CN109536797A - 高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金及其制备方法 - Google Patents

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刘成
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Abstract

本发明公开了一种高强度高塑性铸造Mg‑Ni‑Y合金及其制备方法，该合金由以下质量百分比的组分组成：1～5wt.％的Ni，1～10wt.％的Y，余量为Mg。本发明利用长周期有序相强化镁合金，制备的铸态Mg‑Ni‑Y合金室温力学性能可以达到：抗压强度430～490MPa，延伸率26～34％；本发明采用真空悬浮熔炼炉熔炼合金，直接浇铸成型，可降低熔炼过程中的夹杂物的产生，提高合金成分的均匀性，减少后续均匀化处理的过程，节约能源，提高生产效率。本发明与现有技术相比制备工艺更简单，合金强度和延伸率得到了提升，扩大了镁合金在汽车领域的应用范围。

Description

高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y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，特别是涉及一种Mg-Ni-Y合金及其制备方法，应用于轻量化车用结构材料技术领域。
背景技术
在汽车行业中，轻量化是未来技术发展的必然趋势。汽车轻量化是指保证汽车使用、安全等性能的前提下，依靠材料轻量化、设计技术轻量化、制造技术轻量化的手段降低汽车的重量。镁合金因密度低、比强度高、阻尼减震性等优点，在汽车行业中有着巨大的应用前景。
作为车用结构材料，普通铸造镁合金的强度不足300MPa，变形镁合金的强度不足400MPa，且100℃工作时强度急剧下降，严重限制镁合金在承载结构件上的应用。目前，合金化是提高镁合金性能主要手段，稀土元素有着净化熔体、细化组织、提高力学性能和腐蚀性能的优点，已广泛应用于钢铁和有色金属中。稀土元素Y室温下在镁中的固溶度是3.4wt.％，550℃时固溶度达到了12.3wt.％，因此Y元素具有优异的固溶强化和时效强化的作用，另外Y元素的相对原子质量是89，更加符合汽车轻量化的要求。上世纪40年，国外已开始对含Y镁合金进行研究，开发出WE43(Mg-4wt.％Y-3wt.％Nd-0.5wt.％Zr)和WE54(Mg-5.1wt.％Y-3.2wt.％Nd-0.5wt.％Zr)商用合金，并在航空航天领域得到广泛地应用。另外，2001年日本学者采用快速凝固粉末冶金技术开发出了Mg97Zn1Y2合金，此合金室温下屈服强度达到610MPa，延伸率达到5％，性能优异的原因是合金组织中含有长周期有序相和细晶镁，Ni元素的相对原子质量是58，Zn元素的相对原子质量是65，Mg97Ni1Y2合金中同样存在长周期有序相，从轻量化的角度考虑，Mg-Ni-Y合金有更高的工程价值。
CN201511014976.5公开了“一种Mg-Y-Ni-Mn合金及其制备方法”，其各组成成分的质量百分比分别是：Y：5.0～12.5wt.％，Ni：2.0～6.0wt.％，Mn：0.6～1.0wt.％，余量为Mg和不可避免杂质，其中Mg-10.3wt.％Y-4.4wt.％Ni-0.45wt.％Mn合金经均匀化退火、挤压、双时效后抗拉强度达到510MPa，延伸率达到4.7％，但因工艺的复杂性增加了制备难度，增加了合金成本，限制了合金的应用范围。
CN201610122639.6公开了“一种高强度高塑性的Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金及其制备方法”，其各组成成分的质量百分比分别是：Gd：5.0～12.5wt.％，Y：2.0～5.0wt.％，Ni：1.0～3.0wt.％，Mn：0.4～1.0wt.％，余量为Mg和不可避免杂质，其中Mg-8.14wt.％Gd-3.83wt.％Y-1.51wt.％Ni-0.76wt.％Mn合金经均匀化退火、挤压、时效后抗拉强度达到510MPa，延伸率达到10.0％，但元素的复杂性会导致合金性能的不稳定，工艺的复杂性增加合金成本，限制其应用。
CN201610455881.5公开了“一种长周期结构相增强Mg-RE-Ni镁合金半固态坯料及其制备方法”，其成分组成表示为：Mg100-x-yRExNiy，其中RE为Gd、Y两种元素中至少一种，2<x<4，0.7<y<1.5，解决半固态形成技术中关键的半固态坯料的制备问题，但该半固态坯料无法直接应用，仍需要后续的加工过程。
