CN111575564B - 一种耐热稀土镁合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐热稀土镁合金及其制备方法和应用，所述稀土镁合金包含如下重量百分比的各组分：Gd 4.5～7％，Ce 0.5～1.0％，Zr 0.1～0.5％，Sb 0.2～3％，Al 2～4％，Mn 0.3～0.6％，杂质小于0.02％，余量为镁。本发明从优化合金成分、细化变质处理及热强化等方面对镁合金进行研究，大幅度提高了传统镁合金的力学性能，包括高温强度、塑性，抗蠕变性及耐磨性等。

Description

一种耐热稀土镁合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及稀土镁合金技术领域，更具体的说是涉及一种耐热稀土镁合金及其制备方法和应用。

背景技术

镁是最轻的金属结构材料，在汽车上应用日益增多。汽车每减重100Kg，则100Km节油0.5L，同时减少了尾气排放，因此进行镁合金的研究开发对于节约能源、抑制环境污染有着重要意义。

众所周知，发动机是汽车的心脏，而活塞则是发动机中最关键的部件。通常活塞在往复运动过程中会引起震动，并对曲轴施加较大的侧向力。在大功率发动机中，这些力通常要靠昂贵的平衡系统来平衡。因此，选用更轻的活塞除了可以减轻重量，降低油耗之外，还可以大幅减轻活塞运动过程中的震动，提高曲轴的寿命，降低噪声，增加乘坐的舒适性。与传统的铝合金活塞相比，镁合金活塞有望减轻30％的重量。因此，日本专利文献特开2009-36143中公开了在汽车活塞中应用镁合金的内容。

在上述现有技术中，在发动机的活塞上使用了镁合金，但是没有考虑到镁合金在高温条件下的性能。然而，在发动机活塞上使用常规的镁合金时，实际上因为镁合金的高温强度不够，活塞的往复运动仍会引起较大震动，因此通常情况下难以在发动机活塞上使用镁合金。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种耐热稀土镁合金，大幅度提高了传统镁合金的力学性能，包括高温强度、塑性，抗蠕变性及耐磨性等。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耐热稀土镁合金，所述稀土镁合金包含如下重量百分比的各组分：Gd 4.5～7％，Ce 0.5～1.0％，Zr 0.1～0.5％，Sb 0.2～3％，Al 2～4％，Mn 0.3～0.6％，杂质小于0.02％，余量为镁。

采用上述技术方案的有益效果：向Mg-Al系列镁合金中添加一定量的稀土元素不仅可以提高合金的铸造性能和耐腐蚀性能，还可细化基体组织，使β-Mg₁₇Al₁₂相以细小弥散形态分布，同时生成高熔点弥散RE-Al相，从而提高合金的高温力学性能；

但当结晶冷速过慢或稀土元素含量过大时，合金中组织中的RE-Al相会聚集粗化，它对基体产生割裂作用降低了合金的力学性能。Sb是一种价格低廉、应用简便的变质合金元素，在Mg-Al-RE系镁合金中添加表面活性元素Sb，Sb在合金中与RE的电负性最大，将取代Al优先与RE结合形成以RE₂Sb为主的高熔点弥散颗粒相，可作为α-Mg基体的非均质形核的核心细化晶粒，同时可以球化粗大条片状RE₃Al₁₁相，使之更加细化弥散分布，从而提高合金的韧性和耐热性能，合金的强韧性和高温抗蠕变能力均高于现有的AE系镁合金，但添加元素Sb却降低了合金的耐蚀性能，因此，在镁合金中又加入Mn元素，一方面Mn和Fe反应，减少了Fe对合金耐蚀性的影响，另一方面，在晶界处的形成Al-Mn颗粒与β-Mg₁₇Al₁₂相比更易钝化，改善了镁合金的耐蚀性；

Ce元素在Mg中的固溶度不高，最高仅为0.50wt.％，Ce元素与Mg形成共晶相Mg₁₂Ce，共晶相多分布在α-Mg晶界上，能够起到弥散强化作用。在本发明的体系中，Ce元素含量较低时，晶界形成的Mg₁₂Ce弥散相的强化效果较弱，Ce元素含量较高时，晶界形成的Mg₁₂Ce弥散相尺寸较大，会严重恶化合金的室温塑性；

铝在合金中可通过固溶强化和时效强化以提高合金的室温强度，同时可以提高合金铸造性能，但铝含量较大时又损害了合金的韧性，耐热及耐蚀性能，为此铝含量的质量百分数应限制在4％以下。

进一步的，所述杂质的各成分的重量百分比为：Fe＜0.005％，Cu＜0.005％，Ni＜0.002％，Si＜0.01％。

进一步的，所述耐热稀土镁合金是由镁，锑和中间合金Mg-Gd，Mg-Ce，Mg-Zr，Al-Mn为原料熔炼而成。

本发明还公开了上述耐热稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将镁、锑和中间合金Mg-Gd、Mg-Ce、Mg-Zr、Al-Mn预热；

