CN104195396A - 含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金及其制备方法；所述合金包含的各成分和重量百分比为：Gd10～20％，Y0.5～6％，Si0.1～5％，Zn0.1～5％，Zr0～1％，杂质元素总量小于0.02％，余量为Mg。本发明镁合金通过熔炼以及后续的热处理得到，工艺简单，生产效率高，由于含硅、锌和高含量Gd(-Y)稀土元素，镁合金在200～300℃下具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性。

Description

含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金及其制备方法。

背景技术

在现有的工程用金属中，镁合金密度最小，约为铝合金的2/3，钢的1/4。镁合金的比强度高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；比刚度与铝合金和钢相当，远高于纤维增强塑料；此外，镁合金还拥有优良的减振性能、电磁屏蔽性、导热性能等，在电子、汽车、航空航天和军工领域有着广阔的应用潜力。目前开发得最成功的商用耐热镁合金有WE54、WE43等，然而现有镁合金存在强度差、使用温度低和抗磨损性能差等缺点，特别是在250℃以上强度迅速下降，这些缺点制约了其在汽车、航空航天等耐高温零件上的应用，因此，需要开发一种在250℃以上具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性的镁合金。

经过对现有文献和技术检索发现，Gd和Y的添加能显著增加镁合金的固溶强化和时效强化作用，使得镁合金拥有优良的室温力学性能。何上明在其博士论文《Mg-Gd-Y-Zr(-Ca)合金的微观组织演变、性能和断裂行为研究》中报道的Mg-10Gd-3Y-0.5Zr合金拥有较强的室温拉伸力学性能，T6态下其室温抗拉强度为366MPa，但是在300℃下的抗拉强度迅速下降到230MPa，不能满足轻质耐高温零件的应用需求；J.F.Nie在其《Enhanced age hardening response and creep resistance ofMg-Gd alloys containing Zn》一文中指出，Zn的加入能促进Gd元素的时效强化作用，并生成大量能阻碍位错滑移的基面相，有利于提高合金的高温拉伸力学性能；已公开的含Si耐热稀土镁合金专利(公开号为CN103305738A)通过晶内含Si金属间化合物的强化作用，在200℃左右具有较好的耐热性能及耐磨性能，然而该专利中的稀土镁合金同样在250℃以上的工作环境中无法保证很强的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金及其制备方法。本发明旨在利用Si和Zn对镁合金强化的同时还提高稀土元素含量，即通过向Mg中加入Gd、Y、Zr及Si、Zn元素，并通过优化后续固溶和时效工艺参数，获得了一种在200～300℃下具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性的铸造耐热镁合金。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金，所述合金包括如下重量百分比含量的各组分：Gd10～20％，Y0.5～6％，Si0.1～5％，Zn0.1～5％，Zr0～1％，杂质元素总量小于0.02％，余量为Mg。

与传统的通过晶内含Si金属间化合物的强化作用，进而获得在200℃左右具有较好的耐热性能及耐磨性能的含Si耐热稀土镁合金相比，本发明的稀土镁合金通过强化元素Zn的加入，生成能有效阻碍晶界滑移的基面相；同时，Si的加入消耗了部分稀土元素，弱化了金属的时效强化作用；进而获得了在200～300℃下具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性的铸造耐热镁合金。

优选的，所述杂质元素包括Fe、Cu和Ni，所述杂质元素占合金总重的重量百分比含量分别为：Fe＜0.005％，Cu＜0.0148％，Ni＜0.002％。

优选的，所述合金中Zr含量为0.5～1.0wt.％，更优选为0.6wt.％。

本发明还涉及一种上述的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的制备方法，所述方法包含如下步骤：

A、按所述合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量；所述原料为镁锭、工业纯Si粉、工业纯Zn、Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Zr中间合金；

B、将镁锭在保护气体存在的条件下加热至完全熔化后，在770～780℃加入纯Si粉，搅拌；调节镁液温度降至680～700℃后加入纯Zn；调节镁液温度回升至740℃后加入Mg-Gd中间合金，待镁液温度回升至740℃后再加入Mg-Y中间合金；调节镁液温度升至760～780℃后加入Mg-Zr中间合金；待熔化后，调节镁液温度在750～770℃下进行精炼；精炼结束后，在760～780℃下静置，待镁液温度降至700～750℃撇去浮渣，浇铸；

