CN105349863A

CN105349863A - 一种可制备大尺寸铸锭的高强度稀土镁合金及方法

Info

Publication number: CN105349863A
Application number: CN201510934175.4A
Authority: CN
Inventors: 薛志勇; 任宇
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2016-02-24

Abstract

本发明公开了金属合金材料制备技术领域的一种可制备大尺寸铸锭的高强度稀土镁合金及方法，按质量百分比，其主要成分为：7.5～10％Gd，2.5～5.0％Y，0.8～1.5％Zn，0.3～0.6％Zr，不可避免的杂质≤0.2％，余量为Mg。本发明所述的高强度稀土镁合金，铸造性能优良，抗拉强度优异，同时具有较高的屈服强度以及较好的延伸率。所铸造出的直径Φ600mm的大尺寸该合金铸锭无热裂现象，经均匀化处理后，其抗拉强度高于210MPa，屈服强度高于135MPa，延伸率大于3.5％，性能稳定，可以满足航空航天、汽车、电子等领域对于镁合金性能的要求。

Description

一种可制备大尺寸铸锭的高强度稀土镁合金及方法

技术领域

本发明属于金属合金材料制备技术领域，特别涉及一种可制备大尺寸铸锭的高强度稀土镁合金及方法。

背景技术

镁作为最轻的金属结构材料，其合金在航天航天、汽车、电子领域有着非常重要的应用，汽车部件采用镁合金能较大幅度的降低车体质量，同时减少尾气排放，节约能耗；笔记本、手机等电子产品的外壳可用镁合金代替，不仅外观美观，而且可减少其质量，增加用户的好感。镁是HCP结构，强度低，同时表现出显著的各向异性。通过添加不同的合金元素能大幅度提高镁合金强度，改善其延伸率，减小各向异性。

镁合金中添加的合金元素分为非稀土元素和稀土元素两类，其中添加的非稀土元素主要有Al、Zn、Zr、Mn等，如牌号为AZ31、AZ91、AM60、M2M、ZK61等的镁合金，其主要成分为Al、Zn、Mn等。Al、Zn、Mn等对镁合金的强度及韧性有改善作用；Zr能细化合金晶粒，进而提高镁合金强度。

镁合金中添加的稀土元素主要包括Y、Gd、Nd、La、Ce、Sm等，稀土元素对镁合金强度和延伸率提升很大，如牌号为ME20M的镁合金。主要的稀土镁合金体系有Mg-Gd系、Mg-Y系、Mg-Gd-Y系、Mg-La系等。由于La系等稀土元素价格昂贵，所以镁稀土系合金均尽量减少这类元素的含量。同时为了提升镁合金的机械性能，加入一些非稀土元素保证较高的强度和延伸率。目前商业上应用较多的稀土镁合金为WE43合金，但其存在强度较低，且无法制备大尺寸铸锭等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可制备大尺寸铸锭的高强度稀土镁合金及方法，其特征在于，所述可制备大尺寸铸锭的高强度稀土镁合金，按质量百分比，由以下组分组成：7.5～10％Gd，2.5～5.0％Y，0.8～1.5％Zn，0.3～0.6％Zr，杂质元素包含Ca、Cu、Si、Fe和Ni等，杂质元素总量≤0.2％，余量为Mg。

所述高强度稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述稀土镁合金的制备是以纯Mg锭、纯Zn锭、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金为原料熔炼铸造并经过均匀化退火热处理获得。

所述熔炼铸造熔铸工艺为：采用不锈钢坩埚、感应炉，在CO2+SF6(体积比99:1)混合气体保护下进行熔炼，先将纯Mg锭熔化，升温至650～670℃时加入按比例配制好的纯Zn锭及Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金，合金化过程利用电磁力搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；升温至700～750℃时加入精炼剂加入精炼剂，精炼剂用量占炉料总量的1～2％，精炼时间10～30min；精炼完成后降温至650～680℃时静置30～50min，随后向结晶器内进行浇铸，得到直径为600mm的大尺寸镁合金铸锭；随后进行均匀化退火热处理，保温结束后对铸锭进行风冷至室温。

所述原料Mg锭纯度为99.8％，Zn锭纯度95％。Mg-30％Gd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr中间合金纯度99.8％，均为市售产品。

所述均匀化退火热处理是在铸造完成后立即对铸锭进行均匀化退火热处理，均匀化退火热处理的温度为430～450℃，保温时间为3～5小时，保温结束后对铸锭进行风冷至室温。

