CN110284016A

CN110284016A - 一种低密度、中高强稀土铸造镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN110284016A
Application number: CN201910562454.0A
Authority: CN
Inventors: 张景琪; 杜玥; 姚草根; 高鹏; 续秋玉; 王超
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2039-06-26
Also published as: CN110284016B

Abstract

本发明涉及一种低密度、中高强稀土铸造镁合金及其制备方法，属于有色金属材料及工艺技术领域，特别涉及一种低密度、中高强稀土铸造镁合金Mg‑Y‑Gd‑Nd‑Zr合金，该低密度、中高强稀土镁合金主要包括Mg、Y、Gd、Nd和Zr，低密度、中高强是指该稀土镁合金密度不大于1.85g/cm³，抗拉强度不低于320MPa，塑性延伸率不低于5％。

Description

一种低密度、中高强稀土铸造镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低密度、中高强稀土铸造镁合金及其制备方法，属于有色金属材料及工艺技术领域，特别涉及一种低密度、中高强稀土铸造镁合金 Mg-Y-Gd-Nd-Zr合金，该低密度、中高强稀土镁合金主要包括Mg、Y、Gd、 Nd和Zr，低密度、中高强是指该稀土镁合金密度不大于1.85g/cm³，抗拉强度不低于320MPa，塑性延伸率不低于5％。

背景技术

随着航天承力结构件轻质减重需求的不断提升，轻质新型材料的研制不断更新换代。镁合金作为最轻的金属结构材料，备受设计人员的关注。针对航天舱体类零件及性能要求不高的主承力构件，低密度、中高强稀土铸造镁合金的应用是实现航天武器主承力构件的轻质的减重的重要手段。目前，稀土铸造镁合金强度提高主要是通过提高合金化程度，稀土含量的提升势必会提高合金的强密度，同时会降低合金的塑性。其次，大尺寸稀土镁合金铸件的高合金化增加了熔体纯度、铸件铸造性能控制难度。因此，为了实现航天武器主承力结构的工程应用，必须研制出系列低密度、中高强稀土镁合金及艺适宜性较好的材料，以实现稀土镁合金的推广及应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种低密度、中高强稀土铸造镁合金及其制备方法，该方法采用差压铸造工艺提高镁合金的强度和塑性，实现工程样件的制备，工艺通用实用。

本发明的技术解决方案是：

一种低密度、中高强稀土铸造镁合金，该低密度、中高强稀土铸造镁合金的成分包括Mg元素、Y元素、Gd元素、Nd元素和Zr元素，以低密度、中高强稀土铸造镁合金的总质量为100％计算，各成分的质量百分含量为：Y元素的质量百分含量为3％-5％，Gd元素的质量百分含量为1％-4％，Nd元素的质量百分含量为0％-1％，Zr元素的质量百分含量为0.4％-0.6％，余量为Mg 元素。

一种低密度、中高强稀土铸造镁合金的制备方法，该方法的步骤包括：

(1)将原料采用金属坩埚进行熔炼，通过差压铸造得到铸件产品；

原料包括工业纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金、 Mg-Zr中间合金，原料中元素的组成满足Y元素的质量百分含量为3％-5％， Gd元素的质量百分含量为1～4％，Nd元素的质量百分含量为0％-1％，Zr元素的质量百分含量为0.4％-0.6％，余量为Mg元素；

(2)对步骤(1)获得的铸件产品进行固溶时效处理，固溶时效处理工艺参数为：固溶温度480～500℃，保温10～12h，时效温度200℃，保温20-36h，得到低密度、中高强稀土镁合金铸件。

所述的步骤(1)中，采用金属坩埚熔炼，并通入惰性气体进行保护；待熔炼温度达到780℃后搅拌静置保温；

所述的步骤(1)中，通过差压铸造是指将搅拌静置后坩埚安装于差压铸造设备炉中，安装导流装置及砂型模具，在密闭的金属罩体内；差压铸造参数为：充型压力20～25KPa，铸造温度730～740℃；

