CN105908039B - 一种钇铈镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型钇铈镁合金及其制备方法，制得的该合金是由以下重量百分比的组分组成：稀土元素Y：2.5％～3.5％、稀土元素Ce：0.7％～2.0％、Ca：0.5％～1.0％、Zr：0.3％～0.8％，余量为镁和微量杂质，组分的百分比之和为100％。其制备方法是通过气体保护熔炼并经过一定的热处理工艺，其室温抗拉强度，屈服强度和延伸率等力学性能优良，具有更为经济的成本，可批量生产应用。

Description

一种钇铈镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金及其制备方法，具体涉及一种的钇铈镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的工程结构材料，具有比重小、比强度和比刚度高、减振性好和易于回收等优点，用于机动车壳体可以减轻自重，节省能源，被誉为21世纪绿色工程金属结构材料。但是，镁合金易氧化,常温条件下只有三个基面滑移系，难以发生塑性变形，且高温条件下极容易燃烧。目前镁合金的成型方式大多数为铸造成型，这极大的限制了镁合金在工业中更广泛地应用。因此,新型阻燃大变形镁合金材料的开发已经成为镁合金研究和开发的主要方向之一。而常用的AZ和AM系的合金无法保证其强度和塑性同时提高, 难以满足镁合金板材的大变形轧制成型要求。近年来稀土AE系镁合金发展迅速，解决了很多性能不足的问题，但是合金中稀土元素总量均超过8％，有的甚至达到20％以上，增加了合金的成本。在保证合金性能的基础上，加入低廉的其他合金元素，实现共同强化的效果，已经成为新型镁合金开发的热点，也具有十分重要的现实意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种钇铈镁合金及其制备方法，制得的该钇铈镁合金强度塑性均可满足生产要求，性能良好，且经济成本低，可以大批量生产。

为实现上述任务，本发明采用的技术方案是：

一种钇铈镁合金，其特征在于：制得的该钇铈镁合金由以下重量百分比的组分组成：稀土元素Y：2.5％～3.5％、稀土元素Ce：0.7％～2.0％、Ca：0.5％～ 1.0％、Zr：0.3％～0.8％，余量为镁和微量杂质，组分的百分比之和为100％。

作为优选，上述组分的重量百分比组成为：稀土元素Y：3％，稀土元素Ce：1.5％，Ca：0.9％，Zr：0.6％，余量为镁和极微量的杂质。

所述稀土元素Y，稀土元素Ce的质量百分比之和为3.2％～5.5％。

上述钇铈镁合金的制备方法，其特征在于，采用井式电阻坩埚加热炉，在CO₂+SF₆混合气体的保护下熔炼，熔炼过程是：

先将电阻感应炉温升至740℃～750℃，加入经过预热至200℃的纯Mg，并通入保护CO₂+SF₆混合气体，其中，CO₂的通入量为130ml/min，SF₆的通入量为20ml/min；

待纯镁完全熔化后，依次加入中间合金Mg-30％Ce、Mg-30％Ca和Mg-30％Y，待中间合金完全熔化后，温度升至760℃～780℃，将SF₆由20ml/min调为 40ml/min，加入中间合金Mg-30％Zr，并立即扒渣，之后搅拌3min；

持续通入调整SF₆后的CO₂+SF₆混合气体，静置3min后，加入精炼剂，精炼剂含量为6％的六氯乙烷；再按常规方法通入氩气精炼6～10min；

精炼完成后780℃条件下保温静置20min，将温度降低到720℃，进行浇铸，即获得铸态钇铈镁合金。

与现有的技术相比，本发明制备工艺简单、成分合理，所制备的含钇铈的镁合金具有优良的综合力学性能，价格相对低廉且具有优良的塑性和优异的高温强度。以制备的Mg-3Y-1.5Ce-0.9Ca-0.6Zr铸态钇铈镁合金为例，其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别是195.35MPa、117.49MPa和21％。