所述镁合金组分为Mg-Gd-Y-Zn-Zr，稀土元素为Gd和Y，其中Y在镁基体中最大溶解度为12％，为了保证得到优异性能的合金，以及良好的时效析出强化和固溶强化效果，Y的加入量不低于2.5％，但是为了避免合金杂质含量以及降低合金生产成本，Y的加入量不能过高，因而在镁合金组分中稀土Y元素的添加量不高于5％。

所述精炼剂的配方为：在97.5w％的RJ-2精炼剂中加入2.5w％的GdCl₃，其中RJ-2精炼剂为通用镁合金精炼剂，质量百分数组成成分为：MgCl2＝38-46％，KCl＝32-40％，CaF2＝3-5％，BaCl2＝5.5-8.5％，NaCl+CaCl2≤8％，MgO＜1％，不溶物≤1.5％，含水≤3％_。

本发明的有益效果是与现有技术相比，高强度稀土镁合金具有优良的铸造性能，实验结果表明，利用上述熔炼铸造及均匀化退火热处理方法，可铸造出直径Φ600mm的大尺寸镁合金铸锭，且铸锭不发生热裂。同时，均匀化退火热处理后合金具有较高的室温抗拉强度及屈服强度，抗拉强度高于210MPa，屈服强度135MPa。本发明的高强度稀土镁合金可大批量生产，满足航空航天、汽车、电子等领域方面对于镁合金的要求。

附图说明

图1为直径Φ600mm的大尺寸稀土镁合金铸锭。

具体实施方式

本发明提供一种可制备大尺寸铸锭的高强度稀土镁合金及方法，以下通过实施例来详细说明本发明的具体技术方案。

本发明具体实施方式中涉及到的原料有纯Mg锭、纯Zn锭、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金。所述原料Mg锭纯度为99.8％，Zn锭纯度95％。Mg-30％Gd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr中间合金纯度99.8％，均为市售产品。

实施例1

本实施例的高强度稀土镁合金，由以下组分组成：9.8％Gd，2.5％Y，1.4％Zn，0.4％Zr，杂质元素包含Ca、Cu、Si、Fe和Ni等，杂质元素总量＜0.15％，余量为Mg。

本实施例的高强度稀土镁合金由纯Mg锭、纯Zn锭、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金为原料熔炼铸造并经过均匀化退火热处理获得。按组分配置合金，其熔铸工艺为：采用不锈钢坩埚、感应炉，在CO₂+SF₆(体积比99:1)混合气体保护下进行熔炼，先将纯Mg锭熔化，升温至650～670℃时加入按比例配制好的纯Zn锭及Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金，合金化过程利用电磁力搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；升温至710℃时加入精炼剂，该精炼剂配方为：在97.5w％的RJ-2精炼剂中加入2.5w％的GdCl₃，其中RJ-2精炼剂为通用镁合金精炼剂，质量百分数组成成分为：MgCl2＝38-46％，KCl＝32-40％，CaF2＝3-5％，BaCl2＝5.5-8.5％，NaCl+CaCl2≤8％，MgO＜1％，不溶物≤1.5％，含水≤3％_。精炼剂用量占炉料总量的1～2％，精炼时间10～30min；精炼完成后降温至650～680℃时静置30～50min，随后向结晶器内进行浇铸，得到直径为600mm的大尺寸镁合金铸锭，如图1所示。随后进行均匀化退火热处理，温度为430℃，保温时间5小时，保温结束后对铸锭进行风冷至室温。

实施例2

本实施例的高强度稀土镁合金，由以下组分组成：8.5％Gd，3.0％Y，1.0％Zn，0.3％Zr，杂质元素包含Ca、Cu、Si、Fe和Ni等，杂质元素总量＜0.2％，余量为Mg。

本实施例的高强度稀土镁合金由纯Mg锭、纯Zn锭、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金为原料熔炼铸造并经过均匀化热处理获得。按组分配置合金，其熔铸工艺为：采用不锈钢坩埚、感应炉，在CO2+SF6(体积比99:1)混合气体保护下进行熔炼，先将纯Mg锭熔化，升温至650～670℃时加入按比例配制好的纯Zn锭及Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金，合金化过程利用电磁力搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；升温至730℃时加入精炼剂(同实施例1)；所述熔炼铸造熔铸工艺为：采用不锈钢坩埚、感应炉，在CO2+SF6(体积比99:1)混合气体保护下进行熔炼，先将纯Mg锭熔化，升温至650～670℃时加入按比例配制好的纯Zn锭及Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金，合金化过程利用电磁力搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；升温至700～750℃时加入精炼剂，精炼剂用量占炉料总量的1～2％，精炼时间10～30min；精炼完成后降温至650～680℃时静置30～50min，随后向结晶器内进行浇铸，得到直径为600mm的大尺寸镁合金铸锭；随后进行均匀化退火热处理，保温结束后对铸锭进行风冷至室温。精炼剂用量占炉料总量的1～2％，精炼时间10～30min；精炼完成后降温至650～680℃时静置30～50min，随后向结晶器内进行浇铸，得到直径为600mm的大尺寸镁合金铸锭。随后进行均匀化退火热处理，温度为440℃，保温时间3小时，保温结束后对铸锭进行风冷至室温。