CN201210460820.X公布了“一种超高强度高韧性镁合金材料及其制备方法”，其各组成成分的质量百分比分别是：Gd：7～10wt.％，Y：3.5～5.8wt.％，Zn：1.7～3.5wt.％，Zr：0.3～1wt.％，余量为Mg和不可避免杂质，其中Mg-8.2wt.％Gd-4.8wt.％Y-2.2wt.％Zn-0.5wt.％Zr合金极限抗拉强度达到575MPa，延伸率达到8.5％，但该镁合金采用喷射成型方法制备，采用高纯惰性气体进行雾化，大大地增加了合金成本。
综上所述，现有高强度高塑性镁合金存在合金组成成分复杂、延伸率低、加工成型难度大、加工工艺繁琐、生产效率低、制备成本高、应用受限等问题，无法满足工程的迫切需求。因此，降低镁合金成分和加工工艺复杂性在镁合金的实际应用中具有更高的工程价值，如何提高镁合金强度和塑性，并实现简化工艺和降低制备难度，这成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金及其制备方法，采用真空悬浮熔炼炉熔炼合金，直接浇铸成型，可降低熔炼过程中的夹杂物的产生，提高合金成分的均匀性，减少后续均匀化处理的过程，节约能源，提高生产效率，实现简化工艺、降低制备难度的问题，提高了镁合金强度和塑性，具有更高的工程价值。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，合金各组分及其质量百分比为：1～5wt.％的Ni，1～10wt.％的Y，余量为Mg。优选合金各组分及其质量百分比为：1.43～4.03wt.％的Ni，3.23～9.10wt.％的Y，余量为Mg。进一步优选合金各组分及其质量百分比为：2.33～4.03wt.％的Ni，5.27～9.10wt.％的Y，余量为Mg。最优选合金各组分及其质量百分比为：2.97wt.％的Ni，7.25wt.％的Y，余量为Mg。
优选高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金中Y和Ni形成长周期有序相并弥散于Mg合金基体中，且在Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数为18～51％。
在高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金中，优选Ni和Y的质量之比为(0.410～2)：1。进一步优选Ni和Y的质量之比为(0.410～0.443)：1。
一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金的制备方法，包括如下步骤：
a.备料：按质量分数分别为1～10wt.％的Y、1～5wt.％的Ni和余量为镁的配比进行原料称量配料；
b.对熔炼炉抽真空：采用真空悬浮熔炼炉，将在所述步骤a中准备的Ni和Y原料置于熔炼炉中，对熔炼炉抽真空10～25min，直至真空度达到10-4Pa；
c.熔炼Ni-Y中间合金：在所述步骤b对熔炼炉抽真空过程完成后，向熔炼炉中充入氩气至保护气氛压力为0.02～0.03MPa，使熔炼炉通电至少两分钟，控制功率不低于30kW，预热原料Y和Ni，促进排气，防止飞溅；然后采用悬浮熔炼工艺，提高供电功率到80～100kW，将熔炼炉温度升至1400～1500℃，直至原料Y和Ni全部熔化为Ni-Y中间合金熔体，维持Ni-Y中间合金熔体翻滚和搅动状态，并使Ni-Y中间合金熔体保持熔融状态至少5min，然后使Ni-Y中间合金熔体直接在熔炼炉内进行凝固，得到Ni-Y中间合金；
d.熔炼Mg-Ni-Y合金：将在所述步骤c中制备的Ni-Y中间合金和原料Mg放入熔炼炉中，然后向熔炼炉中充入氩气至保护气氛压力为0.02～0.03MPa，使熔炼炉通电至少两分钟，控制功率30～50kW，预热Ni-Y中间合金和原料Mg，促进排气，防止飞溅；然后采用悬浮熔炼工艺，提高提高供电功率到80～100kW，将熔炼炉温度升至750～800℃，直至Ni-Y中间合金与原料Mg全部熔化为Mg-Ni-Y合金熔体，使合金熔体保持熔融状态至少10min，使合金熔体成分均匀化；
e.铸造Mg-Ni-Y合金：将浇铸用钢制模具预先加热到170～200℃，然后将在所述步骤d中得到的熔融态合金熔体撇去表面浮渣，并采用钢制模具进行浇铸成Mg-Ni-Y合金铸锭。作为本发明优选的技术方案，所制备的Mg-Ni-Y合金铸锭，其中Y和Ni形成长周期有序相并弥散于Mg合金基体中，且在Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数为18～51％。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明选取稀土元素Y和过渡金属元素Ni所形成的长周期有序相强化镁合金，实现合金的轻量化，这种长周期有序相在凝固过程中弥散于基体中，可提高合金室温下的强塑性，为镁合金应用领域的扩大实现条件；
