的亚稳定析出相而提高合金性能，因此亚稳态析出相的稳定情况直接制约了该类合金的抗蠕变性能[Mordike BL. Materials Science and Engineering A. 2002;324:103]。但是，合金中析出的强化相在温度超过200 ℃时，容易长大，导致沉淀相钉扎位错的能力降低，从而导致形变。另外，在外应力的作用下，即使是在室温条件下，纳米级的析出相在长时间放置时，也容易发生微蠕变，导致材料失效。因此，有必要开发出新的合金以满足镁合金抗蠕变要求[陈振华. 镁合金. 2004.]。 
Sc作为合金化元素，在铝中的报道比较多，但是在镁中的报道比较少，如在2007年中国铝业有限公司的“一种铸造耐热镁合金（200710099819.8）”和中科院长春应化所申请的“一种镁-锌-钪合金及其制备方法（200710056399.5）”专利中，Sc主要是通过固溶作用提高合金的强度。在这几个专利中，合金的抗拉强度明显提高，但是由于缺少第二相弥散，不能有效钉扎位错，因此抗蠕变性能明显不足。同时，由于该类合金采用低熔点的Zn元素，导致镁合金的耐热性能下降，高温抗蠕变效果不佳
钪在镁中的热扩散速度低，可以很好钉扎位错[Mordike B, Stulíková I, Smola B. Metallurgical and Materials Transactions A 2005;36:1729.]。特别是在锰存在时，容易生成高熔点的ScMn2沉淀，这种沉淀是花瓣状的结构，与位错的接触面积更大，能更好地钉扎位错。另外，由于Mg17Sr2 和Mg17Ba2相熔点高，和稀土镁强化相一样，具有很好的片状结构，可以代替镁稀土强化相，进一步提高合金的抗蠕变性能，但是由于该类析出强化相是共晶相，一方面容易在凝固过程中在晶界附件富集长大，另一方面，这类强化相通常是片状或和花瓣样结构，在变形过程中导致应力集中，延伸率和抗蠕变性能降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、抗蠕变效果突出的高抗蠕变性能镁钪基合金及其制备方法。本发明主要是通过析出细小球状析出相，有效钉扎位错以提高合金的抗蠕变性能。
本发明的技术方案如下：
一、本发明的镁钪基合金的化学成分为Mg-xSc-yMn-z(Sr+Ba），其中 x、y和z为质量分数，0.5≦x≦5, 0.1≦y≦1.5, 0.5≦z≦3， Sr和Ba为一种或两种, 当同时添加两种元素时，各元素的质量分数比相等，上述均为99.5wt.%的纯金属。
二、上述镁钪基合金的制备方法：
（1）熔炼：在六氟化硫和氩气1:19混合气体保护下对上述金属进行熔炼，熔炼温度为680-800℃，所有上述原料都添加完成后，搅拌30分钟，在 650-770℃浇注到钢模中，钢模在500-600℃下充分预热，浇注后，在650-750℃炉中保温30-120分钟，然后用水冷却至室温。
（2）固溶处理：将上述熔炼的合金在氮气保护条件下，在0.7-0.85Tm（Tm：熔点）下固溶处理，处理时间为6-24小时，然后在60℃的温水中冷却。
（3）时效方法：将上述固溶后的合金，在0.1-0.2Tm下，在30-80MPa下时效2-24小时，时效完成后，将合金冷却至室温。
本发明与现有合金相比具有如下优点：
1、和传统镁稀土合金相比，降低了稀土元素和锆的含量，热处理温度低，节约能源，使得合金的总体成本下降。
2、和已有的镁稀土合金不同，主要是析出稳定的球状高熔点化合物作为强化相，钉扎位错的效果更好，可以有效消除低温微蠕变，与传统的WE43系合金相比，其蠕变性能提高5倍以上。
3、和已有的高性能镁稀土合金相比，合金的延伸率更高，适合与各种加工处理，应用范围更广。
附图说明
图1 是本发明实施例1、2和4获得的镁钪基合金和WE43系合金蠕变样品图。
图2 是实施例1获得的Mg-5Sc-1.5Mn-0.3Sr-0.3Ba合金的金相组织图。
图3 是本发明实施例2获得的Mg-0.5Sc-0.1Mn-0.5Sr合金和WE43合金在的30Mpa、300℃下的蠕变曲线图。
图4 是本发明实施例1、3、4获得的镁钪基合金与WE43合金的二次蠕变率值对比图。
从图1中可以看出与WE43和本发明实施例1、2和4获得的镁钪基合金的规格一致；从图2可以看出实施例1获得的Mg-5Sc-1.5Mn-0.3Sr-0.3Ba合金中析出相分布均匀；从图3可以看出，和传统的WE43系合金相比，本发明实施例2获得的Mg-0.5Sc-0.1Mn-0.5Sr合金平台明显变宽，说明热稳定性更好，抗蠕变性能更加突出；从图4可以看出，和传统的WE43系合金相比较，本发明实施例1、3、4获得的镁钪基合金的抗蠕变性能提高5倍以上。
