CN107400815B

CN107400815B - 一种高性能Mg-Y-Mn-Gd变形镁合金及其制备方法

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Publication number: CN107400815B
Application number: CN201710660789.7A
Authority: CN
Inventors: 周吉学; 唐守秋; 马百常; 王金伟; 吴建华; 王世芳; 王美芳; 刘运腾; 林涛
Original assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2037-08-04
Also published as: CN107400815A

Abstract

本发明涉及镁合金领域，具体为一种Mg‑Y‑Mn‑Gd系镁合金及其制备方法。该镁合金由Y、Mn、Gd、Mg元素组成，各组份质量百分含量为：Y：8.0～12.0%；Mn：0.3～0.5%；Gd：0.2～0.4%；其余为镁和不可避免杂质。该制备方法采用工业纯镁锭、Mg‑Y中间合金、Mg‑Mn中间合金和Mg‑Gd中间合金为原材料，上述原材料经过合金的熔炼与浇铸、合金的挤压加工以及挤压材的双级时效热处理后获得所述镁合金。本发明镁合金具有良好的挤压性能和成形性能，在挤压态条件下可获得优良的塑性，时效处理后可获得高强度；本发明制备工艺简单、制备成本低，制备的变形镁合金兼具高强度、高塑性，解决了现有技术中不含稀镁合金力学性能较低或者含大量重稀土镁合金成本较高、密度较大的问题。

Description

一种高性能Mg-Y-Mn-Gd变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金领域，特别是涉及一种高性能Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金具有质轻、减震、电磁屏蔽性能好、切削加工性优良等优点，在航空航天、电子产品、汽车等行业具有重要应用价值和广泛应用前景。然而，镁合金为典型密排六方结构，室温变形时只有单一的基面滑移系，导致镁合金的变形能力较差，严重限制了镁合金的应用。目前应用最多的变形镁合金系主要有AZ、ZK、AM系，这类镁合金的强度普遍较低，力学性能达不到工业需求。因此，开发一种综合性能良好的变形镁合金具有重要意义。

近些年，随着业界对稀土元素性质的研究以及相关产品的应用与开发，将稀土元素作为重要的合金元素应用在镁合金领域日益受到重视。稀土镁合金是指含有稀土元素的镁合金，由于大部分稀土元素与镁的原子尺寸半径相差在±15％范围内，在镁中有较大固溶度，因而具有良好的固溶强化和沉淀强化的作用，可以有效改善镁合金组织和微观结构，提高镁合金力学性能。

目前稀土变形镁合金主要有以稀土为主合金元素的Mg-Gd-Y-Zn-Zr系列和以稀土元素为微合金化元素的Mg-Zn-RE系列、Mg-Al-RE系列以及Mg-Zn-Y准晶合金系列等。但是以稀土为主合金元素的Mg-Gd-Y-Zn-Zr系列中含有高成分含量的重稀土Gd元素，导致合金密度较高，严重影响了镁合金的轻量化优势，同时Gd元素成本较高，导致Mg-Gd-Y-Zn-Zr系列镁合金的制造成本普遍偏高；而对于稀土元素为微合金化元素的Mg-Zn-RE、Mg-Al-RE等系列镁合金，强度优势不明显，性能需要进一步提高；Mg-Zn-Y准晶合金系列需要采用快速凝固、粉末冶金等手段获取尺寸细小与高密度的准晶增强相，工艺复杂。

综上所述，现有技术中变形镁合金的成分设计和制备方法存在各种问题，尚缺乏有效的解决方案，因此，在不含大量重稀土元素的前提下，本领域亟需一种制备工艺简单、成本低、兼具高强度、高塑性的变形镁合金，这是变形镁合金未来发展的重要方向。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种由Mg-Y-Mn-Gd元素组成的变形镁合金及其制备方法，解决现有技术中不含稀土镁合金力学性能较低或者含大量重稀土镁合金成本较高、密度较大、制备工艺复杂的问题，所述镁合金经挤压变形后用双级时效热处理工艺进行处理，兼具高强度和高塑性，获得了优异的综合力学性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金，合金中同时含有Y、Mn、Gd元素，各元素质量百分含量为：Y：8.0～12.0％；Mn：0.3～0.5％；Gd：0.2～0.4％；其余为镁和不可避免杂质(含量低于1.0％)。

优选的，各元素质量百分含量为：Y 9.0～11.0％；Mn 0.3～0.5％；Gd 0.2～0.4％；其余为镁和不可避免杂质。

进一步优选的，各元素质量百分含量为：Y 10.5％，Mn 0.35％，Gd 0.25％；其余为镁和不可避免杂质。

上述Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金的制备方法：包括如下步骤：采用工业纯镁锭、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金、Mg-Gd中间合金为原材料，上述原材料经过熔炼与浇铸、挤压加工以及挤压材的热处理后获得所述镁合金。

所述镁合金的熔炼步骤，包括：先将纯Mg、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金预热，在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700～720℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金，升温至730～750℃后保温20～30min，待合金化元素完全熔解。