2.本发明采用真空悬浮熔炼炉，降低熔炼过程中的夹杂物的产生，提高合金成分的均匀性，减少后续均匀化处理的过程，节约能源，提高生产效率；
3.本发明制备工艺更简单，合金强度和延伸率得到了提升，扩大了镁合金在汽车领域的应用范围。
附图说明
图1为本发明实施例一制备的Mg-1.43wt.％Ni-3.23wt.％Y合金的XRD图谱。
图2为本发明实施例二制备的Mg-2.33wt.％Ni-5.27wt.％Y合金的XRD图谱。
图3为本发明实施例三制备的Mg-2.97wt.％Ni-7.25wt.％Y合金的XRD图谱。
图4为本发明实施例四制备的Mg-4.03wt.％Ni-9.10wt.％Y合金的XRD图谱。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，合金各组分及其质量百分比为：1.43wt.％的Ni，3.23wt.％的Y，余量为Mg。
在本实施例中，一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金的制备方法，包括如下步骤：
a.备料：按质量分数分别为1.43wt.％的Ni，3.23wt.％的Y和余量为镁的配比进行原料称量配料；
b.对熔炼炉抽真空：采用真空悬浮熔炼炉，将在所述步骤a中准备的Ni和Y原料置于熔炼炉中，对熔炼炉抽真空10～25min，直至真空度达到10-4Pa；
c.熔炼Ni-Y中间合金：在所述步骤b对熔炼炉抽真空过程完成后，向熔炼炉中充入氩气至保护气氛压力为0.02～0.03MPa，使熔炼炉通电至少两分钟，控制功率30kW，预热原料Y和Ni，促进排气，防止飞溅；然后采用悬浮熔炼工艺，提高供电功率到80～100kW，将熔炼炉温度升至1400～1500℃，直至原料Y和Ni全部熔化为Ni-Y中间合金熔体，维持Ni-Y中间合金熔体翻滚和搅动状态，并使Ni-Y中间合金熔体保持熔融状态5min，然后使Ni-Y中间合金熔体直接在熔炼炉内进行凝固，得到Ni-Y中间合金；
d.熔炼Mg-Ni-Y合金：将在所述步骤c中制备的Ni-Y中间合金和原料Mg放入熔炼炉中，然后向熔炼炉中充入氩气至保护气氛压力为0.02～0.03MPa，使熔炼炉通电两分钟，控制功率30～50kW，预热Ni-Y中间合金和原料Mg，促进排气，防止飞溅；然后采用悬浮熔炼工艺，提高提高供电功率到80～100kW，将熔炼炉温度升至750～800℃，直至Ni-Y中间合金与原料Mg全部熔化为Mg-Ni-Y合金熔体，使合金熔体保持熔融状态至少10min，使合金熔体成分均匀化；
e.铸造Mg-Ni-Y合金：将浇铸用钢制模具预先加热到170～200℃，然后将在所述步骤d中得到的熔融态合金熔体撇去表面浮渣，并采用钢制模具进行浇铸成Mg-Ni-Y合金铸锭。
本实施例制备的Mg-Ni-Y合金铸锭，其中Y和Ni形成长周期有序相并弥散于Mg合金基体中，且在Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数为19％。
经实验检测分析，本实施例高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金室温力学性能为：抗压强度439MPa，延伸率26.4％。该高强度高塑性Mg-Ni-Y合金的物相组成如图1所示，本实施例利用长周期有序相强化镁合金，采用真空悬浮熔炼炉熔炼合金，直接浇铸成型，可降低熔炼过程中的夹杂物的产生，提高合金成分的均匀性，减少后续均匀化处理的过程，节约能源，提高生产效率。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，合金各组分及其质量百分比为：2.33wt.％的Ni，5.27wt.％的Y，余量为Mg。
在本实施例中，一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金的制备方法，包括如下步骤：
a.备料：按质量分数分别为2.33wt.％的Ni，5.27wt.％的Y和余量为镁的配比进行原料称量配料；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.本步骤与实施例一相同；
e.本步骤与实施例一相同。
本实施例制备的Mg-Ni-Y合金铸锭，其中Y和Ni形成长周期有序相并弥散于Mg合金基体中，且在Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数为25％。
