CN107164677B - 一种耐热抗蠕变镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种耐热抗蠕变镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐热抗蠕变镁合金及其制备方法，属于金属材料及冶金领域。本发明中的耐热抗蠕变镁合金，主要由以下质量百分比的组分组成：7～8％Sm，0.7～0.9％Nd，1.5～2.0％Zn，1.0～1.3％Ca，1.2～1.5％Mn，1.1～1.3％Al，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明中的镁合金在高温下具有很好的抗拉强度和良好的抗蠕变性能，具有良好的应用前景。

Description

一种耐热抗蠕变镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐热抗蠕变镁合金及其制备方法，属于金属材料及冶金领域。
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，镁合金的强度和耐热性能不佳，严重阻碍其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的应用，因此提高镁合金的强度和耐热性能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。目前的商业耐热镁合金如WE54，其存在的主要不足是耐热性能不够稳定，高温时强度下降较多，还不能完全满足航空航天、军工、汽车及其它行业在较宽的作业温度范围，特别是在200℃-300℃下使用时对强度稳定性的更高要求。
授权公布号为CN101353747B的发明专利公开了一种压铸耐热镁合金，该合金包含的组分及其重量百分比为：1.5-6.0％Sm，0-3.0％Nd，0-2.5％Ca，0.1-2.0％Zn，0.2-0.8％Zr，杂质元素Fe<0.005％，Cu<0.015％，Ni<0.002％，其余为Mg。该镁合金在200℃下所能达到的抗拉伸强度最高为202MPa、屈服强度为136MPa，但该镁合金仍不能满足现在对镁合金更高温度条件下(200～300℃)的应用需求，而且其蠕变只公开到200℃，80MPa条件下的测试结果，最低的蠕变量也达到了0.05％，对于更高温度和受力条件下的蠕变测试，该发明并未提供，总体而言该镁合金并不能很好适用于高温条件下(200～300℃)应用，存在使用范围上诸多局限性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种耐热抗蠕变镁合金，该镁合金在高温下具有很好的抗拉强度和良好的抗蠕变性能。
本发明的另一个目的在于提供一种上述耐热抗蠕变合金的制备方法。
本发明的耐热抗蠕变镁合金，主要由以下质量百分比的组分组成：7～8％Sm，0.7～0.9％Nd，1.5～2.0％Zn，1.0～1.3％Ca，1.2～1.5％Mn，1.1～1.3％Al，余量为Mg和不可避免的杂质。
上述不可避免的杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni；Si、Fe、Cu、Ni的质量百分比之和小于0.015％。
上述耐热抗蠕变镁合金的制备方法，包括步骤：
(1)将镁、铝、锌及镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金分别单独预热；
(2)在CO2与SF6混合气体氛围中，将步骤(1)中预热后的镁、铝、锌熔化，加热至740～750℃时，加入步骤(1)中预热后的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金，待中间合金全部熔化，搅拌均匀，保温20～25分钟，然后降温至710～720℃，保温3～5分钟得合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中所得的合金浇铸液进行浇铸，得铸态合金；
(4)对步骤(3)中所得的铸态合金进行热处理，即得耐热抗蠕变镁合金。
上述步骤(1)中所述的预热温度为200～220℃。
上述步骤(1)中的预热时间为2小时。
上述步骤(1)中镁钐中间合金中钐的质量为镁钐中间合金质量的25％、镁钕中间合金中钕的质量为镁钕中间合金质量的30％、镁钙中间合金中钙的质量为镁钙中间合金质量的22％、镁锰中间合金中锰的质量为镁锰中间合金质量的25％。
上述步骤(2)中待中间合金全部熔化后去除表面浮渣。
上述步骤(2)中CO2与SF6的体积比为：99:1。
上述步骤(3)中浇铸前对浇铸模具预热，模具预热温度为280～300℃。
上述步骤(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。
上述固溶处理为先保温处理，保温温度为530～540℃，处理时间为8～12小时，然后淬火处理。
上述淬火处理为以热水为介质进行淬火处理并降至室温，其中热水温度为85～95℃。
上述固溶处理时在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧。
上述时效处理温度为220～240℃，处理时间为16～17小时。
上述时效处理过程中，空冷至室温。
本发明的有益效果：
