CN109161767A

CN109161767A - 一种含w相的抗蠕变性能镁合金及其制备方法

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Publication number: CN109161767A
Application number: CN201811237518.1A
Authority: CN
Inventors: 李淑波; 寇冠男; 杜文博; 刘轲; 王朝辉; 杜宪
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2019-01-08
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: CN109161767B

Abstract

一种含W相的超高蠕变性能镁合金及其制备方法，属于耐热镁合金材料领域。本发明所提供的合金中各组分及其质量百分比为：Zn含量为5.5～6.0％，Er含量为5.0～6.0％，杂质元素Si含量≤0.02％，Fe含量≤0.005％，Cu含量≤0.015％，Ni含量≤0.002％，余量为Mg。所得合金成分Zn/Er(at.％)≤1。本发明通过将预热至140～160℃的镁锭加入到200～250℃的坩埚中，设定熔炼炉温度为780℃后开始加热，并通入保护气，待坩埚中的镁锭熔化后加入锌锭和Mg‑Er中间合金，经搅拌，撇去Mg‑Zn‑Er合金液表面浮渣后浇铸于金属模中。本发明的合金具有较高的高温强度和抗蠕变性能。

Description

一种含W相的抗蠕变性能镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于耐热镁合金材料领域，具体涉及一种含Er的W相增强耐热镁合金的成分设计及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前工程用最轻的金属结构材料，具有较高的比强度和比刚度、优良的铸造性能和机械加工性能，被誉为“21世纪的绿色结构材料”，在航空航天、汽车制造、国防军工等领域有着广泛应用。但是传统的铸造镁合金，例如Mg-Al系合金，其主要第二相Mg₁₇Al₁₂，熔点较低，在高温下易软化，使用温度不能超过120℃，致使其高温蠕变性能较差。

近年来Mg-Zn系合金也得到了广泛应用，如ZM61、ZM3等。向Mg-Zn合金中添加稀土元素能得到力学性能较好的合金，显著改善其高温力学性能。1982年，Padezhnova等人确定了Mg-Zn-Y三元合金相图并发现了成分为Mg₃Zn₃Y₂的三元合金，即W相[Hirota K，Takano Y，Yoshinaka M，et al.Materials Research Bulletin.2000，35:1137-1141]。W相属于面心立方结构，在Mg-Zn-Gd、Mg-Zn-Y等Mg-Zn-RE系合金中均有发现，一般在合金凝固过程中通过共晶反应形成，并且W相的存在与Zn和RE的含量密切相关。W相增强的Mg-7Zn-6Y-0.6Zr(wt.％)合金经过挤压后，粗大的W相分解成细小的颗粒并沿挤压方向分布，其力学性能可以达到280MPa(UTS)，断裂伸长率12％[Z.Q.Zhang,X.Liu,Z.K.Wang,Q.C.Le,W.Y.Hu,L.Bao,J.Z.Cui.Mater.Des.88(2015),pp.915-923]。Mg-Li-Zn-Y合金在热变形时会动态析出W相，能够有效钉扎晶界，从而导致晶粒细化，改善合金的机械性能[Yucheng Zhou,Zhaoyun Chen；Jinghan Ji；Zhijie Sun.Materials Science&Engineering A.707(2017)110-117]。Wu等人研究表明：与AZ31和AM30合金板相比，含W相的轧制态Mg-Gd-Zn片材有着更高的应变硬化指数，这代表该合金的延展性更好[D.Wu,R.S.Chen,E.H.Han.Journal ofAlloys and Compounds.509(2011)2856-2863]。研究表明，通过变形后，W相能有效增强合金的力学性能，但是对于其铸态高温性能，尤其是蠕变性能的研究较少。W相的熔化温度约为510℃，且具有较高的热稳定性，这对提高合金的抗蠕变性能有利。目前对W相的研究大多集中在Mg-Zn-Gd和Mg-Zn-Y合金，通过在Mg-Zn系合金里添加其他的稀土元素，制备W相增强耐热镁合金很有必要。本课题组研究发现，含W相的Mg-Zn-Er合金具有较好的高温力学性能：对W相含量不同的合金在125～175℃范围内进行力学性能测试，抗拉强度集中在140～210MPa，屈服强度为130～190MPa，延伸率达到73.6％。以此为基础，本发明研究了稀土元素Er对Mg-Zn系合金的影响，通过在Mg-Zn系合金中添加Er元素，制备一种含W相的抗蠕变性能镁合金，改善其耐高温性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种抗蠕变性能镁合金即含Er(质量百分比为5.5～6.5％)的W相增强耐热镁合金及其制备方法。

