CN107723548A

CN107723548A - 一种高强度Mg‑Y‑Ni‑Zr合金及其制备方法

Info

Publication number: CN107723548A
Application number: CN201711137034.5A
Authority: CN
Inventors: 秦德昭; 王敬丰
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2018-02-23

Abstract

本发明提供了一种高强度Mg‑Y‑Ni‑Zr合金，在合金中，Y的含量为5.0%～12.5%；Ni的含量为2.0%～6.0%；Zr的含量为0.4%～1.0%；余量为镁。还提供了上述合金的制备方法，先熔炼工业纯镁和Y‑Ni中间合金，熔融后再添加Mg‑Zr中间合金，待合金电磁感应搅拌均匀后静置然后浇铸得到合金铸锭；将获得的合金铸锭加入热处理炉中进行循环均匀化退火处理，将制好的铸锭坯料进行挤压，得到挤压态合金；对经变形加工后的挤压态合金进行人工时效处理，制得高强度Mg‑Y‑Ni‑Zr合金。本发明的方法提高了镁合金的室温抗拉强度和屈服强度。

Description

一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种合金，具体来说是一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金及其制备方法。

背景技术

镁的弹性模量比较小，在受力作用下能产生较大的变形，因而镁合金在冲击载荷作用下，能吸收较大的冲击能，可制造承受冲击的零件。镁及其合金作为最轻的常用金属结构材料，已受到人们越来越多的关注，并已在国防军工、航空航天、高速轨道交通、电子通讯等领域得到了一定程度的应用。但是，由于镁合金强度低，还难以大量应用于承载结构件，尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后于钢铁和铝合金，其室温力学性能明显不足，已经严重的制约了其进一步的应用。

CN201310250222.4公开了“一种高强镁合金及其制备方法”其各组成成份的质量百分含量分别是:Cd:1.0～15.0％,Bi:2.0～10.0％,Zn:5.0～13.0％,Y:7.0～15.0％,Zr:0.4～1.0％,Nb:0.1～5.0％,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％,余量为Mg。以Cd、Bi、Zn、Y、Nb和Zr多种元素复合达到强化效果，其获得的最好力学性能是Mg-1.0Cd-2.0Bi-7.0Zn-15.0Y-0.8Zr-1.2Nb铸造合金双级时效态在室温下的抗拉强度450MPa，屈服强度380MPa，伸长率10％。但是，其所使用的Cd毒性较大，对人体危害严重。而且，铸造采用低频电磁油滑半连续铸造方法，需严格控制电磁场频率、磁场强度、铸造速度、冷却水量等工艺参数，熔炼过程中还大量使用覆盖剂和精炼剂。由于配方复杂，元素使用繁多，增加了制备难度，限制了其使用性能和应用范围，更增加了合金成本。

CN201010219696.9公开了“一种强力变形制备超高强镁合金棒材的方法”，该镁合金的成份含量为：Gd:6～13％，Y:2～6％，Zr:0.3～0.8％，其余为Mg及不可去除的杂质元素。该专利合金铸造态经坯料预变形成棒材，再利用快速强力变形配合等温时效方法制备，室温最好力学性能数据是抗拉强度615MPa，但是延伸率仅有1.1％。该发明涉及预变性和强力快速压缩变形，会增加合金制备难度，并且该合金延伸率较低。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金及其制备方法，所述的这种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金及其制备方法要解决现有技术中的镁合金强度低、工艺复杂、成本高的技术问题。

本发明提供了一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，由Mg元素、Y元素、Ni元素和Zr元素组成，各元素的质量百分含量如下：

Y 5.0％～12.5％；

Ni 2.0％～6.0％；

Zr 0.4％～1.0％；

余量为镁。

进一步的，在上述高强度Mg-Y-Ni-Zr合金中，

各元素的质量百分含量如下：

Y 10.2％；

Ni 4.4％；

Zr 0.45％；

余量为镁。

进一步的，在上述高强度Mg-Y-Ni-Zr合金中，

Y 7.8％；

Ni 3.4％；

Zr 0.59％；

余量为镁。

本发明还提供了上述的一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金的制备方法，包括如下步骤：

1)按照各元素的质量百分含量计算需要原料的重量，所述的原料采用工业纯镁、Y-Ni中间合金、Mg-Zr中间合金；

2)先熔炼工业纯镁和Y-Ni中间合金，工业纯镁和Y-Ni中间合金熔融后再添加Mg-Zr中间合金，待合金电磁感应搅拌均匀后静置，熔炼过程在真空下进行，然后浇铸得到合金铸锭；

