CN113462939B

CN113462939B - 一种抗热裂高强高塑性稀土镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN113462939B
Application number: CN202110741613.0A
Authority: CN
Inventors: 苏再军; 默辰星; 周健
Original assignee: Ganzhou Qianbo New Material Technology Co ltd
Current assignee: Ganzhou Qianbo New Material Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: CN113462939A

Abstract

本发明公开了一种抗热裂高强高塑性稀土镁合金及其制备方法。本发明的具体组分为：Y 0.1‑6.0wt％，Sm 0.1‑6.0wt％，Zn 0.01‑2.0wt％，Sn 0.01‑2.0wt％，Ca 0.01‑2.0wt％，Sr 0.01‑1.0wt％，Zr 0.1‑1.0wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量，杂质含量≤0.1wt％，制备方法包括合金熔铸和热处理。本发明利用廉价Sm、Y轻重稀土元素及Zn、Sn、Ca、Sr等非稀土元素进行多元微量合金化，通过产生热稳定性能良好的长程有序相、析出相及弥散相及降低凝固区间提高合金力学性能，减少合金铸造热裂性，而且还可以降低稀土合金元素的使用量。本发明不仅改善了现有WE、GW系列铸造镁合金结构材料塑形较低、抗热裂性较差的技术问题，还解决了其价格昂贵的实际应用问题。

Description

一种抗热裂高强高塑性稀土镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及稀土镁合金技术领域，特别是涉及一种多元抗热裂高强高塑性稀土镁合金及其制备方法。

背景技术

作为工程应用中最轻的金属结构材料，镁合金具有重量轻、比强度和比刚度高、铸造性能、切削加工性能好、可回收性强于塑胶等优异性能，在航空航天、汽车、电子通信等领域得到广泛应用。在实际应用中，由于镁合金塑性加工困难，镁合金产品以铸造为主。目前，主要的高强铸造镁合金为WE43,WE54等WE系合金，其中力学性能较好的WE54合金室温抗拉强度，屈服强度及伸长率分别为280MPa、172MPa、2％，其值大大低于铝合金，尤其是过低的塑性及抗热裂性限制其在工业中的应用。针对此情况，国内外学者经过深入研究成功开发出了一系列高强铸造Mg-RE系镁合金，如GW(Mg-Gd-Y)、GN(Mg-Gd-Nd)系等。但是，上述Mg-RE系高强铸造镁合金的稀土元素含量较高(RE＞10％)，导致其应用成本高，铸造性能及塑性差，尤其是抗热裂性能过低，不能用于大尺寸、薄壁件的生产。随着应用领域不断拓宽及对镁合金综合性能要求的不断提高，对材料的经济性、力学性能、抗热裂性能等提出了更高的要求，开发低成本抗热裂高强高塑性稀土铸造镁合金材料已经迫在眉睫。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种抗热裂高强高塑性铸造稀土镁合金，以提升现有铸造稀土镁合金的强度、塑性及抗热裂性，并降低合金成本。

本发明提供的抗热裂高强高塑性铸造稀土镁合金，包括如下组分：Y 0.1-6.0wt％，Sm 0.1-6.0wt％，Zn 0.01-2.0wt％，Sn 0.01-2.0wt％，Ca 0.01-2.0wt％，Sr0.01-1.0wt％，Zr 0.1-1.0wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量。

进一步的，所述抗热裂高强高塑性铸造稀土镁合金包括如下组分：Y 2.0-5.0wt％，Sm 1.0-4.0wt％，Zn 0.1-1.5wt％，Sn 0.1-1.0wt％，Ca 0.1-1.0wt％，Sr 0.1-0.8wt％，Zr 0.1-0.6wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量。

进一步的，所述不可避免的杂质的单种杂质元素的含量为0-0.1wt％，其杂质的总含量为0-0.1wt％。

本发明的目的之二在于提供上述抗热裂高强高塑性铸造稀土镁合金的制备方法，包括如下步骤：

(a)配料：按设计合金组分别取镁锭、锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金作为原材料，预热烘干备用。

(b)熔炼：将镁锭熔化后，加入锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金，并进行精炼。随后降温浇铸，得到合金铸锭。

