CN114807706B - 一种高性能变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高性能变形镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高性能变形镁合金及其制备方法,镁合金以质量百分比计,包括以下组分:Sm2.0~2.4%,Nd1.0~1.4%,Gd1.0~1.4%,Zn0.4~0.6%,Zr0.4~0.6%,余量为Mg,制备时,取各组分,依次通过合金熔铸、固溶处理、热挤压及三步法时效处理,即可得到本发明的高性能变形镁合金,该镁合金室温下抗拉强度高于420MPa,断后伸长率高于8%。

Description

一种高性能变形镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金技术领域,具体涉及一种高性能变形镁合金及其制备方法。
背景技术
作为当前工程应用中最轻的金属结构材料,镁合金具有密度低、比强度比刚度高、电磁屏蔽性能良好、阻尼减振性能优越、易回收等优点,在电子工业、汽车制造及航空航天领域中具有重要的应用前景。近几十年来的研究表明,以稀土作为合金化元素配合热处理可显著提高镁合金的室温及高温力学性能。例如,我国开发了含稀土的ZM6合金,其抗拉强度为225MPa,断后伸长率为3%;英国也开发了含Y元素和Nd元素的WE54合金,其室温抗拉强度为 280MPa,断后伸长率为4%。
随着新一代航空航天仪器和设备的发展,对镁合金材料的强度和塑性提出了更高的要求,如何进一步提高镁合金的强度和塑性成为影响新一代航空航天仪器和设备发展的一个重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能变形镁合金及其制备方法,该合金在室温下具有明显优于WE54合金的强度和塑性,且稀土含量远低于WE54合金。
本发明为了达到上述目的所采用的技术方案是:
一种高性能变形镁合金,以质量百分比计,包括以下组分:Sm2.0~2.4%,Nd1.0~1.4%,Gd1.0~1.4%,Zn0.4~0.6%,Zr0.4~0.6%,余量为Mg。
进一步地,Sm 2.0%,Nd1.4%,Gd1.0%,Zn0.6%,Zr0.4%,余量为Mg。
一种高性能变形镁合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、制备镁合金铸锭:按照质量百分比取各组分原料,熔炼得镁合金熔液,浇铸得到镁合金铸锭;
S2、固溶处理:对镁合金铸锭在500~520℃下,保温10~12h;
S3、热挤压:对固溶处理后的镁合金铸锭在340~380℃下预热1~2h,并在340~380℃下进行热挤压,冷却至室温得到变形镁合金;
S4、时效处理:对变形镁合金在180-220℃下保温12-24h,即得所述高性能变形镁合金。
进一步地,S1中,取纯镁和稀土中间合金Mg-25Sm、Mg-25Nd、Mg-25Gd加入电磁感应炉,在惰性气体保护气氛下加热至730~750℃并保温,加入纯锌和Mg-20Zr合金,得到合金液,然后在预热至150~200℃的钢制金属型模具中浇注成型,冷却后得到镁合金铸锭。
进一步地,惰性气体采用体积比为99:1的CO2和SF6
进一步地,S3中,挤压速率为0.5~1.0mm/s,挤压后空冷至室温,得到变形镁合金。
进一步地,S4中,时效处理的过程为:
第一步时效处理:加热温度200~210℃,保温时间6~8h;
第二步时效处理:加热温度220~230℃,保温时间2~4h;
第三步时效处理:加热温度240~250℃,保温时间1~2h。
本发明的有益效果:
1.本发明的变形镁合金的合金组分为Mg-Sm-Nd-Gd-Zn-Zr,采用轻稀土元素Sm、Nd作为第一、第二组分并与重稀土元素Gd联合加入,Sm、Nd和Gd在镁中的最大固溶度分别为5.8wt%、3.6wt%和23.5wt%,Sm的加入量为2.0~2.4wt%,Nd的加入量为1.0~1.4%,可以增加含Sm、Nd强化相的生成量,有利于提高合金的强度,为保证强化效果和控制合金成本,Gd的加入量为1.0~1.4wt%。