3)将步骤2)获得的合金铸锭加入热处理炉中，然后升温至540℃±10℃后，待铸锭热透后随即停炉降温至430℃～450℃，待铸锭表里温度一致后再次进行升温至540±10℃和降温至430～450℃，经过三次循环退火后，再将制好的铸锭坯料在挤压机上进行挤压，挤压温度400℃±10℃，挤压比为11，挤压速度恒定，得到挤压态合金；

4)对步骤3)经变形加工后的挤压态合金进行人工时效处理，在人工时效处理的过程中，先进行时效温度180℃、保温时间25±2小时的一级时效处理，随即进行时效温度220℃、保温时间10小时的二级时效处理，而后空冷，制得高强度Mg-Y-Ni-Zr合金。

进一步的，所述步骤2)中，在真空熔炼和浇铸的过程中，先将原料加入坩埚并通入氩气进行保护，在真空冶炼炉中熔炼；在850℃保温并使原料充分熔化，待工业纯镁和Y-Ni中间合金全部熔化后加入Mg-Zr中间合金，待合金电磁感应搅拌均匀后继续在850℃静置保温10分钟。

本发明所要解决的技术问题是如何改善镁合金强度，提供一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，实现工艺简单，操作容易和降低成本的目的。具体的，本发明所述高强度是指材料能够达到的抗拉强度≥510MPa。本发明不可避免的杂质为Si、Fe，其总量＜0.1％。

发明人经过大量的实验研究后认为：Mg、Y和Ni能够在镁合金中形成长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，通过工艺控制以Mg-Zr中间合金的形式引入Zr，Zr元素能与合金中的Fe、Si乃至H、O元素形成化合物从而沉降，降低了合金中的有害元素达到净化基体的目的，同时Mg-Zr中间合金所含有的Mg也补充了由于Mg元素过于活泼在熔炼过程蒸发造成的损失，另外固溶到Mg中的Zr使Zr元素进一步弥散分布细化晶粒，再通过挤压变形和时效处理增强强化效果，兼顾了固溶强化、形变强化和弥散强化机制，从而能够改善镁合金的室温力学性能。

本发明所述高强度Mg-Y-Ni-Zr合金不是粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工，再对挤压态合金进行时效热处理得到最终合金。

本发明中稀土金属的加入引入了LPSO相，能够显著提高镁合金的室温强韧性，合金元素配方简单，未使用重稀土元素，降低了合金成本，为镁合金应用领域的扩大创造了条件。循环退火通过反复加热与冷却，大大缩短了周期，由传统工艺的10～20小时以上缩短到2～4小时。另外双级时效保证了强化相的密度，从而提高强度。既节省了能源，又提高了生产率，对大批量生产可以实现机械化和自动化。

本发明的材料无需精炼、挤压比低(λ＝11)，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制，工艺简单，可移植性强，且容易操作，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，使得现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

本发明选择在镁中添加合金元素得到一种多元化镁合金体系，采用常规设备获得其铸态合金并将铸态合金加工成挤压态合金，并对挤压态合金进行适当热处理，利用复合强化手段来提高镁合金的强度，改善镁合金的综合力学性能和使用性能，拓展其应用范围，成为本领域技术人员有待解决的问题。

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，成本低廉，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

具体实施方式：

实施例1：一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，合金成分(重量百分比)：Y-10.2％，Ni-4.4％，Zr-0.45％杂质元素小余0.1％，其余为Mg。

该高强度Mg-Y-Ni-Zr合金的制造方法，按如下步骤进行：

步骤1：在真空熔炼炉中，熔炼铸锭，并通入氩气进行保护，按照重量百分比Y＝10.2％，Ni＝4.4％，Zr-0.45％添加合金元素。其中，Y、Ni以30Y-70Ni中间合金形式加入，Zr以Mg-0.6Zr中间合金形式加入。

先使工业纯镁和Y-Ni中间合金在850℃保温并使原料充分熔化，然后加入Mg-Zr中间合金，电磁感应搅拌待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟，然后进行浇铸。