(c)热处理：铸锭置于电阻加热炉中进行固溶处理和时效处理，随后取出在空气中自然冷却，得到抗热裂高强高塑性稀土镁合金。

进一步的，在步骤(a)中，镁锭、锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金的预热烘干温度为150℃～250℃。

进一步的，在步骤(b)中，先将熔炼炉坩埚预热至350～450℃，加入镁锭后，加热至700～720℃，至镁锭完全熔化后，升温至730～750℃，加入锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金，搅拌均匀后，升温至760～780℃后加入Mg-Zr中间合金，待中间合金全部熔化后降温至740～760℃进行精炼，除气除渣，在700～740℃静置保温10～30min后进行浇铸，得到合金铸锭。

进一步的，在步骤(c)中，固溶温度为460～550℃，固溶时间为2～40h。

进一步的，在步骤(c)中，时效处理的温度为150～350℃，时间为1～200h。

本发明首次在镁基体中复合添加特定组分及特定成分范围的轻重稀土元素Sm、Y及Zn、Sn、Ca、Sr、Zr等非稀土元素，通过复合添加Sm、Y等廉价轻重稀土元素及Zn、Sn、Ca、Zr等非稀土元素可细化晶粒，形成热稳定性能良好长程有序相，产生新的细小析出相及弥散相，有效抑制晶核或第二相增长，并显著提升固溶强化、析出强化及弥散强化效果，提高合金的强度及塑性。轻稀土Sm元素价格低廉，烧损率低，并具有比Ce、Nd等轻稀土元素更高的固溶强化和析出强化效果；重稀土Y元素价格同样低廉，且具有比轻稀土元素更高的固溶强化和析出强化效果；Sn在镁合金中不仅能产生新的高熔点弥散分布的Mg₂Sn析出相，而且能与稀土元素Sm、Y协同，使合金的固溶强化和析出强化效果更加突出，显著提高合金的强度、塑性和铸造性能；加入Zn元素不仅具有固溶强化和析出强化的双重作用，而且还能与Y元素性能长程有序Mg-Y-Zn相，显著提高合金的塑性和强度，此外，Zn与RE元素的复合加入，有利于降低合金的热裂趋势；Ca元素可以细化合金晶粒，形成热稳定性极高的Mg2Ca相，提高合金的抗蠕变性能及力学性能；室温下Sr在镁基体中溶解度非常小，添加微量Sr元素就能够细化合金组织，还可以降低含Ca合金的离异共晶倾向，减少合金凝固区间，明显改善含钙稀土镁合金的抗热裂性能。Zr元素主要用于细化镁合金的晶粒尺寸。以上元素的复合添加不仅可以降低彼此在镁基体中的固溶度，降低合金元素的使用量，还可以溶入彼此的第二相中，显著提高合金的强化效果。

本发明提供的稀土镁合金的制备方法，通过依次进行配料、熔炼、热处理，使得制成的稀土镁合金不仅具有优异的强度性能，而且具有良好的塑性，能够满足航天航空、轨道、交通等行业的使用需求。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用原料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例提供了一种稀土镁合金及其制备方法，该材料的成分组成，以重量百分比计为：Y 6.0wt％，Sm 4.0wt％，Zn 0.01wt％，Sn 2.0wt％，Ca 0.8wt％，Sr 0.01wt％，Zr0.5wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量，其中不可避免的杂质的总含量不高于0.1wt％。包括以下步骤：

(a)配料：按设计合金组分别取纯镁锭、锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金作为原材料，置于200℃鼓风干燥箱中预热烘干备用。

(b)熔炼：将熔炼炉坩埚预热至450℃，加入镁锭，升温至720℃，将镁锭熔化后，升温至740℃后加入锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金，搅拌均匀后，升温至780℃后加入Mg-Zr中间合金，待中间合金全部熔化后降温至740℃进行精炼，除气除渣，降温至720℃静置保温20min后进行浇铸，得到合金铸锭。

(c)热处理：铸锭置于电阻加热炉中进行固溶处理和时效处理，固溶温度为520℃，固溶时间为6h，随后取出在70℃的热水中冷却。固溶处理后进行时效处理，时效温度为200℃，时间为55h，随后取出在空气中自然冷却，得到抗热裂高强高塑性稀土镁合金。