所述的步骤(2)中，差压铸造得到的铸件进行浇道切除后进行固溶时效处理。

有益效果

(1)本发明提出以Y为主元素，提高Gd元素含量，充分发挥Y、Gd固溶度大，提高合金的固溶强化效果。提高合金的强度；

(2)本发明采用差压铸造提高了合金的致密度和组织均匀性，减少合金铸件产品的缺陷，更有利于改善合金的性能和铸件产品的质量；

(3)本发明Mg-Y-Gd-Nd-Zr合金，采用差压铸造得到的铸件产品具有较高的抗拉强度和伸长率，以Y：4％，Gd：2％，Nd：1％，Zr：0.4％，其余为 Mg，该合金固溶时效处理后，抗拉强度325MPa、伸长率5％；与同合金系铸件产品相比，具有较高的力学性能；

(4)本发明Mg-Y-Gd-Nd-Zr合金，在高温150℃采下，具有较高的强度和塑性，以Y：4％，Gd：2％，Nd：1％，Zr：0.4％，其余为Mg，该合金差压铸造固溶时效后，150℃抗拉强度310MPa，伸长率6％。

(5)本发明合金采用低稀土镁合金，总稀土含量不高于7％，密度不大于 1.85g/cm³，在不降低合金强度和塑性性能的前提下，降低稀土含量，改善合金铸造性能，降低合金密度，提高合金工程样件应用范围，更有利于大尺寸铸件产品的铸造成形。

(6)本发明采用差压铸造方法，更有利于提高合金铸件金属液体的流动性，保证铸件产品组织性能的均匀性，充分发挥材料细晶强化、固溶强化以及时效强化效果，有利于工程样件的推广应用。

(7)本发明涉及一种低密度、中高强稀土镁合金及制备方法，属于有色金属材料及工艺领域。本发明公开一种低密度、中高强稀土镁合金及制备方法；所述镁合金包括如下质量百分比含量的各组分：Y：3％～5％，Gd：1％～4％， Nd:0％～1％，余量为Mg。采用如下工艺制备：配料、差压铸造、固溶时效热处理。本发明提出降低Nd元素含量、提高Gd元素含量提高合金强度，同时利用差压铸造方法，提高合金晶粒尺寸，通过固溶热处理强化，引入亚稳定相，固溶时效强化效果更加显著。该工艺是成分优化、晶粒细化和固溶时效强化于一体的低密度、中高强稀土镁合金的制备方法。本工艺简单，能够提高合金的强度和塑性，同时降低合金成本，有利用制备工程样件推广应用。

附图说明

图1为对比例1中金相组织示意图；

图2为实施例2中金相组织示意图。

具体实施方式

力学性能测试，参照GB/T 228.1。

对比例1

(1)原材料采用工业纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr 中间合金。按照合金成分质量百分含量Y：4％，Gd:1％，Nd:2％，Zr：0.5％，其余为Mg，添加合金元素，其中Gd、Y、Nd、Zr分别以Mg-30Y中间合金、 Mg-23Gd中间合金、Mg-20Nd中间合金、Mg-30Zr中间合金形式加入；

(2)在金属熔炼炉中，先对工业纯镁熔化后，待熔炼温度达到750℃时，添加Mg-Y中间合金，全部熔化后搅拌静置5分钟，刮渣处理后，添加Mg-Gd 中间合金和Mg-Nd中间合金，熔化搅拌5分钟，升温到760℃时，添加Mg-Nd 中间合金，搅拌5分钟，吹氩气，降温到740℃，静置30分钟；

(3)将步骤(2)静置后坩埚转移至差压铸造设备中，并对接安装完砂型模具，使金属坩埚和砂型模具位于差压铸造设备密闭的金属罩中，设定差压铸造工艺参数为：充型压力20Kpa，铸造温度730℃；

(4)对差压铸造后铸件产品进行浇道切除后，对其进行固溶时效处理，固溶温度500℃，保温12h，时效温度200℃，保温36h，得到稀土镁合金舱体铸件；得到的舱体铸件的金相组织如图1所示；

(5)对得到的固溶时效热处理后舱体铸件进行力学性能测试，其中力学性能是指舱体铸件在固溶时效热处理下的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率。表 1为对比例1实测的力学性能。

表1对比例

实施例1

(1)原材料采用工业纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr 中间合金。按照合金成分质量百分含量Y：4％，Gd：2％，Nd：1％Zr：0.5％，其余为Mg，添加合金元素，其中Gd、Y、Nd、Zr分别以Mg-30Y中间合金、 Mg-23Gd中间合金、Mg-20Nd中间合金、Mg-30Zr中间合金形式加入。