C、对浇铸得到的镁合金依次进行固溶处理、时效处理，即得所述含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金。

上述步骤B中加入在770～780℃加入纯Si粉，而非传统技术中加入Mg-Si中间合金，其原因在于加入Mg-Si中间合金到本发明的镁合金体系中会在其铸态组织中形成粗大的汉字状或者树枝状的Mg₂Si相，其对合金的力学性能危害极大。

优选的，所述步骤B之前还包括将原料预热至200～250℃的步骤。

优选的，所述保护气体为SF₆和CO₂混合气体，其中含0.2％体积分数的SF₆。

优选的，所述固溶处理在空气电阻炉中进行，保温温度范围为450～550℃，时间范围为5～50h，在80～100℃热水中淬火。在该温度和时间下进行固溶处理，可实现一种分布均匀的特殊相：层片状X相，此相利于高温性能的提高。此外，淬火应当在80～100℃热水中进行，如采用冷水中淬火，则样品会淬裂。

优选的，所述时效处理在恒温油浴炉中进行，时效温度为175～250℃，时间范围为32～128h，在80～100℃热水中淬火。本发明的合金体系中，Zn的加入能促进Gd元素的时效强化作用，并生成大量能阻碍位错滑移的弥散基面相和非基面时效相，两者位相相互垂直，从而有利于提高合金的高温拉伸力学性能。

优选的，所述镁锭中镁含量的质量分数大于99.9％，纯硅中硅含量的质量分数大于99.9％，纯锌中锌含量的质量分数大于99.9％。

优选的，所述精炼过程中包含搅拌。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过添加Si、Zn和Gd(-Y)元素以及后续固溶和时效处理工艺使制备的铸造镁合金在200～300℃下具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性；Si的加入能形成位于晶内的Mg-RE-Si硬质相，可提高合金的耐热性和耐磨性；Zn的加入能形成位于晶界的Mg-RE-Zn硬质相，能有效阻碍晶界滑移，提高合金的耐热性；提高稀土元素含量能补偿Si和Zn对稀土元素的消耗，确保时效强化作用不被弱化；加入Zr能显著细化晶粒尺寸，增强细晶强化效果并改善合金塑性，同时Zr能与Si反应形成细小的Si-Zr硬质相，可提高合金的耐热性和耐磨性。通过以上原理和方法，使本发明镁合金在200～300℃下具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性。

(2)本发明工艺简单，通过优化固溶和时效工艺参数，成功制备了在200～300℃下具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性的铸造耐热稀土镁合金。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的合金成分(重量百分比)为：15％Gd、3％Y、0.1％Si、2.5％Zn，0％Zr，杂质元素总含量小于0.02％，其余为Mg。具体制备包括如下步骤：

(1)按照上述成分，选择镁锭、工业纯Si粉、工业纯Zn、Mg-Gd、Mg-Y中间合金配置合金原料。

(2)将上述(1)配置的原料进行熔炼处理，首先将所有原料在烘箱中预热至200℃，然后在电阻坩埚炉中加入工业纯镁kg，在SF₆和CO₂混合气体(SF₆体积百分数为0.2％)保护下进行加热，待镁锭完全熔化后，在770℃加入纯Si粉，搅拌时间为5min；搅拌完成后将电阻炉的预设温度设为690℃，待镁液温度降低到690℃后加入纯Zn；调节电阻炉的预设温度为740℃，待镁液温度升高到740℃后加入Mg-Gd中间合金，保温10min后加入Mg-Y中间合金；调节电阻炉的预设温度为780℃，保温8min后搅拌4min，然后在750℃下保温15min，不断电精炼10min，精炼结束后，在760℃下静置15min，待镁液温度降至700℃撇去浮渣，用浇包浇铸。

(3)将上述(2)所铸造的镁合金进行固溶处理(T4)：在空气电阻炉中进行，保温温度范围为525℃，时间为25h，在80℃热水中淬火。

(4)将上述(3)制备的T4态镁合金进行时效处理(T6)：在恒温油浴炉中进行，采取单步时效处理，时效温度为175℃，时间为128h，在100℃热水中淬火。

(5)将上述(4)制备的T6态镁合金进行室温拉伸实验，拉伸机为ZwickBTC--FR020TN.A50型电子万能材料试验机。获得合金200℃拉伸抗拉强度为(340)MPa、屈服强度为(270)MPa、延伸率为(5)％；300℃拉伸抗拉强度为(280)MPa、屈服强度为(200)MPa、延伸率为(12)％，因此，制备的镁合金将具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性，高于现有水平。

