CN103146972A

CN103146972A - 一种多元稀土镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN103146972A
Application number: CN2013100818877A
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: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-14
Also published as: CN103146972B

Abstract

本发明公开了一种多元稀土镁合金及其制备方法，该镁合金由以下质量百分比的组分组成：2%～6%Gd，2%～3%Y，1%～2.5%Nd，0.5%～1.5%Sm，0.4%～0.8%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。本发明的多元稀土镁合金，组分为Mg-Gd-Y-Nd-Sm-Sb，具有较高的高温抗拉强度，高温性能稳定；在室温到250℃区间内，具有反常温度效应；本发明的多元稀土镁合金，与商用耐热镁合金WE54合金相比，具有更高高温抗拉伸强度和使用温度，在航空航天、汽车工业、武器装备等领域有着广阔的应用前景。

Description

一种多元稀土镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种多元稀土镁合金及其制备方法。

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。汽车每减重100Kg，每百公里节油0.5L，同时减少尾气排放，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高温强度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、耐蚀性能的功能以外，大部分稀土元素在镁中具有较大的固溶度极限；并且随温度下降，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。目前于200～250℃条件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。

目前的商业耐热镁合金如WE43，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温度范围特别是在200℃-300℃使用时对强度的更高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多元稀土镁合金，高温性能稳定，具有较高的高温抗拉强度。

本发明的另一个目的是提供一种多元稀土镁合金的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种多元稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：2%～6%Gd，2%～3%Y，1%～2.5%Nd，0.5%～1.5%Sm，0.4%～0.8%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。

所述Gd、Y、Nd、Sm的质量百分比之和为7%～11%。

该多元稀土镁合金是由Mg、Sb和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm为原料熔炼而成。

一种多元稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1）将Mg、Sb、中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Sm预热；

2）将Mg和Sb在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，持续搅拌，于720～740℃加入中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Sm；

3）当中间合金熔化后，去除表面浮渣，持续搅拌，将温度升至770～780℃后保持10min得混合液；

4）待步骤3）所得混合液的温度降至690～730℃后进行浇铸，得铸态合金；

5）将步骤4）所得铸态合金进行热处理，即得所述多元稀土镁合金。

步骤1）中所述预热温度为150～220℃。

步骤4）中浇铸时将浇铸模具预热至180～250℃。

步骤5）中所述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-Sm-Sb。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2wt%，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6wt%。本发明采用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%，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2wt%，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3wt%。本发明采用Nd、Sm作为复合添加稀土，以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能，Nd能够使合金塑性得到较大幅度提高，同时强度得到一定改善；Sm在镁中能产生良好的固溶强化和时效强化效果，Sm、Y、Gd与镁生成的室温平衡相分别为：Mg₄₁Sm₅、Mg₂₄Y₅；Mg₅Gd，可见，少量Sm在镁合金中具有高于与其等量的Y、Gd所能达到的析出强化效果，同时还降低合金重量与成本，因此本发明的Sm加入量不高于1.5wt。另外，廉价的金属Sb可与Mg形成以稳定性好的Mg₃Sb₂相，(0001)_Mg3Sb2与

错配度小(δ=13.09%<15%)，可细化镁合金晶粒。

本发明的多元稀土镁合金，组分为Mg-Gd-Y-Nd-Sm-Sb，具有较高的高温抗拉强度，高温性能稳定；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，到达一定的温度后，一般为300℃，抗拉强度才随之下降；本发明的多元稀土镁合金，与商用耐热镁合金WE54合金相比，具有更高的使用温度和高温抗拉伸强度，在航空航天、汽车工业、武器装备等领域有着广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明实施例中涉及到的原料镁（Mg）、锑（Sb），中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm均为市售产品。所述原料的纯度为99.9%的Mg，99.5%的Sb，Mg-30%Gd、Mg-25%Y、Mg-30%Nd、Mg-25%Sm。

实施例1

本实施例的多元稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：6%Gd，3%Y，1%Nd，1%Sm，0.4%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。所述Gd、Y、Nd、Sm的质量百分比之和为11%。

本实施例的多元稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1）将Mg、Sb、中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Sm预热到190℃；