本发明所提供的一种W相增强Mg-Zn-Er耐热镁合金中各组分及其质量百分比为：Zn含量为5.5～6.0％，Er含量为5.0～6.0％，杂质元素Si含量≤0.02％，Fe含量≤0.005％，Cu含量≤0.015％，Ni含量≤0.002％，Mg为平衡含量。所得合金成分Zn/Er(at.％或摩尔比)≤1。

本发明所提供的一种W相增强Mg-Zn-Er耐热镁合金的制备方法，包括以下步骤：

Ⅰ.试验原材料分别为纯Mg(99.9wt.％)、纯Zn(99.99wt.％)、以及Mg-Er中间合金；

Ⅱ.按目标合金中组分的重量百分比进行备料，用钢刷进行表面清理，去除表面氧化物，以减少熔炼杂质的产生并将原料锭块以及模具和坩埚等熔炼工具在140～200℃温度下进行烘干；

Ⅲ.将预热好的镁锭放入坩埚并装入电阻炉中，坩埚电阻炉设定加热温度为780℃，熔化温度740～760℃，熔炼过程中用SF₆+N₂混合气体进行保护，以防止氧化和烧损，保护气体组成为SF₆(1vol.％)+N₂(99vol.％)；

Ⅳ.待坩埚中加入的镁锭完全熔化后，依次加入锌锭及Mg-Er中间合金，熔化后得到Mg-Zn-Er合金熔液，搅拌2～5分钟，搅拌完成后保温30分钟；

Ⅴ.将Mg-Zn-Er合金熔液温度调整至720～740℃，静置3～5分钟后，撇去Mg-Zn-Er合金熔液表面浮渣，将Mg-Zn-Er合金熔液浇注于金属模中，浇铸时为防止发生氧化或者燃烧，先在铸型内通入保护气体，浇铸过程中往液流处连续输送保护气体进行保护，将熔液浇入金属模具中，凝固后得到W相增强Mg-Zn-Er耐热镁合金。

本发明镁合金第二相为一种Mg-Zn-Er相，具有鱼骨状形貌且主要分布在晶界处。进一步在制备时纯Zn、Mg-Er中间合金加入量要高于理论用量，高出量用于过程的烧损。

Mg-Er中间合金为Mg-30wt.％Er中间合金。

本发明镁合金的用途，用于汽车发动机等高温环境。尤其用于制备耐高温性能较好的汽车发动机、齿轮箱等零部件。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

本发明所制备的含Er的W相增强耐热镁合金具有较高的高温(尤其在175℃)强度和抗蠕变性能。可以作为汽车发动机及传动系统零部件的结构材料，也可以使用在需要较高服役温度下的其他结构零件材料，扩大了镁合金的应用范围。

附图说明

图1：实施例1制备的W相增强Mg-Zn-Er耐热镁合金的显微组织照片(a)及透射电镜明场图(b)和相应的衍射斑(c)、能谱(d)。

图2：实施例1制备的W相增强Mg-Zn-Er耐热镁合金在175℃/50MPa条件下的蠕变曲线。

图3：实施例3制备的准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金在200℃/70MPa条件下的蠕变曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

1)先将称量的镁锭860g、锌锭85g、Mg-Er中间合金320g打磨去氧化皮，然后置于烘箱中预热至150℃；

2)将坩埚电阻炉设定加热温度为780℃，当石墨坩埚温度升至230℃时，在石墨坩埚中加入镁锭，熔炼过程中用SF₆+N₂混合气体进行保护，保护气体组成为SF₆(1vol.％)+N₂(99vol.％)；

3)待石墨坩埚中加入的镁锭完全熔化后，依次加入锌锭及Mg-Er中间合金，熔化后得到Mg-Zn-Er合金熔液，在750℃条件下静置5分钟；

4)搅拌Mg-Zn-Er合金熔液3分钟，之后将炉温调整至730℃，在该温度下静置保温30分钟，随后撇去Mg-Zn-Er合金熔液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将Mg-Zn-Er合金熔液浇注于金属模中，制得W相增强Mg-Zn-Er耐热镁合金。分析合金成分(质量百分比)为：Zn：5.8％，Er：5.9％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，余量为Mg。

本发明的含Er的W相增强耐热镁合金在175℃温度条件下，抗拉强度为171MPa，屈服强度为115MPa，伸长率为16.7％；在温度为175℃，应力为50MPa的蠕变条件下，100小时的总蠕变量为0.045％。合金的显微组织见图1，蠕变曲线见图2。