将按上述方法制备的稀土镁合金进行性能测试，力学性能及抗热裂性能分别为：

室温：抗拉强度为332MPa，屈服强度为214MPa，伸长率为3.0％；

200℃：抗拉强度为324MPa，屈服强度为211MPa，伸长率为5.1％。

抗热裂性能(热裂环法)：临界断裂直径34mm。

实施例2

本实施例提供了一种稀土镁合金及其制备方法，该材料的成分组成，以重量百分比计为：Y 4.0wt％，Sm 4.6wt％，Zn 2.0wt％，Sn 0.01wt％，Ca 1.0wt％，Sr 1.0wt％，Zr0.5wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量，其中不可避免的杂质的总含量不高于0.1wt％。包括以下步骤：

(a)配料：按设计合金组分别取纯镁锭、纯锌锭、纯锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金作为原材料，置于200℃鼓风干燥箱中预热烘干备用。

(b)熔炼：将熔炼炉坩埚预热至450℃，加入镁锭，升温至720℃，将镁锭熔化后，升温至740℃后加入锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金，搅拌均匀后，升温至780℃后加入Mg-Zr中间合金，待中间合金全部熔化后降温至740℃进行精炼，除气除渣，降温至730℃静置保温20min后进行浇铸，得到合金铸锭。

(c)热处理：铸锭置于电阻加热炉中进行固溶处理和时效处理，固溶温度为500℃，固溶时间为8h，随后取出在70℃的热水中冷却。固溶处理后进行时效处理，时效温度为225℃，时间为25h，随后取出在空气中自然冷却，得到抗热裂高强高塑性稀土镁合金。

室温：抗拉强度为320MPa，屈服强度为207MPa，伸长率为2.8％；

200℃：抗拉强度为311MPa，屈服强度为201MPa，伸长率为4.7％。

抗热裂性能(热裂环法)：临界断裂直径39mm。

实施例3

本实施例提供了一种稀土镁合金及其制备方法，该材料的成分组成，以重量百分比计为：Y 0.1wt％，Sm 6.0wt％，Zn 0.1wt％，Sn 0.5wt％，Ca 2.0wt％，Sr 0.8wt％，Zr0.4wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量，其中不可避免的杂质的总含量不高于0.1wt％。包括以下步骤：

(b)熔炼：将熔炼炉坩埚预热至450℃，加入镁锭，升温至720℃，将镁锭熔化后，升温至740℃后加入锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金，搅拌均匀后，升温至780℃后加入Mg-Zr中间合金，待中间合金全部熔化后降温至740℃进行精炼，除气除渣，降温至710℃静置保温20min后进行浇铸，得到合金铸锭。

(c)热处理：铸锭置于电阻加热炉中进行固溶处理和时效处理，固溶温度为490℃，固溶时间为14h，随后取出在70℃的热水中冷却。固溶处理后进行时效处理，时效温度为250℃，时间为8h，随后取出在空气中自然冷却，得到抗热裂高强高塑性稀土镁合金。

室温：抗拉强度为280MPa，屈服强度为189MPa，伸长率为4.1％；

200℃：抗拉强度为262MPa，屈服强度为181MPa，伸长率为6.5％。

抗热裂性能(热裂环法)：临界断裂直径55mm。

实施例4

本实施例提供了一种稀土镁合金及其制备方法，该材料的成分组成，以重量百分比计为：Y 4.5wt％，Sm 2.5wt％，Zn 0.2wt％，Sn 0.6wt％，Ca 0.2wt％，Sr 0.2wt％，Zr0.5wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量，其中不可避免的杂质的总含量不高于0.1wt％。包括以下步骤：

(c)热处理：铸锭置于电阻加热炉中进行固溶处理和时效处理，固溶温度为520℃，固溶时间为6h，随后取出在70℃的热水中冷却。固溶处理后进行时效处理，时效温度为225℃，时间为25h，随后取出在空气中自然冷却，得到抗热裂高强高塑性稀土镁合金。

