CN103131925A

CN103131925A - 一种高强耐热复合稀土镁合金

Info

Publication number: CN103131925A
Application number: CN2013100822266A
Authority: CN
Inventors: 李全安; 付三玲; 张清; 陈君; 刘文健; 陈志�; 宋晓杰
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2033-03-14
Also published as: CN103131925B

Abstract

本发明公开了一种高强耐热复合稀土镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：6%～12%Gd，1%～5%Y，1%～2%Nd，1%～2%Sn，1%～2%Sm，0.5%～1%Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。本发明的高强耐热复合稀土镁合金具有很高的拉伸强度，在室温到300℃范围内，合金的抗拉强度具有反常温度效应；与商用耐热镁合金WE54合金相对，具有更高的高温强度，在航空航天、汽车工业、武器装备等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高强耐热复合稀土镁合金

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强耐热复合稀土镁合金。

背景技术

镁是最轻的金属结构材料，在航空航天、军工、汽车及其它行业中的应用日益广泛。如汽车每减重100Kg，每百公里节油0.5L，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不佳严重阻碍其应用，因此提高镁合金的强度和耐热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的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，稀土元素在镁合金中除了具有除气、除杂、提高铸造流动性、耐蚀性能的作用外，大部分稀土元素在镁中还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（RE）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-Gd系）合金是重要的耐热合金系，具有较高的高温强度和优良的蠕变性能。当前于200～300℃下长期工作的镁合金零部件均为Mg-RE系合金，由于其特殊的价电子结构及在镁合金中的显著的强化效果，使Mg-RE系成为发展高强度耐热镁合金的一个重要合金系。但是，目前的商业耐热镁合金如WE54，其存在的主要不足是，高温时强度下降仍较多，还不能完全满足其在航空航天、军工、汽车及其它行业中高温下使用时对强度的更高的要求。

现有技术中，专利CN1962914A公开了一种含稀土铸造镁合金及其制备方法，该铸造镁合金的组分及其重量百分比为：6-15%Gd、2-6%Sm、0.35-0.8%Zr，具有比传统WE系列商业镁合金优越的室温强度、瞬时高温强度等力学性能，但是其在250℃的抗拉强度为295MPa，强度下降仍较多，不能满足高温强度的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强耐热复合稀土镁合金，高温时强度下降较少，具有较高的高温抗拉伸强度。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种高强耐热复合稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：6%～12%Gd、1%～5%Y、1%～2%Nd、1%～2%Sn、1%～2%Sm、0.5%～1%Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。

所述Gd、Y、Nd、Sn、Sm、Zr的质量百分比之和为12%～18%。

所述稀土镁合金是由Mg、Sn和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm、Mg-Zr为原料熔炼铸造并经过热处理制成的。

一种上述高强耐热稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1）将镁、锡和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm和Mg-Zr预热到150～220℃；

2）将镁在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，于720～740℃加入锡和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm，将温度升至750～780℃加入中间合金Mg-Zr；

3）当Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，将温度升至770～780℃后保持10min；

4）将温度降至690～730℃后进行浇铸，浇铸时将浇铸模具预热至180～250℃，浇铸后得到铸态合金；

5）将步骤4）所得铸态合金进行热处理，即得。

所述的热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。所述固溶处理的处理温度为490～540℃，处理时间为5～20小时。所述时效处理的处理温度为180～250℃，处理时间为8～20小时。

本发明合金组分为Mg-Gd-Y-Nd-Sn-Sm-Zr。本发明采用Gd为第一组分，Gd在Mg固溶体中的最大固溶度为20.3wt%，200℃在Mg固溶体中的固溶度为3.8wt%，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Gd的加入量不低于6wt%，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Gd加入量不高于12wt%。采用Y为第二组分，Y可以降低Gd在Mg中的固溶度，从而增加Gd的时效析出强化效应；而且Y在Mg中的最大固溶度为12wt%，固溶强化效果会更明显，本发明的Y加入量不高于5wt%。Sn在Mg中的固溶度从在共晶形成温度561℃的14.85wt％到200℃的0.45wt％，如此大的固溶度的变化范围，为后续的时效处理以提高机械性能提供了很大的空间可以开发出强韧性能优良的镁合金；析出相MgSn₂的熔点高达771.5℃，明显高于Mg₁₇Al_l2(462℃)、MgZn(347C)相的熔点，开发以Mg-Sn为基础抗蠕变合金可以解决目前众多的以Mg-AI为基础的抗蠕变镁合金(如Mg-Al-RE、Mg-Al-Si、Mg-Al-Ca等)中由于存在抗蠕变性能差的Mg_l7Al_l2相带来的问题。另外，相对于镁稀土系列耐热镁合金，锡的价格要低廉，Mg-Sn系列合金具有广阔的市场前景。Nd、Sn、Sm添加量属于微添加，总量不超过5wt%。采用Zr作为晶粒细化剂，以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能。

