CN105018813B

CN105018813B - 一种抗蠕变稀土镁合金及其制备方法

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Publication number: CN105018813B
Application number: CN201510397573.7A
Authority: CN
Inventors: 李全安; 陈君; 张清; 李梅菊; 朱宏喜; 周耀; 严景龙
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2035-07-07
Also published as: CN105018813A

Abstract

本发明公开了一种抗蠕变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％Sm，0.2％～2.2％Nd，0.5％～3.5％Gd，1.2％～2.4％Zr，0.2％～1.5％Ca，0.2％～1.4％Ag，0.3％～1.1％Sb，0.2％～1.3％Er，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明的抗蠕变稀土镁合金，具有较高的室温和高温力学性能，在250℃/100MPa蠕变条件下，蠕变量低至0.15％、稳态蠕变速率低至5.14×10^‑9s^‑1，具有优异的高温抗蠕变性能；该镁合金稀土总含量较低，成本低，合金显微组织均匀，适合用于对镁合金高温抗蠕变性能要求较高的工程领域。

Description

一种抗蠕变稀土镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于镁合金技术领域，具体涉及一种抗蠕变稀土镁合金，同时还涉及一种抗蠕变稀土镁合金的制备方法。

背景技术

镁及镁合金作为工程应用中最轻的金属结构材料，具有低的密度、高的比强度和比刚度、优异的阻尼减震性能以及良好的散热性，在许多领域应用都有十分显著的优势，特别是在航空航天、汽车、摩托车、高速轻轨列车方面具有难以替代的优势。但是，镁合金的高温力学性能不佳，严重阻碍其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的应用，因此提高镁合金的力学和耐热性能是发展镁合金材料的重要课题。

蠕变性能是材料在恒载(外界载荷不变)的情况下，变形程度随时间增加的现象；即金属在高温和低于屈服强度的应力作用下，材料塑性变形量随时间延续而增加。镁合金的抗蠕变性能对其工程应用起着重要作用。

现有的抗蠕变镁合金主要从限制位错滑移和强化晶界入手，通过添加适量合金元素，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热强性和高温蠕变抗力的目的。稀土(RE)是提高镁合金蠕变能最有效的合金元素。大部分稀土元素在镁中具有较大的固溶度极限，而且随温度下降，固溶度急剧减少，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抗蠕变性能；同时，稀土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。

现有技术中，CN101250656A公开了一种抗蠕变镁合金，其包含的各组分及其重量百分比为：1％≤Sm≤6％、0.2％≤Zn≤3％、0.2％≤Y≤1.5％、0≤Zr≤0.9％、其余为Mg和杂质，所述杂质成分的重量百分比为：Fe<0.005％、Cu<0.015％、Ni<0.002％。其制备方法是在SF₆和CO₂气体保护条件下进行熔炼，熔炼时分别以Mg-Sm、Mg-Y、Mg-Zr中间合金的形式向镁熔体中添加组元Sm、Y和Zr，熔炼后得到的镁合金再进行490-540℃、6-24h的固溶处理。所得镁合金具有良好的塑性、高温强度和抗蠕变性能，但是其在250℃/80MPa蠕变条件下，稳态蠕变速率基本在1.0×10^-8s^-1以上，在对抗蠕变性能要求比较高的应用领域，该镁合金还不能满足使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗蠕变稀土镁合金，具有良好的高温抗蠕变性能。

本发明的第二个目的是提供一种抗蠕变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：

一种抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：2％～6％Sm，0.2％～2.2％Nd，0.5％～3.5％Gd，1.2％～2.4％Zr，0.2％～1.5％Ca，0.2％～1.4％Ag，0.3％～1.1％Sb，0.2％～1.3％Er，余量为Mg和不可避免的杂质。

所述Sm、Nd、Gd、Er的质量百分比之和为6％～8％。

上述抗蠕变稀土镁合金中，杂质的质量百分含量低于0.1％。

所述抗蠕变稀土镁合金是以镁、银、锑与中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca为原料熔炼铸造并经过热处理制备而成的。

一种所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将原料纯镁、纯银、纯锑与中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca进行预热；

2)将预热后的纯镁、纯银、纯锑在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，加热至730℃～740℃时加入中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca，保温至合金全部熔化后去除表面浮渣；后升温至750℃～760℃，搅拌，再降温至710℃～720℃并保温，得合金液；