2)将镁在溶剂或CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，于660～690℃加入Al-Mn中间合金，将温度升至700～710℃加入锑，温度升至730～750℃时加入Mg-Gd、Mg-Ce中间合金，温度升至760～790℃时加入中间合金Mg-Zr；

3)当中间合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，在温度升至770～780℃后保持5～15min得混合液；

4)对步骤3)所得混合液进行除氢；

5)向步骤4)所得混合液中加精炼剂精炼，静置，扒渣，低压浇铸，得铸态合金；

6)将步骤5)所得铸态合金进行热处理，即得所述耐热稀土镁合金。

进一步的，所述步骤4)中除氢的方法为：将步骤3)所得混合液降温至730～750℃后通入氩气。

进一步的，所述步骤5)精炼采用镁合金精炼剂精炼5～15分钟；精炼后的静置时间控制在30～40分钟之间，待镁液冷却至710～730℃后撇去表面浮渣。

进一步的，所述步骤5)中低压浇铸的浇注温度为730～740℃，砂型浇道温度为50～120℃，金属型活塞模具温度为250～380℃，然后依次进行升压：60～75s，0.2～0.25atm；保压：1min30s～2min，0.7～0.8atm；卸压：5min～6min，0.2atm；完毕：7～8min，实现低压铸造过程。

进一步的，步骤6)中所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理的处理温度为480～520℃，处理时间为7～15小时，时效处理的处理温度为200～250℃，处理时间为6～15小时。

本发明还公开了上述的耐热稀土镁合金在制造汽车部件中的应用。

本发明还进一步公开了上述的耐热稀土镁合金在制造汽车发动机活塞中的应用。

本发明从优化合金成分、细化变质处理及热强化等方面对镁合金进行研究，提高了其综合性能。

与现有技术相比，本发明采用了比传统铝硅合金活塞材料密度更小的镁合金作为原材料，大大减轻了活塞的重量，除了可以降低油耗外，还可以大幅减轻活塞运动过程中的震动，提高曲轴的寿命，减少噪声，增加乘坐的舒适性；

同时由于本发明采用了新型耐热稀土镁合金作为活塞材料，并通过成分优化和一系列工艺参数的调整，获得晶粒细小、组织致密、尺寸稳定，性能更加优异、能更好满足发动机活塞服役要求的新型耐热稀土镁合金活塞。

本发明制备的耐热稀土镁合金活塞除具有重量轻、工艺简单、成本可接受之外，还具有非常优异的高温强度和抗蠕变性能，能够更好地满足发动机活塞的服役要求。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种耐热稀土镁合金，包含如下重量百分比的各组分：Gd 4.7％，Ce 0.8％，Zr0.3％，Sb 1.5％，Al 2.8％，Mn 0.4％，杂质小于0.02％，余量为镁。

该耐热稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将镁、锑和中间合金Mg-Gd、Mg-Ce、Mg-Zr、Al-Mn预热；

2)将镁在溶剂或CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，于660℃加入Al-Mn中间合金，将温度升至710℃加入锑，温度升至735℃时加入Mg-Gd、Mg-Ce中间合金，温度升至790℃时加入中间合金Mg-Zr；

3)当中间合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，在温度升至780℃后保持5min得混合液；

4)将步骤3)所得混合液降温至740℃后通入氩气进行除氢；

5)向步骤4)所得混合液中加镁合金精炼剂精炼5分钟；精炼后的静置时间控制在30分钟，待镁液冷却至710℃后撇去表面浮渣，低压浇铸：浇注温度为740℃，砂型浇道温度为100℃，金属型活塞模具温度为280℃，然后依次进行升压：60s，0.25atm；保压：1min20s，0.7atm；卸压：5min30s，0.2atm；完毕：7min10s，得铸态合金；

6)将步骤5)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理的处理温度为500℃，处理时间为10小时，时效处理的处理温度为210℃，处理时间为7小时，即得所述耐热稀土镁合金。

实施例2

一种耐热稀土镁合金，包含如下重量百分比的各组分：Gd 6.8％，Ce 0.5％，Zr0.4％，Sb 2.8％，Al 3.5％，Mn 0.3％，杂质小于0.02％，余量为镁。

该耐热稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将镁、锑和中间合金Mg-Gd、Mg-Ce、Mg-Zr、Al-Mn预热；

2)将镁在溶剂或CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，于680℃加入Al-Mn中间合金，将温度升至700℃加入锑，温度升至750℃时加入Mg-Gd、Mg-Ce中间合金，温度升至780℃时加入中间合金Mg-Zr；

3)当中间合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，在温度升至770℃后保持10min得混合液；

4)将步骤3)所得混合液降温至740℃后通入氩气进行除氢；

5)向步骤4)所得混合液中加镁合金精炼剂精炼10分钟；精炼后的静置时间控制在40分钟，待镁液冷却至720℃后撇去表面浮渣，低压浇铸：浇注温度为740℃，砂型浇道温度为80℃，金属型活塞模具温度为300℃，然后依次进行升压：75s，0.2～0.25atm；保压：1min40s，0.8atm；卸压：6min，0.2atm；完毕：7min40s，得铸态合金；

