CN112458349A - 一种含钕和钇的低稀土高强度变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含稀土钕和钇的高强度变形镁合金，该合金的成分包含Mg、Zn、Zr、Y、Nd，各组分质量百分含量为：Zn：5.50~6.50wt.%；Zr：0.47~0.80wt.%；Nd：0.45~0.50wt.%；Y:0.72~1.00wt.%；不可避免的杂质<0.10wt.%；余量为Mg。本发明制备方法是对含稀土钕和钇的镁合金铸锭均匀化后进行热挤压，晶粒得到显著细化，同时钕、钇与合金中的镁、锌等元素形成第二相，这些第二相在热挤压过程中会重新破碎分布成为细小弥散的强化相，能有效阻碍热变形过程中再结晶晶粒的长大并强化基体，可获得较好的力学性能，热挤压之后进行低温时效处理，可进一步提升强度，时效后抗拉强度超过400MPa，高于目前多数商用镁合金，该合金成本较低，采用常规的熔炼热挤压工艺，具有较好的可操作性和实用性，便于推广应用。

Description

一种含钕和钇的低稀土高强度变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金，特别涉及一种含钕和钇的低稀土高强度变形镁合金及制备方法。

背景技术

镁合金具有密度低、导热导电性能好、比强度比模量高等优点，并且镁储量丰富易回收，所以在金属结构材料领域受到了越来越多的关注。镁合金回收较为简单，其腐蚀产物也不会对大气环境土地环境造成污染。镁的低密度可以减少车辆的重量，从而提高燃油效率并减少温室气体排放。这是镁合金材料被称为“21世纪绿色金属结构工程材料”的原因。然而，由于镁合金的绝对强度低、塑性变形能力差，大大的限制了镁合金在结构材料上的广泛应用，因此有必要开发高强镁合金以扩大镁合金的实际应用。

基于镁合金的强韧化机制，研究学者对高强镁合金进行了大量研究。在镁合金中加入大量的代表性的Gd、Y、Ag和Zn 等元素，通过合金化的方法显著提高镁合金的强度，或者通过改善热加工变形工艺来进一步提升力学性能。Mordike BL等研究了Mg-Y-Zn-Zr,Mg-Zn-Y, Mg-Y-Zr等几种典型抗蠕变稀土镁合金，发现Y元素具有较好的强化效果。前苏联的RokhlinL L等研发的Mg-10Gd-5Y-0.5Mn合金在热挤压态（挤压比A=34.8）-T5态的室温抗拉强度为400~435MPa，屈服强度为345~385MPa，但是室温伸长率只有4%。周立华等人通过改变Mg-6A1-3Sn-1Mn镁合金的挤压温度和挤压比，将其抗拉强度提升了10%到15%；但加入过多重稀土元素大大地升高了制造成本，不利于大规模应用。因此，如何开发出低成本低稀土的高强镁合金是本领域技术人员有待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种低成本低稀土的高强镁合金，在尽可能降低成本的基础上解决现有变形镁合金强度差，尤其是屈服强度较差的问题。

进一步，本发明还提供所述变形镁合金的制备方法，以简化工艺、提高可控性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含钕和钇的低稀土高强度变形镁合金，其组分的质量百分含量为：Zn：5.50~6.50wt.%，Zr：0.47~0.80wt.%，Nd：0.45~0.50wt.%；Y: 0.72~1.00wt.%；不可避免的杂质<0.10wt.%；余量为Mg。

进一步，本发明提供的低稀土高强变形镁合金及制备方法，其组分含量如上，制备方法包括如下步骤：

a)合金熔炼及铸造：原材料为工业纯镁锭、纯锌粒、Mg-30wt.%Zr中间合金、Mg-30wt.%Nd中间合金、Mg-30wt.%Y中间合金；先将纯镁放在不锈钢坩埚中随炉预热至200~250℃，保温1~2h；随后通入保护性气体，在SF₆+CO₂气体保护下，将感应炉升温，加热熔炼；待纯镁块熔化后将镁熔液温度重新升至720到740℃，向镁熔液中加入提前预热和烘干的Mg-Y和Mg-Nd中间合金，加入时应使中间合金块迅速进去入液面以下，融化后搅拌均匀；待温度升至690~720℃时，按所述合金成分配比量加入纯锌粒，加入时迅速压入液面以下，将镁熔液温度升至740~760℃，加入Mg-Zr中间合金，待熔化后打捞熔体表面浮渣，搅拌2~5分钟，使成分均匀；在730~750℃静置30~60分钟，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到690~710℃时，在SF₆+CO₂气体保护下，在200~300℃的铁模内进行浇铸；

b) 机加工：将步骤a）制得的铸锭进行表面车皮，去除头部和底部的铸造缺陷；加工至合适尺寸备用；

c) 均匀化：在390~420℃温度条件下进行均匀化处理，保温时间为12~15h；

d) 热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭加工至合适尺寸，除去表面氧化皮，选择2个不同直径尺寸的挤压模具，将处理后铸锭和挤压模具在350~400℃预热2~3h，挤压温度为390℃~420℃，挤压比为10:1至25:1，挤压速率为0.60~1.20 m/min，分别获得直径为16mm和25mm的镁合金棒材；