3)将步骤2)所得合金液浇注至模具中，得铸态合金；

4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，即得。

步骤1)中，所述预热的温度为200℃～220℃，预热时间为1.5h～2h。

步骤2)中，在710℃～720℃的保温时间为5min～8min。

步骤3)中，所述模具为金属模具；模具使用前进行预热，预热温度为250℃～300℃。

步骤4)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。

所述固溶处理的温度为530℃～545℃，保温时间为8h～10h；后用热水淬火至室温，所述热水的温度为85℃～95℃。所述固溶处理在氧化镁粉末覆盖上进行，防止氧化燃烧。

所述时效处理的温度为210℃～230℃，保温时间为15h～18h；后空冷至室温。

本发明的抗蠕变稀土镁合金采用Sm为第一组分，Sm在Mg合金中的固溶度较大，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Sm的加入量不低于2wt％，同时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Sm加入量不高于6wt％；合金中添加少量稀土元素Nd、Gd、Er能够增加Sm的时效析出强化，多组元混合稀土能够在控制稀土总量的基础上，发挥出复合强化效果。少量Ca的加入可与Mg生成高熔点强化相Mg₂Ca，改善镁合金显微组织，提高镁合金的高温强度和抗蠕变性能；但Ca过量会影响铸造性能，因此本发明的Ca加入量不高于1.5wt％。镁合金中加入少量的Sb，可以在基体中析出热稳定性的Mg₃Sb₂，在高温下有效地强化基体，抑制了高温下晶界的滑移；但是过量的Sb容易在组织中发生偏聚，影响合金的高温性能，因此本发明的Sb加入量不高于1.1wt％。少量Ag是提高镁合金耐热性能的重要元素，Zr的添加能够显著细化合金显微组织。本发明综合利用稀土元素(Sm，Nd，Gd，Er)、碱土元素(Ca)和其他元素(Sb、Ag、Zr)的强化作用，显著提高镁合金的高温性能，特别是抗蠕变性能。

本发明的抗蠕变稀土镁合金，在镁基体中添加一定量的Sm、Nd、Gd，、Zr、Ca、Ag、Sb和Er，所得镁合金与现有商用镁合金相比，具有较高的室温和高温力学性能，在250℃时，抗拉强度在200MPa以上、屈服强度在150MPa以上；在250℃/100MPa蠕变条件下，蠕变量低至0.15％、稳态蠕变速率低至5.14×10^-9s^-1，具有优异的高温抗蠕变性能；该镁合金稀土总含量较低，成本低，合金显微组织均匀，适合用于对镁合金高温抗蠕变性能要求较高的工程领域。

本发明的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，通过熔炼的方法向镁合金中复合添加稀土元素(Sm、Nd、Gd、Er)，碱土元素(Ca)以及其他元素(Ag、Zr)，对合金进行改性，并将得到的铸态合金进行热处理，跟现有技术相比，该制备方法工艺简单，操作方便，所得合金显微组织均匀，具有良好的抗蠕变性能，适合大规模工业化生产。

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。

实施例1

本实施例的抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：2.5％Sm，1.8％Nd，2.7％Gd，1.5％Zr，0.9％Ca，1.2％Ag，0.5％Sb，0.4％Er，余量为Mg和不可避免的杂质。

本实施例的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将原料纯镁、纯银、纯锑与中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca置于200℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为2h；

2)将预热后的纯镁、纯银、纯锑在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，加热至740℃时加入中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca，保温10min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；后升温至760℃后停止升温，搅拌均匀，再降温至720℃并保温5min，得合金液；

3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模具的预热温度为280℃；

4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为530℃，保温时间为8h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖上进行，防止氧化燃烧)，后用85℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为220℃，保温时间为16h，后空冷至室温，即得所述的抗蠕变稀土镁合金。

实施例2

本实施例的抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：3.6％Sm，1.1％Nd，1.3％Gd，1.7％Zr，1.1％Ca，0.7％Ag，0.7％Sb，0.9％Er，余量为Mg和不可避免的杂质。

本实施例的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将原料纯镁、纯银、纯锑与中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca置于220℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为1.5h；

2)将预热后的纯镁、纯银、纯锑在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，加热至730℃时加入中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca，保温10min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；后升温至750℃后停止升温，搅拌均匀，再降温至710℃并保温8min，得合金液；

3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模具的预热温度为250℃；

4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为540℃，保温时间为9h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖上进行，防止氧化燃烧)，后用90℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为210℃，保温时间为18h，后空冷至室温，即得所述的抗蠕变稀土镁合金。