2.本发明加入0.4~0.6wt%的Zn和0.4~0.6wt%的Zr,不仅可以细化晶粒,而且可以增加元素在基体中的固溶量,提高合金强度和塑性,利用多元合金化的综合作用,进一步提高合金的强度和塑性,在较低稀土元素含量情况下,其室温抗拉强度高于420MPa,断后伸长率高于8%。
3.本发明的金属材料原料包括纯镁、纯锌、镁锆合金、镁钐合金、镁钕合金和镁钆合金,避免引入杂质,且采用镁钐合金、镁钕合金和镁钆合金,相对采用熔点均在1000℃以上的纯钐、纯钕以及纯钆,熔点较低,降低了制备能耗以及对设备的要求。
4.由于合金中有多种元素,时效过程中析出相的种类不同,析出所需要的温度也不同,采用单一的时效温度无法获得良好的析出效果,本发明中,按时效温度的高低,将析出相分为三类:低温析出相、中温析出相、高温析出相;对应地,采取的时效处理温度也分为低、中、高三个阶段,分别为200~210℃、220~230℃、240~250℃,辅以不同的保温时间,既可以使析出相充分沉淀析出,又可以缩短时效时间,避免析出相长大,从而获得良好的时效析出效果。
具体实施方式
本发明提供一种高性能变形镁合金,以质量百分比计,高性能变形镁合金包括以下组分:Sm2.0~2.4%,Nd1.0~1.4%,Gd1.0~1.4%,Zn0.4~0.6%,Zr0.4~0.6%,余量为Mg。
本发明还提供上述高性能变形镁合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、制备镁合金铸锭:按照质量百分比取各组分原料,熔炼得镁合金熔液,浇铸得到镁合金铸锭;
S2、固溶处理:对镁合金铸锭在500~520℃下,保温10~12h;
S3、热挤压:对固溶处理后的镁合金铸锭在340~380℃下预热1~2h,并在340~380℃下进行热挤压,冷却至室温得到变形镁合金;
S4、时效处理:对变形镁合金在180-220℃下保温12-24h,即得所述高性能变形镁合金。
S1中,取纯镁和稀土中间合金Mg-25Sm、Mg-25Nd、Mg-25Gd加入电磁感应炉,在保护气氛下加热至730~750℃并保温,加入纯锌和Mg-20Zr合金,得到合金液,然后在预热至150~200℃的钢制金属型模具中浇注成型,冷却后得到镁合金铸锭。
保护气氛为体积比为99:1的CO2和SF6
S3中,挤压速率为0.5~1.0mm/s,挤压后空冷至室温,得到变形镁合金。
S4中,时效处理的过程为:
第一步时效处理:加热温度200~210℃,保温时间6~8h;
第二步时效处理:加热温度220~230℃,保温时间2~4h;
第三步时效处理:加热温度240~250℃,保温时间1~2h。
实施例1
高性能变形镁合金由以下质量百分比的组分组成:2.0%的Sm,1.4%的Nd,1.0%的Gd,0.6%的Zn,0.4%的Zr,余量为Mg,Sm、Nd和Gd的总的质量百分比为4.4%。
本实施例高性能变形镁合金的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)制备稀土中间合金:将纯镁和稀土中间合金Mg-25Sm、Mg-25Nd、Mg-25Gd加入电磁感应炉,在CO2和SF6的体积比为99:1的保护气氛下加热至730℃并保温,加入纯锌和Mg-20Zr,随后在预热至150℃的钢制金属型模具中浇注成型,冷却后得到所需成分的镁合金铸锭。
(2)固溶处理:加热温度500℃,保温时间12h。
(3)热挤压:将固溶处理后的镁合金铸锭在340℃预热2h,并在340℃进行热挤压,挤压速率为0.5mm/s,挤压后空冷至室温,得到变形镁合金。
(4)第一步时效处理:加热温度200℃,保温时间8h。
(5)第二步时效处理:加热温度220℃,保温时间4h。
(6)第三步时效处理:加热温度240℃,保温时间2h。
实施例2
本实施例的高性能变形镁合金由以下质量百分比的组分组成:2.2%的Sm,1.2%的Nd,1.2%的Gd,0.5%的Zn,0.5%的Zr,余量为Mg。Sm、Nd和Gd的总的质量百分比为4.6%。
本实施例高性能变形镁合金的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)制备稀土中间合金:将纯镁和稀土中间合金Mg-25Sm、Mg-25Nd、Mg-25Gd加入电磁感应炉,在CO2和SF6的体积比为99:1的保护气氛下加热至740℃并保温,加入纯锌和Mg-20Zr,随后在预热至180℃的钢制金属型模具中浇注成型,冷却后得到所需成分的镁合金铸锭。