(2)在金属熔炼炉中，先对工业纯镁熔化后，待熔炼温度达到750℃时，添加Mg-Y中间合金，全部熔化后搅拌静置5分钟，刮渣处理后，添加Mg-Gd 中间合金和Mg-Nd中间合金，熔化搅拌5分钟，升温到760℃时，添加Mg-Nd 中间合金，搅拌5分钟，吹氩气，降温到740℃，静置30分钟。

(3)将步骤(2)静置后坩埚转移至差压铸造设备中，并对接安装完砂型模具，使金属坩埚和砂型模具位于差压设备密闭的金属罩中，设定差压铸造工艺参数。充型压力25Kpa，铸造温度740℃。

(4)对差压铸造后铸件产品进行浇道切除后，对其进行固溶时效处理，固溶温度500℃，保温12h，时效温度200℃，保温36h，得到稀土镁合金舱体铸件，得到的舱体铸件的金相组织如图2所示；

(5)对得到的固溶时效热处理后舱体铸件进行力学性能测试，其中力学性能是指舱体铸件在固溶时效热处理下的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率。表 2为实施例1实测的力学性能。

表2实施例1室温下力学性能

如图1、2所示，相比对比例1中的金相组织，实施例1中的铸态金相组织，晶界第二相数量明显减少，实施例1采用的合金降低Nd含量。减少了晶界处共晶相，有利于改善合金塑性，同时增加Gd含量，有利于提高合金固溶强化及时效强化效果，这也是同时改善合金的强度和塑性的原因所在。

实施例2

(1)原材料采用工业纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr 中间合金。按照合金成分质量百分含量Y：4％，Gd：3％，Nd：1％Zr：0.5％，其余为Mg，添加合金元素，其中Gd、Y、Nd、Zr分别以Mg-30Y中间合金、 Mg-23Gd中间合金、Mg-20Nd中间合金、Mg-30Zr中间合金形式加入。

(5)对得到的固溶时效热处理后舱体铸件进行力学性能测试，其中力学性能是指舱体铸件在固溶时效热处理下的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率。表 3为实施例2实测的力学性能。

表3实施例2室温下力学性能

Claims

1.一种稀土铸造镁合金，其特征在于：该稀土铸造镁合金的成分包括Mg元素、Y元素、Gd元素和Zr元素，以该稀土铸造镁合金的总质量为100％计算，各成分的质量百分含量为：Y元素的质量百分含量为3％-5％，Gd元素的质量百分含量为1％-4％，Zr元素的质量百分含量为0.4％-0.6％，余量为Mg元素。

2.根据权利要求1所述的一种稀土铸造镁合金，其特征在于：该稀土铸造镁合金的成分还包括Nd元素。

3.根据权利要求2所述的一种稀土铸造镁合金，其特征在于：Nd元素的质量百分含量不大于1％。

4.一种稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)将原料采用金属坩埚进行熔炼，并通过差压铸造得到铸件产品；

(2)对步骤(1)获得的铸件产品进行固溶时效处理，得到稀土镁合金铸件。

5.根据权利要求4所述的一种稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，原料采用金属坩埚进行熔炼是指：将原材料装入金属坩埚中，并通入SF₆和CO₂混合气体进行保护，在熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为780℃，保温4～5min，保温结束后搅拌，然后静置。

6.根据权利要求4所述的一种稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，所述的步骤(1)中，通过差压铸造是指将搅拌静置后的金属坩埚安装于差压铸造设备炉中，并安装导流装置及砂型模具。

7.根据权利要求4所述的一种稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，差压铸造参数为：充型压力20～25KPa，铸造温度730～740℃。

8.根据权利要求4所述的一种稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，原料包括工业纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Zr中间合金，原料中元素的组成满足Y元素的质量百分含量为3％-5％，Gd元素的质量百分含量为1～4％，Nd元素的质量百分含量为0％-1％，Zr元素的质量百分含量为0.4％-0.6％，余量为Mg元素。

9.根据权利要求4所述的一种稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，固溶时效处理前对差压铸造得到的铸件进行浇道切除。

10.根据权利要求4所述的一种稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，固溶时效处理工艺参数为：固溶温度480～500℃，保温10～12h，时效温度200℃，保温20-36h。