6)将步骤5)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理的处理温度为520℃，处理时间为13小时，时效处理的处理温度为230℃，处理时间为8小时，即得所述耐热稀土镁合金。

实施例3

一种耐热稀土镁合金，包含如下重量百分比的各组分：Gd 4.5～7％，Ce 0.5～1.0％，Zr 0.1～0.5％，Sb 0.2～3％，Al 2～4％，Mn 0.3～0.6％，杂质小于0.02％，余量为镁。

该耐热稀土镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将镁、锑和中间合金Mg-Gd、Mg-Ce、Mg-Zr、Al-Mn预热；

2)将镁在溶剂或CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，于660℃加入Al-Mn中间合金，将温度升至700℃加入锑，温度升至730℃时加入Mg-Gd、Mg-Ce中间合金，温度升至760℃时加入中间合金Mg-Zr；

3)当中间合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，在温度升至770℃后保持5～15min得混合液；

4)将步骤3)所得混合液降温至730℃后通入氩气进行除氢；

5)向步骤4)所得混合液中加镁合金精炼剂精炼15分钟；精炼后的静置时间控制在30分钟，待镁液冷却至710℃后撇去表面浮渣，低压浇铸：浇注温度为740℃，砂型浇道温度为60℃，金属型活塞模具温度为250℃，然后依次进行升压：75s，0.25atm；保压：2min，0.7atm；卸压：5min40s，0.2atm；完毕：7min30s，得铸态合金；

6)将步骤5)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理的处理温度为480℃，处理时间为8小时，时效处理的处理温度为200℃，处理时间为15小时，即得所述耐热稀土镁合金。

实施例4

采用国产DDL-100电子万能试验机对本发明实施例1-3制备得到的耐热稀土镁合金的力学性能进行测试，测试结果如表1所示：

表1：本发明实施例1-3制备得到的耐热稀土镁合金力学性能测试结果

按照GB/T2039-2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》的标准，测试本发明实施例1-3制备得到的耐热稀土镁合金的高温蠕变性能，300℃/50MPa蠕变条件下，检测结果如表2所示：

表2：本发明实施例1-3制备得到的耐热稀土镁合金的高温蠕变性能

样品	稳态蠕变速率(S<sup>-1</sup>)	100小时的蠕变应变(％)
			实施例1	2.55×10<sup>-9</sup>	0.35
实施例2	2.63×10<sup>-9</sup>	0.37
			实施例3	2.42×10<sup>-9</sup>	0.31

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种耐热稀土镁合金，其特征在于，所述稀土镁合金包含如下重量百分比的各组分：Gd 4.5～6.8％，Ce 0.5～1.0％，Zr 0.1～0.5％，Sb 0.2～3％，Al 2～4％，Mn 0.3～0.6％，杂质小于0.02％，余量为镁；

所述稀土镁合金的制备方法包括下列步骤：

1)将镁、锑和中间合金Mg-Gd、Mg-Ce、Mg-Zr、Al-Mn预热；

2)将镁在溶剂或CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，于660～690℃加入Al-Mn中间合金，将温度升至700～710℃加入锑，温度升至730～750℃时加入Mg-Gd、Mg-Ce中间合金，温度升至760～790℃时加入中间合金Mg-Zr；

3)当中间合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，在温度升至770～780℃后保持5～15min得混合液；

4)对步骤3)所得混合液进行除氢；

5)向步骤4)所得混合液中加精炼剂精炼，静置，扒渣，低压浇铸，得铸态合金；

6)将步骤5)所得铸态合金进行热处理，即得所述耐热稀土镁合金；

所述步骤5)中低压浇铸的浇注温度为730～740℃，砂型浇道温度为50～120℃，金属型活塞模具温度为250～380℃，然后依次进行升压：60～75s，0.2～0.25atm；保压：1min30s～2min，0.7～0.8atm；卸压：5min～6min，0.2atm；完毕：7～8min，实现低压铸造过程；

步骤6)中所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理的处理温度为480～520℃，处理时间为7～15小时，时效处理的处理温度为200～250℃，处理时间为6～15小时。

2.根据权利要求1所述的耐热稀土镁合金，其特征在于，所述杂质的各成分的重量百分比为：Fe＜0.005％，Cu＜0.005％，Ni＜0.002％，Si＜0.01％。

3.根据权利要求1所述的耐热稀土镁合金，其特征在于，所述步骤4)中除氢的方法为：将步骤3)所得混合液降温至730～750℃后通入氩气。

4.根据权利要求1所述的耐热稀土镁合金，其特征在于，所述步骤5)精炼采用镁合金精炼剂精炼5～15分钟；精炼后的静置时间控制在30～40分钟之间，待镁液冷却至710～730℃后撇去表面浮渣。

5.如权利要求1-4所述的耐热稀土镁合金在制造汽车部件中的应用。

6.如权利要求1-4所述的耐热稀土镁合金在制造汽车发动机活塞中的应用。