2）将Mg和Sb放入预热到500℃的坩埚中，在CO₂+SF₆混合气体保护下，大功率快速加热熔化，持续搅拌，于730℃加入中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Sm，小功率缓慢加热熔化；

3）当中间合金熔化后，去除表面浮渣，持续搅拌，将温度升至780℃后保持10min得混合液；

4）待步骤3）所得混合液的温度降至710℃后进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至180℃，浇铸后得铸态合金；

5）将步骤4）所得铸态合金进行热处理，热处理为540℃固溶处理5小时，225℃等温时效处理15小时，即得所述多元稀土镁合金。

实施例2

本实施例的多元稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：4%Gd，2%Y，2.5%Nd，1.5%Sm，0.8%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。所述Gd、Y、Nd、Sm的质量百分比之和为10%。

本实施例的多元稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1）将Mg、Sb、中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Sm预热到220℃；

2）将Mg和Sb放入预热到500℃的坩埚中，在CO₂+SF₆混合气体保护下，大功率快速加热熔化，持续搅拌，于740℃加入中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Sm，小功率缓慢加热熔化；

3）当中间合金熔化后，去除表面浮渣，持续搅拌，将温度升至770℃后保持10min得混合液；

4）待步骤3）所得混合液的温度降至730℃后进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至210℃，浇铸后得铸态合金；

5）将步骤4）所得铸态合金进行热处理，热处理为525℃固溶处理10小时，180℃等温时效处理20小时，即得所述多元稀土镁合金。

实施例3

本实施例的多元稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：2%Gd，2.5%Y，2%Nd，0.5%Sm，0.6%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02%，余量为Mg。所述Gd、Y、Nd、Sm的质量百分比之和为7%。

本实施例的多元稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1）将Mg、Sb、中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Sm预热到150℃；

2）将Mg和Sb放入预热到500℃的坩埚中，在CO₂+SF₆混合气体保护下，大功率快速加热熔化，持续搅拌，于720℃加入中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Sm，小功率缓慢加热熔化；

3）当中间合金熔化后，去除表面浮渣，持续搅拌，将温度升至775℃后保持10min得混合液；

4）待步骤3）所得混合液的温度降至690℃后进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至250℃，浇铸后得铸态合金；

5）将步骤4）所得铸态合金进行热处理，热处理为490℃固溶处理20小时，250℃等温时效处理8小时，即得所述多元稀土镁合金。

实验例

本实验例对实施例1～3所得多元稀土镁合金进行拉伸强度实验，实验方法为：将所得多元稀土镁合金的试样，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，拉伸速度为1mm/min；高温拉伸时，在相应温度下对拉伸试样保温15min，温度波动±1℃，然后进行拉伸。实验结果如表1所示：

表1实施例1～3所得多元稀土镁合金的拉伸强度实验结果

从上表1可以看出，实施例1～3的多元稀土镁合金，组分为Mg-Gd-Y-Nd-Sm-Sb，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；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的多元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的多元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

1.一种多元稀土镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：2%～6%Gd，2%～3%Y，1%～2.5%Nd，0.5%～1.5%Sm，0.4%～0.8%Sb，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所述的多元稀土镁合金，其特征在于：所述Gd、Y、Nd、Sm的质量百分比之和为7%～11%。

3.根据权利要求1所述的多元稀土镁合金，其特征在于：该多元稀土镁合金是由Mg、Sb和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm为原料熔炼而成。

4.一种如权利要求1所述的多元稀土镁合金的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

1）将Mg、Sb、中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Sm预热；

5.根据权利要求4所述的多元稀土镁合金的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述预热温度为150～220℃。

6.根据权利要求4所述的多元稀土镁合金的制备方法，其特征在于：步骤4）中浇铸时将浇铸模具预热至180～250℃。

7.根据权利要求4所述的多元稀土镁合金的制备方法，其特征在于：步骤5）中所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。

8.根据权利要求7所述的多元稀土镁合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理的处理温度为490～540℃，处理时间为5～20小时。

9.根据权利要求7所述的多元稀土镁合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理的处理温度为180～250℃，处理时间为8～20小时。