优选的，所述预热温度和时间分别为：150～200℃，20～30min。

所述镁合金的浇铸步骤，包括：将上述溶解的合金搅拌均匀，静置保温20min后降温到690～710℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成锭。

所述镁合金的挤压加工步骤，包括将上述铸锭进行机加工至120mm×300mm规格尺寸，然后在500～560℃下固溶4～12h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。

优选的，所述挤压成型时，坯料温度为400～450℃，挤压筒温度为400～450℃，模具温度为400～450℃，挤压速度为10～15mm·s^-1，挤压比为20～80。

所述挤压材的热处理步骤，采用双级时效热处理工艺。

优选的，将挤压材先在60～80℃下时效4～8h，然后升温至175～250℃，在此温度下时效12～64h，最后空冷至室温。

所述CO₂和SF₆混合气体中，按体积百分比计，CO₂占99～99.5％，SF₆占0.5～1.0％。

为了实现上述目的，本发明变形镁合金成分的设计思想是：大幅度降低重稀土元素Gd含量，提高轻稀土元素Y含量，适当添加Mn元素，具体如下：

(1)Y作为主要元素，质量百分含量为8.0～12.0％，Y的最高固溶度为11.4％，在时效热处理过程中，可以形成第二相颗粒，起到固溶强化和时效强化的双重作用。

(2)Mn作为微量元素，质量百分含量为0.3～0.5％，Mn可以改善挤压Mg-Y-Mn-Gd合金的组织形貌，细化晶粒，提高合金力学性能，同时提高合金耐蚀性能。

(3)Gd作为微量元素，质量百分含量为0.2～0.4％，Gd元素能细化晶粒，提高合金塑性变形能力，降低热加工时的开裂倾向；同时微量Gd元素对Mg-Y-Mn-Gd合金时效析出的强化相具有改性作用，可以提高合金时效强化效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用Y作为第一合金化元素，在合金中具有较高的固溶度，本发明设计Y含量较高，保证了固溶强化强化效果，另外由于Y元素的存在，在合金挤压后时效过程中形成了纳米级别的Mg ₂₄Y₅高温强化相，具有显著的时效强化效果。

(2)少量Mn元素加入可以细化合金晶粒和一定程度上降低合金熔体中的Fe元素含量，在尽量不降低塑性的同时改善挤压合金的组织形貌，提高合金力学性能和耐蚀性。

(3)Gd元素的加入改善了Mg-Y二元合金的铸造性能，并且对合金时效过程中析出的Mg ₂₄Y₅高温强化相具有改性作用，改变析出相的形貌，增加析出相的分布弥散度，从而进一步提高合金力学性能。

(4)挤压后材料的热处理工艺采用双级时效热处理工艺，在60～80℃下时效4～8h的初级时效处理可以获得高的形核密度和均匀的形核分布，从而为后续时效处理获得高强度性能奠定了基础。

(5)本发明镁合金材料以轻稀土元素Y为主元素，重稀土金属元素Gd含量低，合金在通过挤压变形和热处理获得优于传统高强镁合金的强度和塑性的同时，合金密度低于以重稀土元素为主元素的镁合金。

(6)本发明挤压态的镁合金室温抗拉强度最高可达到351.5MPa，屈服强度达到181.7MPa以上，伸长率达到19.6％，经时效处理后，室温抗拉强度最高可达到456.3MPa，屈服强度可达到323.6MPa，伸长率可达到7.8％。(最佳实施例性能结果)

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明镁合金(实施例1)铸态金相组织照片。

图2为本发明镁合金(实施例1)的挤压态金相组织照片。

图3为本发明镁合金(实施例2)的挤压态金相组织照片。

图4为本发明镁合金(实施例3)的挤压态金相组织照片。

图5为本发明镁合金(实施例4)的挤压双级时效态SEM组织照片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不含稀土元素的变形镁合金力学性能较低，而含大量重稀土镁合金成本较高、密度较大、制备工艺复杂的问题，为了解决上述问题，本申请提出了一种高性能Mg-Y-Mn-Gd变形镁合金及其制备方法，下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明。

本发明中所采用的双级时效工艺指的是：在不同温度下进行两次时效，首先在较低温度保温进行预时效，然后升高温度保持一定时间进行最终时效。

实施例1：

变形合金成分(质量百分比)为：Y 8.0％，Mn 0.4％，Gd 0.3％；其余为镁和不可避免杂质。

按实施例1的成分配比，用如下制备方法得到本发明变形镁合金：

(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金在150℃下预热30min；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金，升温至730℃后保温30min，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20min后降温到690℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成锭；CO₂和SF₆混合气体中，按体积百分比计，CO₂占99～99.5％，SF₆占0.5～1.0％。

(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至Φ120mm×300mm规格尺寸，然后在500℃下固溶4h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。挤压参数如表1所示。

(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺，在60℃下时效8h，然后升温至250℃，并在此温度下时效24h，空冷至室温。

实施例2：

变形镁合金成分(质量百分比)为：Y 10.0％，Mn 0.4％，Gd 0.3％；其余为镁和不可避免杂质。

按实施例2的成分配比，用如下制备方法得到本发明变形镁合金：

(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金在180℃下预热25min；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在720℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金，升温至740℃后保温25min，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20min后降温到700℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成锭；CO₂和SF₆混合气体中，按体积百分比计，CO₂占99～99.5％，SF₆占0.5～1.0％。