e) 时效处理：将挤压好的试样切样，放入真空干燥箱中，温度为150~200℃，时间为10~40h。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明是对含稀土钕和钇的镁合金铸锭均匀化后进行热挤压，晶粒得到显著细化，同时钕、钇与合金中的镁、锌等元素形成第二相，这些第二相在热挤压过程中会重新破碎分布成为细小弥散的强化相，能有效阻碍热变形过程中再结晶晶粒的长大并强化基体，可获得较好的力学性能，热挤压之后进行低温时效处理，可进一步提升强度，时效后抗拉强度超过400MPa，高于目前多数商用镁合金，该合金成本较低，采用常规的熔炼热挤压工艺，具有较好的可操作性和实用性，便于推广应用。

2、本发明含钕和钇的低稀土高强度变形镁合金中，通过添加微量的稀土Nd与Y，细化了组织和晶粒，与Mg、Zn结合，形成高熔点的Mg-Zn-Nd和Mg-Zn-Y三元相，在热挤压变形过程中，这些相破碎成十分细小的颗粒，均匀弥散的分布于镁基体中，强化基体，弱化了挤压丝织构，同时能有效的促进动态再结晶，阻碍再结晶晶粒的长大，从而得到细小的再结晶晶粒。经热挤压之后，抗拉强度最高可达399MPa，延伸率可达12.5%，明显高于传统商用变形镁合金ZK60的强度，时效后，抗拉强度最高可达408MPa，同时保证了一定的延伸率，这充分证明了镁合金的在结构材料上的使用潜力。

3、本发明工艺简单，容易操作和调控，所采用的如熔炼炉、热挤压机等均为常规通用设备，具有可移植性强、易于工业化应用的特点。

附图说明

图1 实施例1镁合金铸态微观组织扫描照片；

图2实施例2镁合金铸态微观组织扫描照片；

图3实施例3镁合金铸态微观组织扫描照片；

图4实施例4镁合金铸态微观组织扫描照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。应说明的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围不限于以下的实施例。

实施例1：本实施例的含钕和钇的低稀土镁合金，按组分的包括（重量百分比）：Zn5.67wt.%，Zr 0.47wt.%，Nd 0.45wt.%，Y 0.72wt.%，不可避免的杂质<0.10wt.%；余量为Mg。

其制备方法包括如下步骤：

a) 合金熔炼及铸造：

采用半连续方法铸造，先将纯镁放在不锈钢坩埚中随炉预热至200℃，保温1h；随后通入保护性气体，在SF₆+CO₂气体保护下，将感应炉升温，加热熔炼；待纯镁熔化后将熔液温度重新升至720℃，向镁熔液中加入提前预热和烘干的Mg-Y和Mg-Nd中间合金，加入时应使中间合金块迅速进去入液面以下，融化后搅拌均匀；待温度升至690℃时，按所述合金成分配比量加入纯锌粒，加入时迅速压入液面以下，将镁熔液温度升至760℃，加入Mg-Zr中间合金，待熔化后打捞熔体表面浮渣，搅拌2分钟，使成分均匀；在730℃静置30分钟，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到710℃时，在SF₆+CO₂气体保护下，在300℃的铁模内进行浇铸；

b）机加工：将步骤a）制得的铸锭进行表面车皮，去除头部和底部的铸造缺陷；加工至合适尺寸备用；

c）均匀化：在390℃温度条件下进行均匀化处理，保温时间为12h；

d）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭加工至合适尺寸，除去表面氧化皮，选择2个不同尺寸的挤压模具，和挤压模具在370℃预热2小时，挤压温度为390℃，挤压比为25:1，挤压速率为0.60m/min，分别获得直径为16mm和25mm的镁合金挤压棒材；

e）时效处理：将挤压好的试样切样，放入真空干燥箱中，温度为180℃，时间为18h。

实施例2：本实施例的含钕和钇低稀土镁合金，按重量百分比包括以下成分：Zn5.70wt.%，Zr 0.64 wt.%，Nd 0.48 wt.%，Y 0.73 wt.%，不可避免的杂质<0.10wt.%；余量为Mg。

其合金冶炼及铸造-机加工-均匀化-热挤压-时效处理方法与实施例1相同。

实施例3：本实施例的含钕和钇低稀土镁合金，按重量百分比包括以下成分：Zn6.40wt.%，Zr 0.59 wt.%，Nd 0.46 wt.%，Y 1.00 wt.%，不可避免的杂质<0.10wt.%；余量为Mg。

其合金冶炼及铸造-机加工-均匀化-热挤压-时效处理方法与实施例1相同，不同之处在于挤压比为10:1。

实施例4：本实施例的含钕和钇低稀土镁合金，按重量百分比包括以下成分：Zn6.50wt.%，Zr 0.80 wt.%，Nd 0.50wt.%，Y 0.90 wt.%，不可避免的杂质<0.10wt.%；余量为Mg。