本发明的高强耐热复合稀土镁合金，组分为Mg-Gd-Y-Nd-Sn-Sm-Zr，具有很高的拉伸强度，在室温到300℃范围内，合金的抗拉强度具有反常温度效应，即随着拉伸温度的提高，抗拉强度也随之提高，到达一定温度后，一般为300℃抗拉强度会下降；本发明的高强耐热复合稀土镁合金，与商用耐热镁合金WE54合金相对，具有更高的高温强度，在航空航天、汽车工业、武器装备等领域具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明具体实施方式中涉及到的原料镁（Mg）、锡（Sn），中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm、Mg-Zr均为市售产品。所述原料的纯度为99.9%的Mg和99.9%的Sn，99.5%的Mg-25%Gd，99.5%的Mg-25%Y、99.5%的Mg-25%Nd、99.5%的Mg-30%Sm、99.5%的Mg-25%Zr。

实施例1

本实施例的高强耐热复合稀土镁合金，由以下的质量百分比的组分组成：12%Gd、2%Y、2%Nd、1.5%Sn、2%Sm、1%Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。其中稀土总含量为18%。

本实施例的高强耐热复合稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1）将镁、锡和中间合金Mg-Gd、Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Sm和Mg-Zr预热到190℃；

2）将镁放入预热到500℃的刚玉坩埚中，在CO₂+SF₆混合气体保护下，中频感应炉大功率快速加热熔化，待镁熔化后，在730℃加入锡和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd，小功率缓慢加热，待其熔化后且镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Sm中间合金，后升温到760℃加入中间合金Mg-Zr；

3）待中间合金Mg-Zr熔化后去除表面浮渣，再将温度升至780℃，关闭主控电路，静置；

4）待镁液降温至710℃进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至180℃，浇铸后得到铸态合金；

5）将步骤4）所得铸态合金进行热处理：525℃固溶处理5小时，180℃等温时效处理20小时，即得。

实施例2

本实施例的高强耐热复合稀土镁合金，由以下的质量百分比的组分组成：9%Gd、5%Y、1%Nd、1%Sn、1%Sm、0.7%Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。其中稀土总含量为16%。

1）将镁、锡和中间合金Mg-Gd、Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃；

2）将镁放入预热到500℃的刚玉坩埚中，在CO₂+SF₆混合气体保护下，中频感应炉大功率快速加热熔化，待镁熔化后，在740℃加入锡和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd，小功率缓慢加热，待其熔化后且镁液温度回升至740℃时再加入Mg-Sm中间合金，后升温到750℃加入中间合金Mg-Zr；

3）待中间合金Mg-Zr熔化后去除表面浮渣，再将温度升至770℃，关闭主控电路，静置；

4）待镁液降温至730℃进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至210℃，浇铸后得到铸态合金；

5）将步骤4）所得铸态合金进行热处理：490℃固溶处理10小时，250℃等温时效处理8小时，即得。

实施例3

本实施例的高强耐热复合稀土镁合金，由以下的质量百分比的组分组成：6%Gd、3%Y、1.5%Nd、2%Sn、1.5%Sm、0.5%Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。其中稀土总含量为12%。

1）将镁、锡和中间合金Mg-Gd、Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Sm和Mg-Zr预热到150℃；

2）将镁放入预热到500℃的刚玉坩埚中，在CO₂+SF₆混合气体保护下，中频感应炉大功率快速加热熔化，待镁熔化后，在720℃加入锡和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd，小功率缓慢加热，待其熔化后且镁液温度回升至720℃时再加入Mg-Sm中间合金，后升温到780℃加入中间合金Mg-Zr；

4）待镁液降温至690℃进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至250℃，浇铸后得到铸态合金；

5）将步骤4）所得铸态合金进行热处理：540℃固溶处理20小时，230℃等温时效处理15小时，即得。

实验例

将实施例1～3所得高强耐热复合稀土镁合金进行拉伸强度试验，试验方法为：将实施例1～3所得高强耐热复合稀土镁合金，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。在高温下的拉伸试样需要在试样两端加工螺纹以满足高温拉伸试样的夹持装置的要求。电子拉伸在日本岛津AG-I250kN精密万能实验机上进行，拉伸速率为1mm/min；高温拉伸时，在相应温度下对拉伸试样保温15分钟，温度波动±1℃，然后进行拉伸。拉伸强度试验结果如表1所示：

表1实施例1～3的高强耐热复合稀土镁合金的拉伸强度试验结果

从上表1可以看出，实施例1～3的高强耐热复合稀土镁合金，组分为Mg-Gd-Y-Nd-Sn-Sm-Zr，在室温到250℃区间内，具有反常温度效应，即随着温度的升高，抗拉强度也随之升高，到达300℃后，抗拉强度才随之下降；实施例1～3的高强耐热复合稀土镁合金，制备工艺简单，性能稳定；与商用耐热镁合金WE54合金相比，在室温到250℃区间内，实施例1～3的高强耐热复合稀土镁合金具有更高的高温抗拉伸强度，到300℃，在商用镁合金WE54的抗拉强度大幅下降时，实施例1～3的高强耐热复合稀土镁合金的抗拉伸强度下降不多，说明其高温性能稳定，具有更高的使用温度。

Claims

1.一种高强耐热复合稀土镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：6%～12%Gd、1%～5%Y、1%～2%Nd、1%～2%Sn、1%～2%Sm、0.5%～1%Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的高强耐热复合稀土镁合金，其特征在于：所述Gd、Y、Nd、Sm的质量百分比之和为12%～18%。

3.根据权利要求1所述的高强耐热复合稀土镁合金，其特征在于：所述稀土镁合金是由Mg、Sn和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm、Mg-Zr为原料熔炼铸造并经过热处理制成的。