具体实施方式：
实施例 1
取Sc: 500g、 Mn: 150g、 Sr:30g、Ba:30g、Mg9290g，原料均为99.5%的纯金属锭，上述原料都添加完成后，搅拌30分钟，在六氟化硫和氩气1:19混合气体保护下熔炼，熔炼温度为680℃，在 650℃浇注到钢模中，钢模在500℃下充分预热，浇注后，在650℃炉中保温30分钟，然后用水冷却至室温。将上述熔炼的合金在氮气保护条件下，在0.7 Tm下固溶处理，处理时间为6小时，然后在60℃的温水中冷却。将上述固溶后合金，在0.1Tm下，在30MPa下时效24小时，时效完成后，将合金冷却至室温，制备出Mg-5Sc-1.5Mn-0.3Sr-0.3Ba合金。如图2所示，所获得的合金中析出相均匀，在晶粒内部和晶界附件都有分布，有利于钉扎位错，提高合金抗蠕变性能。
实施例 2
取Sc: 50g、 Mn: 10g、 Sr:50g、Mg9890g，原料均为99.5%的纯金属锭，上述原料都添加完成后，搅拌30分钟，在六氟化硫和氩气1:19混合气体保护下熔炼，熔炼温度为800℃，在 770℃浇注到钢模中，钢模在600℃下充分预热，浇注后，在750℃炉中保温120分钟，然后用水冷却至室温。将上述熔炼的合金在氮气保护条件下，在0.85 Tm下固溶处理，处理时间为6小时，然后在60℃的温水中冷却。将上述固溶后合金，在0.2Tm下，在80MPa下时效2小时，时效完成后，将合金冷却至室温，制备出Mg-5Sc-1.5Mn-0.3Sr-0.3Ba合金。
如图3所示，本实施例的Mg-0.5Sc-0.1Mn-0.5Sr 合金, 在30MPa 、300 ℃下的蠕变情况，和传统的抗蠕变镁稀土合金WE43相比平台更宽，更加稳定。
实施例 3
取Sc:300g、 Mn: 100g、Sr:300g、Mg 9300g，原料均为99.5%的纯金属锭，上述原料都添加完成后，搅拌30分钟，在六氟化硫和氩气1:19混合气体保护下熔炼，熔炼温度为750℃，在 720℃浇注到钢模中，钢模在570℃下充分预热，浇注后，在700℃炉中保温60分钟，然后用水冷却至室温。将上述熔炼的合金在氮气保护条件下，在0.8 Tm下固溶处理，处理时间为18小时，然后在60℃的温水中冷却。将上述固溶后合金，在0.1Tm下，在35MPa下时效18小时，时效完成后，将合金冷却至室温，制备出Mg-3Sc-1Mn-3Sr 合金。
如图4所示，和WE43合金的第二阶段蠕变率对比，本实施例的Mg-3Sc-1Mn-3Sr 合金的抗蠕变率是WE43的10倍以上。
实施例 4
取Sc:300g、 Mn: 100g、Ba:300g、Mg 9300g，原料均为99.5%的纯金属锭，上述原料都添加完成后，搅拌30分钟，在六氟化硫和氩气1:19混合气体保护下熔炼，熔炼温度为720℃，在 700℃浇注到钢模中，钢模在530℃下充分预热，浇注后，在710℃炉中保温90分钟，然后用水冷却至室温。将上述熔炼的合金在氮气保护条件下，在0.75Tm下固溶处理，处理时间为12小时，然后在60℃的温水中冷却，将上述固溶后合金，在0.,1 Tm下，在65MPa下时效10小时，时效完成后，将合金冷却至室温，制备出Mg-3Sc-1Mn-3Ba合金。
如图4所示，和WE43合金的第二阶段蠕变率对比，本实施例获得的Mg-3Sc-1Mn-3Ba合金的抗蠕变率是WE43的5倍以上。

Claims (2)

1.一种高抗蠕变镁钪基合金，其特征在于：其化学成分为Mg-xSc-yMn-z(Sr+Ba），其中 x、y和z为质量分数，0.5≦x≦5, 0.1≦y≦1.5, 0.5≦z≦3，Sr和Ba为一种或两种, 当同时添加两种元素时，各元素的质量分数比相等，上述元素均为99.5wt.%的纯金属。
2.上述权利要求1所述的高抗蠕变镁钪基合金的制备方法，其特征在于：
（1）在六氟化硫和氩气1:19混合气体保护下对上述金属进行熔炼，熔炼温度为680-800℃，所有上述原料都添加完成后，搅拌30分钟，在 650-770℃浇注到钢模中，钢模在500-600℃下充分预热，浇注后，在650-750℃炉中保温30-120分钟，然后用水冷却至室温；
（2）将上述熔炼的合金在氮气保护条件下，在0.7-0.85Tm下固溶处理，处理时间为6-24小时，然后在60℃的温水中冷却；
（3）将上述固溶后的合金，在0.1-0.2Tm下，在30-80MPa下时效2-24小时，时效完成后，将合金冷却至室温。
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