(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至Φ120mm×300mm规格尺寸，然后在520℃下固溶8h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。挤压参数如表1所示。

(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺，在70℃下时效8h，然后升温至175℃，并在此温度下时效64h，空冷至室温。

实施例3：

变形镁合金成分(质量百分比)为：Y 12.0％，Mn 0.4％，Gd 0.3％；其余为镁和不可避免杂质。

按实施例3的成分配比，用如下制备方法得到本发明变形镁合金：

(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金在200℃下预热20min；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在710℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金，升温至750℃后保温20min，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20min后降温到710℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成锭；CO₂和SF₆混合气体中，按体积百分比计，CO₂占99～99.5％，SF₆占0.5～1.0％。

(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至Φ120mm×300mm规格尺寸，然后在550℃下固溶12h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。挤压参数如表1所示。

(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺，在80℃下时效4h，然后升温至200℃，并在此温度下时效48h，空冷至室温。

实施例4：

变形镁合金成分(质量百分比)为：Y 10.5％，Mn 0.35％，Gd 0.25％；其余为镁和不可避免杂质。

按实施例4的成分配比，用如下制备方法得到本发明变形镁合金：

(1)合金熔炼与浇铸：先将纯Mg、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金在175℃下预热25min；在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在705℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金，升温至745℃后保温25min，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20min后降温到695℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成锭；CO₂和SF₆混合气体中，按体积百分比计，CO₂占99～99.5％，SF₆占0.5～1.0％。

(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至Φ120mm×300mm规格尺寸，然后在535℃下固溶11h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。挤压参数如表1所示。

(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺，在65℃下时效5.5h，然后升温至220℃，并在此温度下时效40h，空冷至室温。

本发明实施例1～4挤压态和热处理态下的室温力学性能如表2所示。

表1本发明实施例挤压参数

表2本发明实施例的室温力学性能

如图1所示，合金在铸态时组织为典型的树枝晶，晶粒较大，因此需要通过形变进一步细化晶粒来提高其性能。

如图2～4所示，从实施例1至实施例3的挤压态金相组织照片可以看出，合金均发生了完全的动态再结晶，形成了均匀的等轴晶粒。

如图5所示，从实施例4的挤压态时效处理后SEM组织照片可以看出，合金时效处理后在组织中形成了大量均匀、细小、弥散分布的纳米态的第二相离子，经SEM和XRD测试分析，该纳米态的第二相离子为Mg₂₄Y₅高温强化相，它具有显著的时效强化效果，显著改善了本发明中变形镁合金的力学性能。

实施例结果表明，本发明镁合金在经双级时效热处理工艺处理后可兼具高强度和高塑性，使得本发明变形镁合金获得了优良的挤压性能和成型性能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金，所述镁合金主要由Mg、Y、Mn、Gd元素组成，其特征在于：各元素质量百分含量为：Y 8.0～12.0％、Mn 0.3～0.5％、Gd 0.2～0.4％；其余为镁和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金，其特征在于：所述各元素质量百分含量为：Y 9.0～11.0％、Mn 0.3～0.5％、Gd 0.2～0.4％，不可避免杂质元素含量低于1.0％，余量为镁。

3.如权利要求1或2所述的Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金，其特征在于：所述各元素质量百分含量为：Y 10.5％，Mn 0.35％，Gd 0.25％，不可避免杂质元素含量低于1.0％，余量为镁。

4.一种权利要求1所述的Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金的制备方法，原材料为工业纯镁锭、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金、Mg-Gd中间合金，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

(1)合金熔炼与浇铸；

(2)合金的挤压加工；

(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效热处理工艺，包括：先将挤压材在60～80℃时效4～8h，然后升温至175～250℃时效12～64h，最后空冷至室温。

5.如权利要求4所述的Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述合金熔炼包括：先将纯Mg、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间在150～200℃，预热20～30min，在通有CO₂和SF₆混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700～720℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金和Mg-Gd中间合金，升温至730～750℃后保温20～30min，待合金化元素完全熔解。

6.如权利要求4所述的Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述合金的浇铸包括：先将上述溶解的合金搅拌均匀，静置保温20min后降温到690～710℃，然后在CO₂和SF₆混合气体保护下浇铸成锭。

7.如权利要求4所述的Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述合金的挤压加工包括：将上述铸锭进行机加工至Φ120mm×300mm规格尺寸，然后在500～560℃下固溶4～12h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。

8.如权利要求7所述的Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述挤压成型工艺参数为：坯料温度400～450℃，挤压筒温度400～450℃，模具温度400～450℃，挤压速度10～15mm·s^-1，挤压比20～80。

9.如权利要求4或6所述的Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述CO₂和SF₆混合气体的体积百分比为：CO₂占99～99.5％，SF₆占0.5～1.0％。

10.如权利要求1所述的Mg-Y-Mn-Gd系变形镁合金在航空、汽车、电子产品中的应用。