经实验检测分析，本实施例高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金室温力学性能为：抗压强度459MPa，延伸率26.7％。该高强度高塑性Mg-Ni-Y合金的物相组成如图2所示，本实施例利用长周期有序相强化镁合金，采用真空悬浮熔炼炉熔炼合金，直接浇铸成型，可降低熔炼过程中的夹杂物的产生，提高合金成分的均匀性，减少后续均匀化处理的过程，节约能源，提高生产效率。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，合金各组分及其质量百分比为：2.97wt.％的Ni，7.25wt.％的Y，余量为Mg。
在本实施例中，一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金的制备方法，包括如下步骤：
a.备料：按质量分数分别为2.97wt.％的Ni，7.25wt.％的Y和余量为镁的配比进行原料称量配料；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.本步骤与实施例一相同；
e.本步骤与实施例一相同。
本实施例制备的Mg-Ni-Y合金铸锭，其中Y和Ni形成长周期有序相并弥散于Mg合金基体中，且在Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数为35％。
经实验检测分析，本实施例高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金室温力学性能为：抗压强度486MPa，延伸率33.5％，本实施例Mg-Ni-Y合金变现了高强度和高塑性优势结合，为其应用拓宽了更多领域。该高强度高塑性Mg-Ni-Y合金的物相组成如图3所示，本实施例利用长周期有序相强化镁合金，采用真空悬浮熔炼炉熔炼合金，直接浇铸成型，可降低熔炼过程中的夹杂物的产生，提高合金成分的均匀性，减少后续均匀化处理的过程，节约能源，提高生产效率。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，合金各组分及其质量百分比为：4.03wt.％的Ni，9.10wt.％的Y，余量为Mg。
在本实施例中，一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金的制备方法，包括如下步骤：
a.备料：按质量分数分别为4.03wt.％的Ni，9.10wt.％的Y和余量为镁的配比进行原料称量配料；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.本步骤与实施例一相同；
e.本步骤与实施例一相同。
本实施例制备的Mg-Ni-Y合金铸锭，其中Y和Ni形成长周期有序相并弥散于Mg合金基体中，且在Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数为45％。
经实验检测分析，本实施例高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金室温力学性能为：抗压强度470MPa，延伸率27.0％。该高强度高塑性Mg-Ni-Y合金的物相组成如图4所示，本实施例利用长周期有序相强化镁合金，采用真空悬浮熔炼炉熔炼合金，直接浇铸成型，可降低熔炼过程中的夹杂物的产生，提高合金成分的均匀性，减少后续均匀化处理的过程，节约能源，提高生产效率。
综上所述，本发明上述实施例合金各组分及其质量百分比为：1.43～4.03wt.％的Ni，3.23～9.10wt.％的Y，余量为Mg。当Ni的质量百分比低于1.43wt.％，或者Y的质量百分比低于3.23wt.％时，Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数低于18％，对提高Mg-Ni-Y合金强度和塑性的贡献不足；而当Ni的质量百分比低于1wt.％，或者Y的质量百分比低于1wt.％时，对提高Mg-Ni-Y合金强度和塑性几乎没有积极作用；而当Ni的质量百分比高于4.03wt.％，或者Y的质量百分比高于9.10wt.％时，Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数继续下降，长周期有序相明显减少，对提高Mg-Ni-Y合金强度和塑性的作用下降；而当Ni的质量百分比高于5wt.％，或者Y的质量百分比高于10wt.％时，Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相更少，对提高Mg-Ni-Y合金强度和塑性的作用更低，且增加了合金成本，使Mg-Ni-Y合金变得不经济。总之，降低镁合金成分和加工工艺复杂性在镁合金的实际应用中具有更高的工程价值。本发明上述实施例高强度高塑性镁合金克服了传统镁合金存在合金组成成分复杂、加工工艺繁琐、制备成本高等问题。降低熔炼过程中的夹杂物的产生，提高合金成分的均匀性，减少后续均匀化处理的过程，节约能源，提高生产效率，与现有技术相比制备工艺更简单，合金强度和延伸率得到了提升，扩大了镁合金在汽车领域的应用范围。