实施例3

本实施例的抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：4.2％Sm，0.3％Nd，3.1％Gd，2.1％Zr，0.2％Ca，0.3％Ag，0.9％Sb，0.3％Er，余量为Mg和不可避免的杂质。

本实施例的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将原料纯镁、纯银、纯锑与中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca置于210℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为2h；

2)将预热后的纯镁、纯银、纯锑在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，加热至735℃时加入中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca，保温10min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；后升温至755℃后停止升温，搅拌均匀，再降温至715℃并保温6min，得合金液；

3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模具的预热温度为270℃；

4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为545℃，保温时间为8h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖上进行，防止氧化燃烧)，后用95℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为230℃，保温时间为15h，后空冷至室温，即得所述的抗蠕变稀土镁合金。

实施例4

本实施例的抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：4.9％Sm，0.6％Nd，0.7％Gd，1.9％Zr，0.5％Ca，0.9％Ag，1.1％Sb，0.5％Er，余量为Mg和不可避免的杂质。

本实施例的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将原料纯镁、纯银、纯锑与中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca置于200℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间为1.5h；

2)将预热后的纯镁、纯银、纯锑在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，加热至740℃时加入中间合金Mg-Nd、中间合金Mg-Gd、中间合金Mg-Sm、中间合金Mg-Er、中间合金Mg-Zr、中间合金Mg-Ca，保温10min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；后升温至750℃后停止升温，搅拌均匀，再降温至720℃并保温7min，得合金液；

3)将步骤2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模具的预热温度为300℃；

4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为535℃，保温时间为10h(固溶处理在氧化镁粉末覆盖上进行，防止氧化燃烧)，后用85℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为220℃，保温时间为17h，后空冷至室温，即得所述的抗蠕变稀土镁合金。

实施例5

本实施例的抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：3.4％Sm，2.1％Nd，1.6％Gd，1.2％Zr，1.4％Ca，0.5％Ag，0.8％Sb，0.4％Er，余量为Mg和不可避免的杂质。

本实施例的抗蠕变稀土镁合金的制备方法同实施例1。

实施例6

本实施例的抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5.8％Sm，0.9％Nd，0.5％Gd，2.3％Zr，0.8％Ca，1.4％Ag，0.3％Sb，0.8％Er，余量为Mg和不可避免的杂质。

本实施例的抗蠕变稀土镁合金的制备方法同实施例1。

实验例

本实验例对实施例1-6所得抗蠕变镁合金的性能进行检测，结果见表1。

表1 实施例1-6所得抗蠕变镁合金的性能检测结果

蠕变测试条件：蠕变温度为250℃，应力为100MPa条件下100小时。

从表1可以看出，实施例1-6所得抗蠕变镁合金在室温和250℃条件下均具有较高的抗拉强度和屈服强度，同时在250℃/100MPa蠕变条件下，蠕变量不大于0.19％，稳态蠕变速率不大于6.18×10^-9s^-1。实验结果表明，本发明的抗蠕变镁合金在室温～250℃范围内具有良好的高温抗拉强度和抗蠕变性能。

Claims

1.一种抗蠕变稀土镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：2％～6％Sm，0.2％～2.2％Nd，0.5％～1.6％Gd，1.2％～2.4％Zr，0.2％～1.5％Ca，0.2％～1.4％Ag，0.3％～1.1％Sb，0.2％～1.3％Er，余量为Mg和不可避免的杂质；

该抗蠕变稀土镁合金是由包括下列步骤的方法制备的：

3)将步骤2)所得合金液浇注至模具中，得铸态合金；

4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，即得；

所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为530℃～545℃，保温时间为8h～10h；后用热水淬火至室温，所述热水的温度为85℃～95℃；所述固溶处理在氧化镁粉末覆盖上进行，防止氧化燃烧；所述时效处理的温度为210℃～230℃，保温时间为15h～18h；后空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的抗蠕变稀土镁合金，其特征在于：所述Sm、Nd、Gd、Er的质量百分比之和为6％～8％。

3.一种如权利要求1所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

3)将步骤2)所得合金液浇注至模具中，得铸态合金；

4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，即得；

4.根据权利要求3所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述预热的温度为200℃～220℃，预热时间为1.5h～2h。

5.根据权利要求3所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：步骤2)中，在710℃～720℃的保温时间为5min～8min。

6.根据权利要求3所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述模具为金属模具；模具使用前进行预热，预热温度为250℃～300℃。