本发明合金采用稀土元素Sm作为镁合金高温力学性能改善的第一组分，Sm在Mg合金中的固溶度较大，经过固溶处理和时效处理能够起到良好的时效析出强化和固溶强化效果。本发明中的耐热抗蠕变镁合金同样添加了稀土元素Nd，充分发挥各稀土元素的协调配合作用，增加了稀土的时效析出强化效应，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。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加入量不宜过高。镁合金加入少量的Mn能够提高合金的塑性和铸造性能，少量Al的添加能够显著细化合金显微组织，是提高镁合金耐热性能的重要元素，镁合金加入少量的Zn能够提高合金的塑性和高温热稳定性。
本发明综合利用稀土元素(Sm、Nd)，碱土元素Ca及其他元素(Zn、Mn、Al)，对合金进行性能改进，并将得到的铸态合金进行固溶处理和时效处理，跟现有技术相比，本合金制备工艺简单，具有良好的耐热性能。
与现有应用的镁合金相比，本发明具有实质性特点和显著进步，本发明熔炼及热处理工艺简单，显微组织均匀，合金力学性能和耐热性能得到显著提高。
本发明在添加稀土元素Sm作为第一组元的基础上，引入适量稀土元素Nd，碱土元素Ca及其他元素(Zn、Mn、Al)，通过多组元微合金化的方法对Mg-Sm合金进行改性，并将得到的铸态合金进行固溶处理和时效处理，跟现有技术相比，本发明所制备的耐热抗蠕变镁合金具有优异的高温抗拉强度和抗蠕变性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明具体实施方式中涉及到的原料纯镁、纯铝、纯锌，镁钐中间合金及镁钕中间合金，镁钙中间合金、镁锰中间合金均为市售产品，其中，镁钐中间合金中钐的质量为镁钐中间合金质量的25％、镁钕中间合金中钕的质量为镁钕中间合金质量的30％、镁钙中间合金中钙的质量为镁钙中间合金质量的22％、镁锰中间合金中锰的质量为镁锰中间合金质量的25％。
实施例1
本实施例中耐热抗蠕变镁合金由以下质量百分比的组分组成：7％Sm，0.8％Nd，1.8％Zn，1.0％Ca，1.5％Mn，1.1％Al，余量为Mg和不可避免的杂质。不可避免的杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni；Si、Fe、Cu、Ni的质量百分比之和小于0.015％。
本实施例中的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，包括步骤：
(1)将配方量的纯镁、纯铝、纯锌及镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金分别置于200℃的干燥箱中进行单独预热，预热时间为2小时；
(2)在CO2与SF6混合气体氛围中，将步骤(1)中预热后的镁、铝、锌熔化，加热至740℃时，加入步骤(1)中预热后的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金，待中间合金全部熔化后除去表面浮渣，搅拌均匀，保温20分钟，然后降温至720℃，静止5分钟，得合金浇铸液；其中，CO2与SF6的体积比为：99:1；
(3)将步骤(2)中所得的合金浇铸液进行浇铸，得铸态合金；其中，浇铸前对模具进行预热，预热温度为280℃；
(4)对步骤(3)中所得的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理是将氧化镁粉末覆盖步骤(3)中所得的铸态合金进行的固溶处理，处理温度为530℃，处理时间为8小时，然后以热水为介质进行淬火处理降至室温，其中热水的温度为85℃，时效处理温度为220℃，处理时间为16小时，空冷至室温，即得耐热抗蠕变镁合金。
实施例2
本实施例中耐热抗蠕变镁合金由以下质量百分比的组分组成：7.5％Sm，0.7％Nd，2.0％Zn，1.3％Ca，1.2％Mn，1.3％Al，余量为Mg和不可避免的杂质。不可避免的杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni；Si、Fe、Cu、Ni的质量百分比之和小于0.015％。
本实施例中的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，包括步骤：
(1)将配方量的纯镁、纯铝、纯锌及镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金分别置于210℃的干燥箱中进行单独预热，预热时间为2小时；
(2)在CO2与SF6混合气体氛围中，将步骤(1)中预热后的镁、铝、锌熔化，加热至750℃时，加入步骤(1)中预热后的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金，待中间合金全部熔化后除去表面浮渣，搅拌均匀，保温25分钟，然后降温至710℃，静止3分钟，得合金浇铸液；其中，CO2与SF6的体积比为：99:1；
(3)将步骤(2)中所得的合金浇铸液进行浇铸，得铸态合金；其中，浇铸前对模具进行预热，预热温度为290℃；
(4)对步骤(3)中所得的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理是将氧化镁粉末覆盖步骤(3)中所得的铸态合金进行的固溶处理，处理温度为540℃，处理时间为10小时，然后以热水为介质进行淬火处理降至室温，其中热水的温度为90℃，时效处理温度为230℃，处理时间为17小时，空冷至室温，即得耐热抗蠕变镁合金。
实施例3