室温：抗拉强度为360MPa，屈服强度为252MPa，伸长率为7.5％；

200℃：抗拉强度为348MPa，屈服强度为242MPa，伸长率为10％。

抗热裂性能(热裂环法)：临界断裂直径58mm。

实施例5

本实施例提供了一种稀土镁合金及其制备方法，该材料的成分组成，以重量百分比计为：Y 4wt％，Sm 3.0wt％，Zn 0.3wt％，Sn 0.3wt％，Ca 0.2wt％，Sr 0.3wt％，Zr0.5wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量，其中不可避免的杂质的总含量不高于0.1wt％。包括以下步骤：

室温：抗拉强度为365MPa，屈服强度为244MPa，伸长率为9.0％；

200℃：抗拉强度为345MPa，屈服强度为229MPa，伸长率为13％。

抗热裂性能(热裂环法)：临界断裂直径60mm。

实施例6

本实施例提供了一种稀土镁合金及其制备方法，该材料的成分组成，以重量百分比计为：Y 4wt％，Sm 0.1wt％，Zn 0.8wt％，Sn 0.5wt％，Ca 0..01wt％，Sr 0.4wt％，Zr0.4wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量，其中不可避免的杂质的总含量不高于0.1wt％。包括以下步骤：

(c)热处理：铸锭置于电阻加热炉中进行固溶处理和时效处理，固溶温度为500℃，固溶时间为6h，随后取出在70℃的热水中冷却。固溶处理后进行时效处理，时效温度为250℃，时间为12h，随后取出在空气中自然冷却，得到抗热裂高强高塑性稀土镁合金。

室温：抗拉强度为285MPa，屈服强度为214MPa，伸长率为6.1％；

200℃：抗拉强度为271MPa，屈服强度为208MPa，伸长率为8.3％。

抗热裂性能(热裂环法)：临界断裂直径62mm。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种抗热裂高强高塑性稀土镁合金，其特征在于，包括如下组分：Y 4.0-6.0wt％，Sm0.1wt％，Zn 0.01-0.1wt％，Sn 0.01-2.0wt％，Ca 0.01-0.2wt％，Sr 0.01-1.0wt％，Zr0.1-1.0wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量，杂质含量≤0.1wt％。

2.根据权利要求1所述的抗热裂高强高塑性稀土镁合金，其特征在于，包括如下组分：Y4.0-5.0wt％，Sm 0.1wt％，Zn 0.1-0.1wt％，Sn 0.1-1.0wt％，Ca 0.1-0.2wt％，Sr0.1-0.8wt％，Zr 0.1-0.6wt％，其余为Mg及不可避免的杂质含量，杂质含量≤0.1wt％。

3.如权利要求1-2任一项所述的抗热裂高强高塑性稀土镁合金的制备方法，包括如下步骤：

(a)配料：按设计合金组分别取镁锭、锌锭、锡锭、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金作为原材料，预热烘干备用；

(b)熔炼：将镁锭熔化后，加入锌锭、锡锭、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金，待完全熔化后进行精炼，随后降温浇铸，得到合金铸锭；

4.根据权利要求3所述的抗热裂高强高塑性稀土镁合金的制备方法，其特征在于，在步骤(a)中，镁锭、锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金的预热烘干温度为150℃～250℃。

5.根据权利要求3所述的抗热裂高强高塑性稀土镁合金的制备方法，其特征在于，在步骤(b)中，先将熔炼炉坩埚预热至350～450℃，加入镁锭后，加热至700～720℃，至镁锭完全熔化后，升温至730～750℃，加入锌锭、锡锭、Mg-Y中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金，搅拌均匀后，升温至760～780℃后加入Mg-Zr中间合金，待中间合金全部熔化后降温至740～760℃进行精炼，除气除渣，在700～740℃静置保温10～30min后进行浇铸，得到合金铸锭。

6.根据权利要求3所述的抗热裂高强高塑性稀土镁合金的制备方法，其特征在于，在步骤(c)中，固溶温度为460～550℃，固溶时间为2～40h。

7.根据权利要求3所述的抗热裂高强高塑性稀土镁合金的制备方法，其特征在于，在步骤(c)中，时效处理的温度为150～350℃，时间为1～200h。