实施例2

本实施例涉及的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的合金成分(重量百分比)为：10％Gd、6％Y、5％Si、0.1％Zn、0.5％Zr，杂质元素总含量小于0.02％，其余为Mg。具体制备包括如下步骤：

(1)按照上述成分，选择镁锭、工业纯Si粉、工业纯Zn、Mg-Gd，Mg-Y和Mg-Zr中间合金配置合金原料。

(2)将上述(1)配置的原料进行熔炼处理，首先将所有原料在烘箱中预热至225℃，然后在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，在SF₆和CO₂混合气体(SF₆体积百分数为0.2％)保护下进行加热，待镁锭完全熔化后，在780℃加入纯Si粉，搅拌时间为5min；搅拌完成后将电阻炉的预设温度设为690℃，待镁液温度降低到680℃后加入纯Zn；调节电阻炉的预设温度为730℃，待镁液温度升高到740℃后加入Mg-Gd中间合金，保温10min后加入Mg-Y中间合金；调节电阻炉的预设温度为770℃，待镁液温度升高到770℃后加入Mg-Zr中间合金，保温10min后搅拌5min，然后在770℃下保温20min，不断电精炼10min，精炼结束后，在770℃下静置20min，待镁液温度降至725℃撇去浮渣，用浇包浇铸。

(3)将上述(2)所铸造的镁合金进行固溶处理(T4)：在空气电阻炉中进行，保温温度范围为500℃，时间为5h，在90℃热水中淬火。

(4)将上述(3)制备的T4态镁合金进行时效处理(T6)：在恒温油浴炉中进行，采取单步时效处理，时效温度为225℃，时间为64h，在90℃热水中淬火。

(5)将上述(4)制备的T6态镁合金进行室温拉伸实验，拉伸机为ZwickBTC--FR020TN.A50型电子万能材料试验机。获得合金200℃拉伸抗拉强度为(320)MPa、屈服强度为(240)MPa、延伸率为(5)％；300℃拉伸抗拉强度为(250)MPa、屈服强度为(180)MPa、延伸率为(12)％，因此，制备的镁合金将具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性，高于现有水平。

实施例3

本实施例涉及的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的合金成分(重量百分比)为：20％Gd、0.5％Y、2.5％Si、5％Zn、1％Zr，杂质元素总含量小于0.02％，其余为Mg。具体制备包括如下步骤：

(1)按照上述成分，选择镁锭、工业纯Si粉、工业纯Zn、Mg-Gd，Mg-Y和Mg-Zr中间合金配置合金原料。

(2)将上述(1)配置的原料进行熔炼处理，首先将所有原料在烘箱中预热至200℃，然后在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，在SF₆和CO₂混合气体(SF₆体积百分数为0.2％)保护下进行加热，待镁锭完全熔化后，在770℃加入纯Si粉，搅拌时间为5min；搅拌完成后将电阻炉的预设温度设为690℃，待镁液温度降低到700℃后加入纯Zn；调节电阻炉的预设温度为740℃，待镁液温度升高到740℃后加入Mg-Gd中间合金，保温10min后加入Mg-Y中间合金；调节电阻炉的预设温度为780℃，待镁液温度升高到780℃后加入Mg-Zr中间合金，保温8min后搅拌4min，然后在760℃下保温15min，不断电精炼10min，精炼结束后，在780℃下静置15min，待镁液温度降至710℃撇去浮渣，用浇包浇铸。

(3)将上述(2)所铸造的镁合金进行固溶处理(T4)：在空气电阻炉中进行，保温温度范围为550℃，时间为50h，在100℃热水中淬火。

(4)将上述(3)制备的T4态镁合金进行时效处理(T6)：在恒温油浴炉中进行，采取单步时效处理，时效温度为250℃，时间为32h，在100℃热水中淬火。

(5)将上述(4)制备的T6态镁合金进行室温拉伸实验，拉伸机为ZwickBTC--FR020TN.A50型电子万能材料试验机。获得合金200℃拉伸抗拉强度为(330)MPa、屈服强度为(230)MPa、延伸率为(4.0)％；300℃拉伸抗拉强度为(260)MPa、屈服强度为(190)MPa、延伸率为(15)％，因此，制备的镁合金将具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性，高于现有水平。