本实施例中耐热抗蠕变镁合金由以下质量百分比的组分组成：7.8％Sm，0.9％Nd，1.9％Zn，1.2％Ca，1.5％Mn，1.3％Al，余量为Mg和不可避免的杂质。不可避免的杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni；Si、Fe、Cu、Ni的质量百分比之和小于0.015％。
本实施例中的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，包括步骤：
(1)将配方量的纯镁、纯铝、纯锌及镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金分别置于210℃的干燥箱中进行单独预热，预热时间为2小时；
(2)在CO2与SF6混合气体氛围中，将步骤(1)中预热后的镁、铝、锌熔化，加热至740℃时，加入步骤(1)中预热后的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金，待中间合金全部熔化后除去表面浮渣，搅拌均匀，保温20分钟，然后降温至710℃，静止4分钟，得合金浇铸液；其中，CO2与SF6的体积比为：99:1；
(3)将步骤(2)中所得的合金浇铸液进行浇铸，得铸态合金；其中，浇铸前对模具进行预热，预热温度为300℃；
(4)对步骤(3)中所得的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理是将氧化镁粉末覆盖步骤(3)中所得的铸态合金进行的固溶处理，处理温度为530℃，处理时间为11小时，然后以热水为介质进行淬火处理降至室温，其中热水的温度为90℃，时效处理温度为220℃，处理时间为17小时，空冷至室温，即得耐热抗蠕变镁合金。
实施例4
本实施例中耐热抗蠕变镁合金由以下质量百分比的组分组成：8％Sm，0.7％Nd，1.8％Zn，1.2％Ca，1.3％Mn，1.1％Al，余量为Mg和不可避免的杂质。不可避免的杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni；Si、Fe、Cu、Ni的质量百分比之和小于0.015％。
本实施例中的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，包括步骤：
(1)将配方量的纯镁、纯铝、纯锌及镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金分别置于220℃的干燥箱中进行单独预热，预热时间为2小时；
(2)在CO2与SF6混合气体氛围中，将步骤(1)中预热后的镁、铝、锌熔化，加热至750℃时，加入步骤(1)中预热后的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金，待中间合金全部熔化后除去表面浮渣，搅拌均匀，保温25分钟，然后降温至720℃，静止5分钟，得合金浇铸液；其中，CO2与SF6的体积比为：99:1；
(3)将步骤(2)中所得的合金浇铸液进行浇铸，得铸态合金；其中，浇铸前对模具进行预热，预热温度为300℃；
(4)对步骤(3)中所得的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理是将氧化镁粉末覆盖步骤(3)中所得的铸态合金进行的固溶处理，处理温度为540℃，处理时间为12小时，然后以热水为介质进行淬火处理降至室温，其中热水的温度为95℃，时效处理温度为240℃，处理时间为16小时，空冷至室温，即得耐热抗蠕变镁合金。
实施例5
本实施例中耐热抗蠕变镁合金由以下质量百分比的组分组成：8％Sm，0.7％Nd，1.5％Zn，1.2％Ca，1.3％Mn，1.1％Al，余量为Mg和不可避免的杂质。不可避免的杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni；Si、Fe、Cu、Ni的质量百分比之和小于0.015％。
本实施例中的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，包括步骤：
(1)将配方量的纯镁、纯铝、纯锌及镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金分别置于220℃的干燥箱中进行单独预热，预热时间为2小时；
(2)在CO2与SF6混合气体氛围中，将步骤(1)中预热后的镁、铝、锌熔化，加热至750℃时，加入步骤(1)中预热后的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金，待中间合金全部熔化后除去表面浮渣，搅拌均匀，保温25分钟，然后降温至720℃，静止5分钟，得合金浇铸液；其中，CO2与SF6的体积比为：99:1；
(3)将步骤(2)中所得的合金浇铸液进行浇铸，得铸态合金；其中，浇铸前对模具进行预热，预热温度为300℃；
(4)对步骤(3)中所得的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理是将氧化镁粉末覆盖步骤(3)中所得的铸态合金进行的固溶处理，处理温度为540℃，处理时间为12小时，然后以热水为介质进行淬火处理降至室温，其中热水的温度为95℃，时效处理温度为240℃，处理时间为16小时，空冷至室温，即得耐热抗蠕变镁合金。
试验例