(2)固溶处理:加热温度510℃,保温时间11h。
(3)热挤压:将固溶处理后的镁合金铸锭在360℃预热1.5h,并在360℃进行热挤压,挤压速率为0.8mm/s,挤压后空冷至室温,得到变形镁合金。
(4)第一步时效处理:加热温度205℃,保温时间7h。
(5)第二步时效处理:加热温度225℃,保温时间3.5h。
(6)第三步时效处理:加热温度245℃,保温时间1.5h。
实施例3
本实施例的高性能变形镁合金由以下质量百分比的组分组成:2.4%的Sm,1.0%的Nd,1.4%的Gd,0.4%的Zn,0.6%的Zr,余量为Mg。Sm、Nd和Gd的总的质量百分比为4.8%。
本实施例高性能变形镁合金的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)制备稀土中间合金:将纯镁和稀土中间合金Mg-25Sm、Mg-25Nd、Mg-25Gd加入电磁感应炉,在CO2和SF6的体积比为99:1的保护气氛下加热至750℃并保温,加入纯锌和Mg-20Zr,随后在预热至200℃的钢制金属型模具中浇注成型,冷却后得到所需成分的镁合金铸锭。
(2)固溶处理:加热温度520℃,保温时间10h。
(3)热挤压:将固溶处理后的镁合金铸锭在380℃预热1h,并在380℃进行热挤压,挤压速率为1.0mm/s,挤压后空冷至室温,得到变形镁合金。
(4)第一步时效处理:加热温度210℃,保温时间6h。
(5)第二步时效处理:加热温度230℃,保温时间3h。
(6)第三步时效处理:加热温度250℃,保温时间1h。
对比例
与实施例3不同的是,本对比例镁合金的时效处理不采用三步法,而是采用传统的一步法,即时效处理时,加热温度为230℃,保温时间为10h。
试验例
对高性能变形镁合金的实施例1~3的镁合金进行拉伸试验,并以对比例的镁合金及商用耐热高强镁合金WE54(Mg-5Y-4RE-0.5Zr)为对比,具体试验方法为:将合金按照国家标准加工成标准拉伸试样,在岛津AG-I 250kN电子拉伸试验机上进行室温拉伸试验,拉伸速率为1mm/min,试验结果如表1所示。
表1 室温抗拉强度和断后伸长率测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
从表1中可以看出,本发明的变形镁合金具有优异的室温力学性能,与WE54合金相比,稀土含量更低,抗拉强度和伸长率更高,在合金原料成本和室温力学性能方面均优于WE54合金,且相对对比例具有更优异的力学性能。
需要说明的是,上述实施例仅用来说明本发明,但本发明并不局限于上述实施例,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种高性能变形镁合金,其特征在于,以质量百分比计,包括以下组分:Sm2.2%,Nd1.2%,Gd1.2%,Zn0.5%,Zr0.5%,余量为Mg;
所述高性能变形镁合金的制备方法包括以下步骤:
S1、制备镁合金铸锭:按照质量百分比取各组分原料,熔炼得镁合金熔液,浇铸得到镁合金铸锭;
S2、固溶处理:对镁合金铸锭在510℃下,保温11h;
S3、热挤压:对固溶处理后的镁合金铸锭在360℃下预热1.5h,并在360℃下进行热挤压,冷却至室温得到变形镁合金;
S4、时效处理:对变形镁合金按照以下步骤进行保温,即得所述高性能变形镁合金;
时效处理的过程为:
第一步时效处理:加热温度205℃,保温时间7h;
第二步时效处理:加热温度225℃,保温时间3.5h;
第三步时效处理:加热温度245℃,保温时间1.5h;
S3中,挤压速率为0.8mm/s,挤压后空冷至室温,得到变形镁合金;
S1中,取纯镁和稀土中间合金Mg-25Sm、Mg-25Nd、Mg-25Gd加入电磁感应炉,在保护气氛下加热至740℃并保温,加入纯锌和Mg-20Zr合金,得到合金液,然后在预热至180℃的钢制金属型模具中浇注成型,冷却后得到镁合金铸锭;
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