附图说明

图1是本发明制备的钇铈镁合金的铸态组织扫描图。

以下结合附图和实施例和具体的工艺过程对本发明作进一步细详的说明，本发明不限于下述的实施例。

具体实施方式

本发明制得的钇铈镁合金由以下重量百分比的组分组成：稀土元素Y： 2.5％～3.5％、稀土元素Ce：0.7％～2.0％、Ca：0.5％～1.0％、Zr：0.3％～0.8％，余量为镁和微量杂质，组分的百分比之和为100％。

制备原理和优势如下：

高温下熔炼钇铈镁合金，合金液面可能发生如下化学反应:

2Mg(l)+O₂(g)＝2MgO(s) (1)

4/3Y(l)+O₂(g)＝2/3Y₂O₃(s) (2)

4/3Ce(l)+O₂(g)＝2/3Ce₂O₃(s) (3)

2Y(l)+3MgO(s)＝Y₂O₃(s)+3Mg(l) (4)

2Ce(l)+3MgO(s)＝Ce₂O₃(s)+Mg(l) (5)

2Y(l)+Ce₂O₃(s)＝Y₂O₃(s)+2Ce(l) (6)

以固态纯物质为标准态，以摩尔分数代替元素活度，用气体体积分数代替气体活度。在反应起始时，取活度α(MgO)＝α(Ce₂O₃)＝α(Y₂O₃)＝1,α (Mg)＝[Mg]_mole＝0.98534,α(Y)＝[Y]_mole＝0.00972,α(Ce)＝[Ce]_mole＝0.00240,α (O₂)＝[O₂]_mole＝0.25。计算温度为1033K。

将参数代入式(1)～(6)得式(7)～(15)：

从式(7)、(9)和(11)可知，开始时Mg、Ce和Y三种元素均有可能发生氧化。另一方面，根据式(8)、(10)和(12)中各氧化物分解压的计算，MgO、Y₂O₃、Ce₂O₃分解压的大小顺序为P⁰(MgO)>P⁰(Ce₂O₃)>P⁰(Y2O3)。按热力学规律，此时合金将分层氧化，即氧化膜外层氧压高生成的氧化物其分解压也大，氧化膜内层氧压低生成的氧化物其分解压也低。所以，对钇铈镁合金来说，将按这样顺序来氧化：最外层是MgO，其次是Ce₂O₃，最内层是 Y₂O₃，形成初始的氧化膜。氧化膜继续生长，根据式(13)和(15)，Y与MgO、Ce₂O₃发生如式(4)和(6)所示的置换反应生成Y₂O₃。

初始形成的MgO和Ce₂O₃都不能稳定存在，将瞬间发生置换反应生成Y₂O₃；此后随着反应的继续进行，Y含量越来越低，从而形成了Y₂O₃+MgO的外层氧化膜，并在内部形成MgO的氧化膜，双层氧化膜均匀而又致密，具有较好的阻燃保护作用。从热力学计算结果可知，0>ΔG⁰(MgO)>ΔG⁰(Ce₂O₃)>ΔG⁰ (Y₂O₃)，Ce完全满足第三元素的热力学条件,因此在钇铈镁合金的氧化膜形成过程中，Ce元素起到了“吸气剂”的作用，抑制氧向合金内部扩散，从而抑制了Y元素的内氧化，提升了镁合金的阻燃性，使镁合金能够高温条件下发生变形，从而激活镁合金的锥面滑移系和棱柱面滑移系而提升镁合金的塑性。

此外，Zr元素作为晶粒细化剂，在凝固形核过程中抑制了α-Mg的长大，从而使合金的晶粒更加细小均匀，在提升合金塑性的同时保证了合金的强度。

以下是发明人给出的具体实施例。

实施例：

本实施例给出一种含钇铈的镁合金，采用纯Mg和中间合金Mg-30％Y， Mg-30％Ce，Mg-30％Ca，Mg-30％Zr为原料熔炼铸造而成。

一级纯镁锭：纯度≧99.98％；

中间合金为Mg-30％Y、Mg-30％Ce、Mg-30％Ca、Mg-30％Zr，杂质含量≦ 0.1wt％。

本实施例中的含钇铈的镁合金的组成(重量百分比)为：稀土元素Y： 3％、稀土元素Ce：1.5％、Ca：0.9％、Zr：0.6％，其余为Mg，组分的百分比之和为100％。