实施例4

本实施例涉及的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的合金成分(重量百分比)为：13％Gd、4％Y、1.2％Si、1.2％Zn、0.6％Zr，杂质元素总含量小于0.02％，其余为Mg。具体制备包括如下步骤：

(1)按照上述成分，选择镁锭、工业纯Si粉、工业纯Zn、Mg-Gd，Mg-Y和Mg-Zr中间合金配置合金原料。

(2)将上述(1)配置的原料进行熔炼处理，首先将所有原料在烘箱中预热至250℃，然后在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，在SF₆和CO₂混合气体(SF₆体积百分数为0.2％)保护下进行加热，待镁锭完全熔化后，在775℃加入纯Si粉，搅拌时间为5min；搅拌完成后将电阻炉的预设温度设为680℃，待镁液温度降低到680℃后加入纯Zn；调节电阻炉的预设温度为730℃，待镁液温度升高到740℃后加入Mg-Gd中间合金，保温5min后加入Mg-Y中间合金；调节电阻炉的预设温度为760℃，待镁液温度升高到760℃后加入Mg-Zr中间合金，保温10min后搅拌3min，然后在750℃下保温10min，不断电精炼10min，精炼结束后，在760℃下静置20min，待镁液温度降至750℃撇去浮渣，用浇包浇铸。

(3)将上述(2)所铸造的镁合金进行固溶处理(T4)：在空气电阻炉中进行，保温温度范围为450℃，时间为50h，在80℃热水中淬火。

(4)将上述(3)制备的T4态镁合金进行时效处理(T6)：在恒温油浴炉中进行，采取单步时效处理，时效温度为225℃，时间为32h，在80℃热水中淬火。

(5)将上述(4)制备的T6态镁合金进行室温拉伸实验，拉伸机为ZwickBTC--FR020TN.A50型电子万能材料试验机。获得合金200℃拉伸抗拉强度为(360)MPa、屈服强度为(240)MPa、延伸率为(5.0)％；300℃拉伸抗拉强度为(300)MPa、屈服强度为(200)MPa、延伸率为(13.3)％，因此，制备的镁合金将具有高强度、高耐磨性和塑性好等优异特性，高于现有水平。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金，其特征在于，所述合金包括如下重量百分比含量的各组分：Gd10～20％，Y0.5～6％，Si0.1～5％，Zn0.1～5％，Zr0～1％，杂质元素总量小于0.02％，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金，其特征在于，所述杂质元素包括Fe、Cu和Ni，所述杂质元素占合金总重的重量百分比含量分别为：Fe＜0.005％，Cu＜0.0148％，Ni＜0.002％。

3.一种如权利要求1所述的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

A、按所述合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量；所述原料为镁锭、工业纯Si粉、工业纯Zn、Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Zr中间合金；

B、将镁锭在保护气体存在的条件下加热至完全熔化后，在770～780℃加入纯Si粉，搅拌；调节镁液温度降至680～700℃后加入纯Zn；调节镁液温度回升至740℃后加入Mg-Gd中间合金，待镁液温度回升至740℃后再加入Mg-Y中间合金；调节镁液温度升至760～780℃后加入Mg-Zr中间合金；待熔化后，调节镁液温度在750～770℃下，进行精炼；精炼结束后，在760～780℃下静置，待镁液温度降至700～750℃撇去浮渣，浇铸；

C、对浇铸得到的镁合金依次进行固溶处理、时效处理，即得所述含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金。

4.根据权利要求3所述的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤B之前还包括将原料预热至200～250℃的步骤。

5.根据权利要求3所述的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述保护气体为SF₆和CO₂混合气体，其中含0.2％体积分数的SF₆。

6.根据权利要求3所述的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的保温温度为450～550℃，时间为5～50h，在80～100℃热水中淬火。

7.根据权利要求3所述的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理的时效温度为175～250℃，时间为32～128h，在80～100℃热水中淬火。

8.根据权利要求3所述的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述镁锭中镁含量的质量分数大于99.9％，纯硅中硅含量的质量分数大于99.9％，纯锌中锌含量的质量分数大于99.9％。

9.根据权利要求3所述的含硅、锌和Gd(-Y)的耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述精炼是在搅拌的条件下进行的。