步骤2：将所熔炼的镁合金铸锭进行循环均匀化处理，其工艺参数为：将铸锭入炉升温至540℃±10℃后，待铸锭热透后随即停炉降温至430℃～450℃，待铸锭表里温度一致后再次进行升温至540±10℃和降温至430～450℃，如此经过三次循环退火后，对镁合金铸锭进行常规热挤压，挤压温度为400℃，挤压比为11，挤压速度恒定。

镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。

步骤3：将挤压态合金进行时效处理，其工艺参数为：先进行时效温度180℃，保温时间25±2小时的一级时效处理，随即进行时效温度220℃，保温时间10小时的二级时效处理，而后空冷。镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。表1为实施例1所述高强度Mg-Y-Ni-Zr合金的力学性能表。

本实施例的高强度Mg-Y-Ni-Zr合金的强度与目前常用的变形镁合金AZ91、ZK60相比显著提高。

实现本发明目的的其他实施例配方，参见表2，其中力学性能是指合金时效态室温下的抗拉强度和屈服强度；工艺方法参见实施例1。

实施例2：一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，合金成分(重量百分比)：Y-5.2％，Ni-2.2％，Zr-0.82％，杂质元素小余0.1％，其余为镁。

该高强度Mg-Ni-Y-Zr合金的制造方法，同实施例1。

实施例3：一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，合金成分(重量百分比)：Y-7.8％，Ni-3.4％，Zr-0.59％，杂质元素小余0.1％，其余为镁。

该高强度Mg-Ni-Y-Zr合金的制造方法，同实施例1。

实施例4：一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，合金成分(重量百分比)：Y-8.6％，Ni-4.1％，Zr-0.67％，杂质元素小余0.1％，其余为镁。

该高强度Mg-Y-Ni-Zr合金的制造方法，同实施例1。

实施例5：一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，合金成分(重量百分比)：Y-12.0％，Ni-5.7％，Zr-0.48％，杂质元素小余0.1％，其余为镁。

该高强度Mg-Y-Ni-Zr合金的制造方法，同实施例1。

表2为实施例2-5所述高强度Mg-Y-Ni-Zr合金的力学性能表。

本发明提出在Mg-Y-Ni-Zr合金中使Mg、Y和Ni形成大量长周期相，可起到显著的弥散强化效果。再通过挤压变形和多级热处理增强强化效果，加入适量的Zr元素，通过工艺控制，使Zr元素能与合金中的Fe、Si乃至H、O元素形成化合物从而沉降，降低了合金中的有害元素达到净化基体的目的，同时Mg-Zr中间合金所含有的Mg也补充了由于Mg元素过于活泼在熔炼过程蒸发造成的损失，另外固溶到Mg中的Zr使Zr元素进一步弥散分布细化晶粒，提高力学性能，该工艺是固溶强化、形变强化和弥散强化于一体的高强变形镁合金的制备方法。该材料无需精炼、挤压比低(λ＝11)，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制，工艺简单，可移植性强，且容易操作，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，使得现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

本发明所采用的制备工艺，具有通用性广、可移植性强、工艺简单成熟和容易实现等优点。

应当指出，以上所述实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims

1.一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，其特征在于:由Mg元素、Y元素、Ni元素和Zr元素组成，各元素的质量百分含量如下：

Y 5.0％～12.5％；

Ni 2.0％～6.0％；

Zr 0.4％～1.0％；

余量为镁。

2.根据权利要求1所述高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，其特征在于:

各元素的质量百分含量如下：

Y 10.2％；

Ni 4.4％；

Zr 0.45％；

余量为镁。

3.根据权利要求1所述高强度Mg-Y-Ni-Zr合金，其特征在于:

各元素的质量百分含量如下：

Y 7.8％；

Ni 3.4％；

Zr 0.59％；

余量为镁。

4.权利要求1所述的一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种高强度Mg-Y-Ni-Zr合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，在真空熔炼和浇铸的过程中，先将原料加入坩埚并通入氩气进行保护，在真空冶炼炉中熔炼；在850℃保温并使原料充分熔化，待工业纯镁和Y-Ni中间合金全部熔化后加入Mg-Zr中间合金，待合金电磁感应搅拌均匀后继续在850℃静置保温10分钟。