其合金冶炼及铸造-机加工-均匀化-热挤压-时效处理方法与实施例1相同，不同之处在于挤压比为10:1。

取上述实施例1、2、3和4镁合金挤压棒材时效后进行室温拉伸测试实验，测出的性能见表1。为了便于比较，表1中同时给出了普通商用ZK60挤压T5棒材的力学性能数据。

表1 本发明所述低稀土高强度镁合金的室温力学性能

合金	屈服强度σ<sub>0.2</sub>/MPa	抗拉强度 σ<sub>b</sub>/MPa	延伸率 δ/%
				商用ZK60	250-285	320-350	10-15
实施例1	362	404	10.2
				实施例2	374	408	4.8
实施例3	368	403	12.0
				实施例4	368	405	8.8

由表1可见，本发明的合金（实施例1、2、3和4）比未添加稀土元素的变形镁合金ZK60（时效态）具有更高的强度，尤其是屈服强度，显著高于ZK60镁合金。最大抗拉强度408MPa，最大屈服强度374MPa，已能满足大多数工业领域对镁合金承载能力的要求。

图1~图4为实施例1~4的镁合金铸态微观组织扫描电镜显微组织形貌照片，由此可以看出，钕和钇的加入能有效细化形成的等轴晶晶粒；经过热挤压之后，未溶第二相呈挤压方向分布且破碎成颗粒状；这些均匀弥散的分布着细小的第二相颗粒经能谱分析表明是Nd、Y与Mg、Zn结合形成的Mg-Zn-Nd、 Mg-Zn-Y三元相和MgZn相，这些第二相能有效的促进动态再结晶，弱化挤压织构，降低各向异性，阻碍再结晶晶粒的长大，因此能获得相当细小的再结晶晶粒，第二相Mg-Zn-Nd和Mg-Zn-Y具有很好的强度和高温稳定性，能有效阻碍位错滑移，强化基体。随后的直接时效处理中，镁合金中可析出许多纳米级尺寸十分细小的MgZn相，并且呈均匀弥散分布，这能够有效阻碍基面位错的滑移，进而显著提高合金的强度。由此可见，本发明所述变形镁合金的高强度的强化方式主要来源于热挤压的细晶强化和时效过程中的析出强化。

本发明是在ZK60镁合金中加入一定量的钕与钇元素，稀土元素有效细化晶粒，钕、钇与合金中的镁、锌形成细小弥散的强化相，能有效阻碍热变形过程中再结晶晶粒的长大并强化基体，经过热挤压和时效处理后的添加稀土元素的镁合金强度显著高于高强度变形镁合金ZK60，同时保证了一定的塑性。本发明的材料可増加镁合金金属材料的实用性和可靠性，进一步挖掘了镁合金材料的使用潜力。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种含钕和钇的低稀土高强度变形镁合金，其特征在于，其组分的质量百分含量为：Zn：5.50~6.50wt.%，Zr：0.47~0.80wt.%，Nd：0.45~0.50wt.%；Y: 0.72~1.00wt.%；不可避免的杂质<0.10wt.%；余量为Mg。

2.一种含钕和钇的低稀土高强度镁合金的制备方法，其特征在于，其组分含量如权利要求1，其制备方法包括如下步骤：

a）合金熔炼及铸造：原材料为工业纯镁锭、纯锌粒、Mg-30wt.%Zr中间合金、Mg-30wt.%Nd中间合金、Mg-30wt.%Y中间合金；

先将纯镁放在不锈钢坩埚中随炉预热至200~250℃，保温1~2h；随后通入保护性气体，在SF₆+CO₂气体保护下，将感应炉升温，加热熔炼；待纯镁块熔化后将镁熔液温度重新升至720~740℃，向镁熔液中加入提前预热和烘干的Mg-Y和Mg-Nd中间合金，加入时应使中间合金块迅速进去入液面以下，融化后搅拌均匀；待温度升至690~720℃时，按所述合金成分配比量加入纯锌粒，加入时迅速压入液面以下，将镁熔液温度升至740~760℃，加入Mg-Zr中间合金，待熔化后打捞熔体表面浮渣，搅拌2~5分钟，使成分均匀；在730~750℃静置30~60min，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到690~710℃时，在SF₆+CO₂气体保护下，在200~300℃的铁模内进行浇铸；

b）机加工：将步骤a）制得的铸锭进行表面车皮，去除头部和底部的铸造缺陷；加工至合适尺寸备用；

c）均匀化：在390~420℃温度条件下进行均匀化处理，保温时间为12~15h；

d）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭加工至合适尺寸，除去表面氧化皮，选择2个不同直径尺寸的挤压模具，将处理后铸锭和挤压模具在350~400℃预热2~3h，挤压温度为390~420℃，挤压比为10:1~25:1，挤压速率为0.60~1.20m/min，分别获得直径为16~25mm的镁合金棒材

e）时效处理：将挤压好的试样切样，放入真空干燥箱中，温度为150~200℃，时间为10~40h。

3.根据权利要求2所述含钕和钇的低稀土高强度镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤d）热挤压中：挤压比为10:1。

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