CN103774019B

CN103774019B - 一种高温强度稳定的耐热镁合金

Info

Publication number: CN103774019B
Application number: CN201410001137.9A
Authority: CN
Inventors: 陈君; 李全安; 陈晓亚; 张清; 付三玲; 李梅菊; 陈雷雷; 刘文闯
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-01-02
Also published as: CN103774019A

Abstract

本发明公开了一种高温强度稳定的耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：3%～5%Y，1%～2%Gd，0.5%～1.5%Sm，0.5%～1.5%Nd，0.5%～1%Ca，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明的高温强度稳定的耐热镁合金，在耐热性能上具有一个突出的特点，即高温抗拉强度非常稳定，在200℃到300℃范围内，合金的抗拉强度随着温度的升高降低的幅度很小，约10%；在室温时的抗拉强度最高可达246MPa，在300℃时，抗拉强度仍可达到200MPa以上；与商用耐热镁合金WE54合金相比，具有更为低廉的成本，高温强度更加稳定，在航空航天、汽车工业、武器装备等方面有着广阔的应用前景。

Description

一种高温强度稳定的耐热镁合金

技术领域

本发明属于镁合金技术领域，具体涉及一种高温强度稳定的耐热镁合金。

背景技术

镁及镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料，在许多领域应用都有十分显著的优势，特别是在航空、航天和汽车、摩托车、高速轻轨列车方面具有难以替代的优势，但是，镁合金的耐热性能和抗蠕变性能不佳，严重阻碍其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的应用，因此提高镁合金的高温强度和耐热性能，提高其高温工况下使用的可靠性，扩大其在高温环境下的应用范围是发展镁合金材料的重要课题。

现有的耐热镁合金研制主要从限制位错运动和强化晶界入手，通过添加适当的合金元素，引入热稳定性高的第二相、降低各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元素。大部分稀土元素在镁中具有较大的固溶度极限，且随温度下降，固溶度急剧降低，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，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-Y系）合金是非常重要的耐热镁合金系列，具有高的高温强度和优异的抗蠕变性能。当前在200～300℃下长期工作的镁合金零部件绝大部分为Mg-RE系合金，Mg-RE系合金已成为发展高强耐热镁合金的一个重要合金系。作为镁和稀土资源第一大国，中国关于Mg-RE系合金的研究近年来不断增多和深入，稀土镁合金的成功研发将有助于我们利用这一优势。

目前的商业耐热稀土镁合金如WE54和近年发展起来的Mg-Gd系合金，其均含有较高的稀土元素Y、Nd、Gd等，其合金中稀土总含量均超过了8%，甚至高达20%，极大增加了合金成本，且其高温性能有限，特别是存在耐热性能不够稳定，高温时强度下降较多等缺点。在保持少量Y、Nd、Gd稀土元素的基础上，适度引入其他稀土元素和碱土元素，发挥各元素的共同强化作用，在控制合金成本的基础上开发耐热性能优异的镁合金具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温强度稳定的耐热镁合金。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种高温强度稳定的耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：3%～5%Y，1%～2%Gd，0.5%～1.5%Sm，0.5%～1.5%Nd，0.5%～1%Ca，余量为Mg和不可避免的杂质。

所述Y、Gd、Sm、Nd的质量百分比之和为6%～8%。

所述高温强度稳定的耐热镁合金是由镁和中间合金Mg-Y、Mg-Sm、Mg-Nd、Mg-Gd、Mg-Ca为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理制成的。

按上述组分配制合金，其熔铸工艺为：采用刚玉坩埚、中频感应炉，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，先加入Mg，熔化后加入中间合金，待镁液升温至750℃时，浇铸到钢制模具中，得铸态镁合金，后进行热处理。所述热处理是对铸态镁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525℃，处理时间为8小时。所述时效处理的处理温度为250℃，处理时间为16小时。

本发明的高温强度稳定的耐热镁合金的合金组分为Mg-Y-Gd-Sm-Nd-Ca。本发明采用Y元素为第一组分，Y是镁合金中一种重要的稀土元素，它在Mg中的最大固溶度为12wt%，它在Mg中产生显著的时效析出强化和固溶强化效果，本发明中Y的加入量为3%～5%，过多的Y会增加合金密度以及引起合金脆化；Gd与Y一样在Mg中有很大的固溶度，在镁合金中有明显的固溶强化和析出强化效果，本发明中Gd的加入量为2%～3%。本发明在添加重稀土元素Y和Gd的基础上，采用轻稀土元素Nd、Sm与之组合使用，Nd、Sm可以降低Y、Gd在Mg中的固溶度，从而增加Y、Gd的时效析出强化效应；Nd、Sm在Mg中的最大固溶度分别为3.6wt%、5.7wt%，因此本发明的Nd、Sm加入量均不高于2wt%；为了保证本发明合金的强化效果而又尽量降低总的稀土含量，减少合金密度和降低成本，因此本发明合金的稀土元素Y、Gd、Sm、Nd加入量都较低。另外加入少量的Ca可改善镁合金的显微组织和力学性能，Ca可细化晶粒，提高室温强度，也可与Mg生成高熔点强化相Mg₂Ca，改善高温强度，但Ca过量会影响铸造性能，因此本发明的Ca加入量不高于1wt%；综合利用稀土元素（Y、Gd、Sm、Nd）和碱土元素（Ca）的强化作用，进一步提高合金的高温强度。