实施例2

1)先将称量的镁锭870g、锌锭80g、Mg-Er中间合金326g打磨去氧化皮，然后置于烘箱中预热至150℃；

2)将坩埚电阻炉设定加热温度为780℃，当石墨坩埚温度升至200℃时，在石墨坩埚中加入镁锭，熔炼过程中用SF₆+N₂混合气体进行保护，保护气体组成为SF₆(1vol.％)+N₂(99vol.％)；

4)搅拌Mg-Zn-Er合金熔液5分钟，之后将炉温调整至740℃，在该温度下静置保温30分钟，随后撇去Mg-Zn-Er合金熔液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将Mg-Zn-Er合金熔液浇注于金属模中，制得W相增强Mg-Zn-Er耐热镁合金。分析合金成分(质量百分比)为：Zn：6.0％，Er：6.0％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，余量为Mg。

本发明的合金在温度为175℃，应力为60MPa的蠕变条件下，100小时的总蠕变量为0.068％；温度为175℃，应力为70MPa的蠕变条件下，100小时的总蠕变量为0.152％。

实施例3

1)分别将称量的镁锭850g、锌锭75g、Mg-Er中间合金315g打磨去氧化皮，然后置于烘箱中预热至160℃；

2)将坩埚电阻炉设定加热温度为780℃，当石墨坩埚温度升至250℃时，在石墨坩埚中加入镁锭，熔炼过程中用SF₆+N₂混合气体进行保护，保护气体组成为SF₆(1vol.％)+N₂(99vol.％)；

4)搅拌Mg-Zn-Er合金熔液3分钟，之后将炉温调整至720℃，在该温度下静置保温30分钟，随后撇去Mg-Zn-Er合金熔液表面浮渣及镁合金熔炼覆盖剂，将Mg-Zn-Er合金熔液浇注于金属模中，制得准晶增强Mg-Zn-Er耐热镁合金。分析合金成分(质量百分比)：Zn：5.6％，Er：5.9％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.005％，Cu≤0.015％，Ni≤0.002％，其余为Mg。

本发明的合金在温度为175℃，应力为70MPa的蠕变条件下，100小时的总蠕变量为0.095％，在温度为200℃，应力为70MPa的蠕变条件下，本发明的合金蠕变时间为2175h，试样并未发生断裂，整个蠕变过程经历了减速蠕变和稳态蠕变两个阶段，总蠕变应变量为0.721％。合金的蠕变曲线见图3。

Claims

1.一种含W相的Mg-Zn-Er耐热镁合金，其特征在于，各组分及其质量百分比为：Zn含量为5.5～6.0％，Er含量为5.0～6.0％，杂质元素Si含量≤0.02％，Fe含量≤0.005％，Cu含量≤0.015％，Ni含量≤0.002％，Mg为平衡含量；所得合金成分Zn/Er(at.％)≤1。

2.按照权利要求1所述的含W相的Mg-Zn-Er耐热镁合金，其特征在于，镁合金第二相为一种Mg-Zn-Er相，具有鱼骨状形貌且主要分布在晶界处。

3.制备权利要求1或2所述的一种W相增强Mg-Zn-Er耐热镁合金的方法，其特征在于，具体工艺步骤为：

Ⅰ.试验原材料为纯Mg(99.9wt.％)、纯Zn(99.99wt.％)、以及Mg-Er中间合金；

Ⅲ.将预热好的镁锭放入坩埚并置于电阻炉中，坩埚电阻炉设定加热温度为780℃，熔化温度740～760℃，熔炼过程中用SF₆+N₂混合气体进行保护，以防止氧化和烧损，保护气体组成为SF₆(1vol.％)+N₂(99vol.％)；

Ⅳ.待坩埚中加入的镁锭完全熔化后，加入锌锭及Mg-Er中间合金，熔化后得到Mg-Zn-Er合金熔液，搅拌2～5分钟，搅拌完成后在720～740℃环境中保温30分钟；

Ⅴ.撇去Mg-Zn-Er合金熔液表面浮渣，将Mg-Zn-Er合金熔液浇注于金属模中，浇铸时为防止发生氧化或者燃烧，先在铸型内通入保护气体，浇铸过程中往液流处连续输送保护气体进行保护，将熔液浇入金属模具中，凝固后得到W相增强Mg-Zn-Er耐热镁合金。

4.按照权利要求3的方法，其特征在于，Mg-Er中间合金为Mg-30wt.％Er中间合金。

5.按照权利要求3的方法，其特征在于，纯Zn、Mg-Er中间合金加入量要高于理论用量，高出量用于过程的烧损。

6.权利要求1或2所述的含W相的Mg-Zn-Er耐热镁合金的用途，用于需要较高服役温度下的结构零件材料。

7.按照权利要求6所述的用途，其特征在于，用于制备耐高温性能较好的汽车发动机及传动系统零部件的结构材料。