上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，其特征在于，合金各组分及其质量百分比为：1～5wt.％的Ni，1～10wt.％的Y，余量为Mg。
2.根据权利要求1所述高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，其特征在于：合金各组分及其质量百分比为：1.43～4.03wt.％的Ni，3.23～9.10wt.％的Y，余量为Mg。
3.根据权利要求2所述高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，其特征在于：合金各组分及其质量百分比为：2.33～4.03wt.％的Ni，5.27～9.10wt.％的Y，余量为Mg。
4.根据权利要求2所述高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，其特征在于：合金各组分及其质量百分比为：2.97wt.％的Ni，7.25wt.％的Y，余量为Mg。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，其特征在于：其中Y和Ni形成长周期有序相并弥散于Mg合金基体中，且在Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数为18～51％。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，其特征在于：在Mg-Ni-Y合金中，Ni和Y的质量之比为(0.410～2)：1。
7.根据权利要求6所述高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金，其特征在于：在Mg-Ni-Y合金中，Ni和Y的质量之比为(0.410～0.443)：1。
8.一种高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.备料：按质量分数分别为1～10wt.％的Y、1～5wt.％的Ni和余量为镁的配比进行原料称量配料；
b.对熔炼炉抽真空：采用真空悬浮熔炼炉，将在所述步骤a中准备的Ni和Y原料置于熔炼炉中，对熔炼炉抽真空10～25min，直至真空度达到10-4Pa；
c.熔炼Ni-Y中间合金：在所述步骤b对熔炼炉抽真空过程完成后，向熔炼炉中充入氩气至保护气氛压力为0.02～0.03MPa，使熔炼炉通电至少两分钟，控制功率不低于30kW，预热原料Y和Ni，促进排气，防止飞溅；然后采用悬浮熔炼工艺，提高供电功率到80～100kW，将熔炼炉温度升至1400～1500℃，直至原料Y和Ni全部熔化为Ni-Y中间合金熔体，维持Ni-Y中间合金熔体翻滚和搅动状态，并使Ni-Y中间合金熔体保持熔融状态至少5min，然后使Ni-Y中间合金熔体直接在熔炼炉内进行凝固，得到Ni-Y中间合金；
d.熔炼Mg-Ni-Y合金：将在所述步骤c中制备的Ni-Y中间合金和原料Mg放入熔炼炉中，然后向熔炼炉中充入氩气至保护气氛压力为0.02～0.03MPa，使熔炼炉通电至少两分钟，控制功率30～50kW，预热Ni-Y中间合金和原料Mg，促进排气，防止飞溅；然后采用悬浮熔炼工艺，提高提高供电功率到80～100kW，将熔炼炉温度升至750～800℃，直至Ni-Y中间合金与原料Mg全部熔化为Mg-Ni-Y合金熔体，使合金熔体保持熔融状态至少10min，使合金熔体成分均匀化；
e.铸造Mg-Ni-Y合金：将浇铸用钢制模具预先加热到170～200℃，然后将在所述步骤d中得到的熔融态合金熔体撇去表面浮渣，并采用钢制模具进行浇铸成Mg-Ni-Y合金铸锭。
9.根据权利要求1所述高强度高塑性铸造Mg-Ni-Y合金的制备方法，其特征在于：在所述步骤e中，所制备的Mg-Ni-Y合金铸锭，其中Y和Ni形成长周期有序相并弥散于Mg合金基体中，且在Mg-Ni-Y合金中所述长周期有序相的质量分数为18～51％。
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