本发明的高温强度稳定的耐热镁合金，合金组分为Mg-Y-Gd-Sm-Nd-Ca，在耐热性能上具有一个突出的特点，即高温抗拉强度非常稳定，在200℃到300℃范围内，合金的抗拉强度随着温度的升高降低的幅度约10%；在室温时的抗拉强度最高可达246MPa，200℃、250℃和300℃时的抗拉强度分别达到223MPa、214MPa和203MPa；在300℃时，抗拉强度仍可达到200MPa以上；而在相同条件下，WE54镁合金的室温抗拉强度为280MPa，延伸率为4.0%，200℃抗拉强度为241MPa，250℃抗拉强度为230MPa，300℃抗拉强度降到180MPa，从200℃到300℃，抗拉强度约降低25%。本发明的高温强度稳定的耐热镁合金与商用耐热镁合金WE54合金相比，具有更为低廉的成本，高温强度更加稳定，在航空航天、汽车工业、武器装备等方面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。

本发明的具体实施方式中涉及到的原料镁和中间合金Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Sm、Mg-Nd、Mg-Ca均为市售产品。所述原料的纯度为99.8%的Mg，99.8%的Mg-20%Y、Mg-25%Gd、Mg-25%Sm、Mg-17%Nd和Mg-25%Ca。

实施例1

本实施例的高温强度稳定的耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：3%Y，2%Gd，1.5%Sm，0.8%Nd，0.5%Ca，余量为Mg和不可避免的杂质。稀土总含量为7.3%。

本实施例的高温强度稳定的耐热镁合金拉伸强度试验的方法：经固溶时效处理后的试样，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；在日本岛津AG-I250kN精密万能实验机上进行拉伸试验，拉伸速率为1mm/min；高温拉伸时，要保温10分钟，再进行拉伸。

本实施例所得耐热镁合金，其室温抗拉强度为232MPa，延伸率为4.31%，200℃的抗拉强度为216MPa，250℃的抗拉强度为206MPa，300℃时抗拉强度仍达到195MPa。本实施例的耐热镁合金的抗拉强度在200℃至300℃内，拉伸强度仅降低21MPa，约10%，抗拉强度极其稳定。

实施例2

本实施例的高温强度稳定的耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：4%Y，1.5%Gd，0.8%Sm，0.5%Nd，0.8%Ca，余量为Mg和不可避免的杂质。稀土总含量为6.8%。

本实施例所得耐热镁合金，其室温抗拉强度为239MPa，延伸率为3.69%，200℃的抗拉强度为223MPa，250℃的抗拉强度为214MPa，300℃时抗拉强度仍达到203MPa。本实施例的耐热镁合金的抗拉强度在200℃至300℃内，拉伸强度仅降低20MPa，约10%，抗拉强度极其稳定。

实施例3

本实施例的高温强度稳定的耐热镁合金，由以下重量百分比的组分组成：5%Y，1%Gd，0.5%Sm，1.5%Nd，1%Ca，余量为Mg和不可避免的杂质。稀土总含量为8%。

本实施例所得耐热镁合金，其室温抗拉强度为246MPa，延伸率为3.45%，200℃的抗拉强度为221MPa，250℃的抗拉强度为208MPa，300℃时抗拉强度仍达到198MPa。本实施例的耐热镁合金的抗拉强度在200℃至300℃内，拉伸强度仅降低23MPa，约10%，抗拉强度极其稳定。

Claims

1.一种高温强度稳定的耐热镁合金，其特征在于：由以下重量百分比的组分组成：3%～5%Y，1%～2%Gd，0.5%～1.5%Sm，0.5%～1.5%Nd，0.5%～1%Ca，余量为Mg 和不可避免的杂质；

所述 Y、Gd、Sm、Nd 的质量百分比之和为6%～8%；

所述高温强度稳定的耐热镁合金是由镁和中间合金 Mg-Y、Mg-Sm、Mg-Nd、Mg-Gd、Mg-Ca 为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理制成的；制备方法包括：采用刚玉坩埚、中频感应炉，在 CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，先加入Mg，熔化后加入中间合金，待镁液升温至750℃时，浇铸到钢制模具中，得铸态镁合金，后进行热处理；所述热处理是对铸态镁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525℃，处理时间为8 小时；所述时效处理的处理温度为250℃，处理时间为16 小时。