该含钇铈的镁合金的熔炼工艺为：按照上述组分配制含钇铈镁合金，含钇铈镁合金在熔炼前进行预热处理，将一级纯镁锭、中间合金Mg-30％Y、 Mg-30％Ce、Mg-30％Ca、Mg-30％Zr在保温箱内预热到200℃，保温30min。

熔炼采用井式电阻坩埚加热炉，待炉温升至740℃～750℃，通入 CO₂(130ml/min)和SF₆(20ml/min)的混合保护气氛，将经过预热至200℃的一级纯镁锭置入加热炉膛内的坩埚中，待其熔化后依次加入中间合金 Mg-30％Ce、Mg-30％Ca和Mg-30％Y，待这些中间合金完全熔化后，对熔液液面浮渣进行清除。将炉温调至780℃，将SF₆的气体流量调至40ml/min，温度稳定后再加入中间合金Mg-30％Zr，立即扒渣，然后搅拌3min，持续通入调整SF₆后的CO₂+SF₆混合气体，静置3min。然后加入精炼剂，精炼剂含量为 6％的六氯乙烷，此后继续对熔液进行常规的吹Ar精炼，搅拌6min，精炼后搅拌后扒渣，再将炉膛温度上升至780℃并且保温静置20min，而后将熔液随炉冷却至720℃，扒渣浇铸，浇铸使用的模具为事先在保温箱内经过220℃预热30min的低碳钢钢制模具，浇铸前应对模具进行清理，浇铸完成3min 后开模取出铸锭并进行水冷。得到Mg-3Y-1.5Ce-0.9Ca-0.6Zr钇铈镁合金。

本实施例制备的铸态钇钐镁合金的铸态组织扫描图如图1所示，经检测，其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别是195.35MPa、117.49MPa和 21％。

Claims (4)

1.一种钇铈镁合金，其特征在于：制得的该钇钐镁合金由以下重量百分比的组分组成：稀土元素Y：2.5％～3.5％、稀土元素Ce：1.5％、Ca：0.5％～1.0％、Zr：0.3％～0.8％，余量为镁和微量杂质，组分的百分比之和为100％。

2.如权利要求1所述的钇铈镁合金，其特征在于，所述稀土元素Y和稀土元素Ce的质量百分比之和为4％～5％。

3.如权利要求1或2所述的钇铈镁合金，其特征在于，制得的该镁合金由以下重量百分比的组分组成：稀土元素Y：3％，稀土元素Ce：1.5％，Ca：0.9％，Zr：0.6％，余量为镁和微量杂质。

4.权利要求1至3其中之一所述的钇铈镁合金的制备方法，其特征在于，采用井式电阻坩埚加热炉，在CO₂+SF₆混合气体的保护下熔炼，熔炼过程是：

先将电阻感应炉温升至740℃～750℃，加入经过预热至200℃的纯Mg，并通入保护CO₂+SF₆混合气体，其中，CO₂的通入量为130ml/min，SF₆的通入量为20ml/min；

待纯镁完全熔化后，依次加入中间合金Mg-30％Ce、Mg-30％Ca和Mg-30％Y，待中间合金完全熔化后，温度升至760℃～780℃，将SF₆由20ml/min调为40ml/min，加入中间合金Mg-30％Zr，并立即扒渣，之后搅拌3min；

持续通入调整SF₆后的CO₂+SF₆混合气体，静置3min后，加入精炼剂，精炼剂含量为6％的六氯乙烷；再按常规方法通入氩气精炼6～10min；

精炼完成后780℃条件下保温静置20min，将温度降低到720℃，进行浇铸，即获得铸态钇铈镁合金。