实施例3

本实施例的高强度稀土镁合金，由以下组分组成：9.0％Gd，5.0％Y，0.8％Zn，0.6％Zr，杂质元素包含Ca、Cu、Si、Fe和Ni等，杂质元素总量＜0.％，余量为Mg。

本实施例的高强度稀土镁合金由纯Mg锭、纯Zn锭、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金为原料熔炼铸造并经过均匀化热处理获得。按组分配置合金，其熔铸工艺为：采用不锈钢坩埚、感应炉，在CO2+SF6(体积比99:1)混合气体保护下进行熔炼，先将纯Mg锭熔化，升温至650～670℃时加入按比例配制好的纯Zn锭及Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金，合金化过程利用电磁力搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；升温至750℃时加入精炼剂(同实施例1)，精炼剂用量占炉料总量的1～2％，精炼时间10～30min；精炼完成后降温至650～680℃时静置30～50min，随后向结晶器内进行浇铸，得到直径为600mm的大尺寸镁合金铸锭。随后进行均匀化退火热处理，温度为430℃，保温时间3小时，保温结束后对铸锭进行风冷至室温。

实施例

将实施例1-3所得高强度稀土镁合金铸锭进行抗拉强度、屈服强度及延伸率试验，试验方法为：将所得实施例1-3所得高强度稀土镁合金，按照国家标准GB/T228.1-2010加工拉伸试样，在MTS810材料试验机进行拉伸，应变率保持10^-3s^-1不变，至试样拉断。抗拉强度、屈服强度及延伸率如表1所示。

表1实施例1-3的高强度稀土镁合金抗拉强度、屈服强度及延伸率试验结果

由表1可以看出，本发明的高强度稀土镁合金室温抗拉强度高于210MPa，屈服强度高于135MPa，并且延伸率大于3.5％，性能稳定，可以满足航空航天、汽车、电子等领域对于镁合金性能的要求。

Claims

1.一种可制备大尺寸铸锭的高强度稀土镁合金，其特征在于：按质量百分比，由以下组分组成：7.5～10%Gd，2.5～5.0%Y，0.8～1.5%Zn，0.3～0.6%Zr，杂质元素包含Ca、Cu、Si、Fe和Ni，杂质元素总量≤0.2%，余量为Mg。

2.一种权利要求1所述的高强度稀土镁合金制备方法，其特征在于：所述稀土镁合金以纯Mg锭、纯Zn锭、Mg-Gd、Mg-Y及Mg-Zr中间合金为原料熔炼铸造并经过均匀化退火热处理获得。

3.根据权利要求2所述的高强度稀土镁合金制备方法，其特征在于：所述熔炼铸造熔铸工艺为：采用不锈钢坩埚、感应炉，在CO₂+SF₆(体积比99:1)混合气体保护下进行熔炼，先将纯Mg锭熔化，升温至650～670℃时加入按比例配制好的纯Zn锭及Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金，合金化过程利用电磁力搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；升温至700～750℃时加入精炼剂，精炼剂用量占炉料总量的1～2％，精炼时间10～30min；精炼完成后降温至650～680℃时静置30～50min，随后向结晶器内进行浇铸，得到直径为600mm的大尺寸镁合金铸锭；随后进行均匀化退火热处理，保温结束后对铸锭进行风冷至室温。

4.根据权利要求2或3所述的高强度稀土镁合金制备方法，其特征在于：所述均匀化退火热处理的温度为430～450℃，保温时间为3～5小时，保温结束后对铸锭进行风冷至室温。

5.根据权利要求2所述的高强度稀土镁合金制备方法，其特征在于：所述原料Mg锭纯度为99.8%，Zn锭纯度95%；Mg-30%Gd、Mg-30%Y、Mg-30%Zr中间合金纯度为99.8%，均为市售产品。

6.根据权利要求3所述的高强度稀土镁合金制备方法，其特征在于：精炼剂配方为：在97.5w%的RJ-2精炼剂中加入2.5w%的GdCl₃，其中RJ-2精炼剂为通用镁合金精炼剂，质量百分数组成成分为：MgCl₂=38-46%，KCl=32-40%，CaF₂=3-5%，BaCl₂=5.5-8.5%，NaCl+CaCl₂≤8%，MgO＜1%，不溶物≤1.5%，含水≤3%。