对实施例1～5中的耐热抗蠕变镁合金进行抗拉强度、屈服强度和抗蠕变测试，测试结果分别列于表1、表2和表3。其中，表2中的蠕变性能测试条件为：蠕变温度为200℃，应力为80MPa条件下100小时。表3中的蠕变性能测试条件为：蠕变温度为250℃，应力为100MPa条件下100小时。
表1实施例1～5中耐热抗蠕变镁合金高温拉伸力学性能
表2实施例1～5中耐热抗蠕变镁合金的蠕变性能
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
蠕变量 0.009％ 0.011％ 0.010％ 0.008％ 0.009％
蠕变速率(×10-10s-1) 3.103 3.718 3.324 2.705 3.103
表3实施例1～5中耐热抗蠕变镁合金的蠕变性能
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
蠕变量 0.195％ 0.216％ 0.208％ 0.182％ 0.199％
蠕变速率(×10-9s-1) 6.343 7.026 6.765 5.921 6.407
从表1中可以看出，本发明的耐热抗蠕变镁合金在200℃条件下的抗拉伸强度269MPa～281MPa，屈服强度195MPa～211MPa，250℃条件下的抗拉伸强度203MPa～216MPa，屈服强度155MPa～167MPa，300℃条件下的抗拉伸强度163MPa～171MPa，屈服强度117MPa～125MPa，说明本申请中的耐热抗蠕变镁合金具有很好的耐热性能。
通过蠕变温度为200℃，应力为80MPa条件下100小时的测试，从表2中可以看出，蠕变量为0.008％，通过蠕变温度为250℃，应力为100MPa条件下100小时的测试，从表3中可以看出蠕变量为0.182％，进一步说明本发明的耐热抗蠕变镁合金具有在200～300℃工况条件下应用的前景，也进一步证明了本发明中对各组分量之间的合理设计，充分利用不同元素对析出相形成、生长及分布的影响，保证了各组分之间互相协同，具体地使得稀土元素(Sm、Nd)，碱土元素Ca及其他元素(Zn、Mn、Al)的多组元合金化并对镁合金相结构的合理析出、显微组织的优化及高温抗拉及蠕变性能的改善具有决定性的作用。稀土元素Sm和Nd复合添加的固溶及耐热强化相优化析出效果、Ca和Al的细化晶粒及弥散强化效果、Zn和Mn固溶改善塑性及耐热性能效果以及多组元协同提高镁合金耐热抗蠕变性能效果共同对合金的高温力学性能改善起到决定性作用，使得其具有更好的高温抗拉及抗蠕变性能，提高了其应用价值，具有良好的应用前景。

Claims (9)

1.一种耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：7～8%Sm，0.7～0.9%Nd，1.5～2.0%Zn，1.0～1.3%Ca，1.2～1.5%Mn，1.1~1.3%Al，余量为Mg和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的耐热抗蠕变镁合金，其特征在于，所述不可避免的杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni；Si、Fe、Cu、Ni的质量百分比之和小于0.015%。
3.一种如权利要求1所述的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，其特征在于，包括步骤：
（1）将镁、铝、锌及镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金分别单独预热；
（2）在CO2与SF6混合气体氛围中，将步骤（1）中预热后的镁、铝、锌熔化，加热至740～750℃时，加入步骤（1）中预热后的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁锰中间合金，待中间合金全部熔化，搅拌均匀，保温20～25分钟，然后降温至710～720℃，保温3～5分钟得合金浇铸液；
（3）将步骤（2）中所得的合金浇铸液进行浇铸，得铸态合金；
（4）对步骤（3）中所得的铸态合金进行热处理，即得耐热抗蠕变镁合金。
4.如权利要求3所述的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的预热温度为200～220℃。
5.如权利要求3所述的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）中浇铸前对浇铸模具预热，模具预热温度为280～300℃。
6.如权利要求3所述的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，其特征在于，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。
7.如权利要求6所述的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理为先保温处理，保温温度为530～540℃，处理时间为8～12小时，然后淬火处理。
8.如权利要求7所述的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，其特征在于，所述淬火处理为以热水为介质进行淬火处理并降至室温，其中热水温度为85～95℃。
9.如权利要求6所述的耐热抗蠕变镁合金的制备方法，其特征在于，上述时效处理温度为220～240℃，处理时间为16～17小时。
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