CN114807707B - 一种高强度变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度变形镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强度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：Sm3.0～3.4%，Nd0.6～1.0%，Gd0.6～1.0%，Sb0.3～0.5%，Al0.3～0.5%，余量为Mg，制备时，取各组分，依次通过合金熔铸、三步固溶处理、热挤压及时效处理，即可得到本发明的高强度变形镁合金，该镁合金室温下抗拉强度高于400MPa,断后伸长率不低于5%。

Description

一种高强度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，具体涉及一种高强度变形镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有密度低于钢铁和铝合金、比强度和比刚度高、阻尼减振性能优越、电磁屏蔽性能良好、易回收等优点，是当前工程应用中最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车制造及电子工业中具有广阔的应用前景。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，英国开发了含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%；我国也开发了含稀土的ZM6合金，其室温抗拉强度为225MPa，断后伸长率为3%。
随着新一代飞行器速度和加速度的提升，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成为影响新一代飞行器速度和加速度提升的一个重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度变形镁合金及其制备方法，该合金在室温下的强度高于WE54合金，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：
一种高强度变形镁合金，以质量百分比计，包括以下组分：Sm3.0～3.4%，Nd0.6～1.0%，Gd0.6～1.0%，Sb0.3～0.5%，Al0.3～0.5%，余量为Mg。
进一步地，Sm3.4%，Nd0.6%，Gd1.0%，Sb0.5%，Al0.3%，余量为Mg。
一种高强度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400～530℃下，保温12～18h；
S3、热挤压：对固溶处理后的镁合金铸锭在350～400℃下预热1～2h，并在350～400℃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200-220℃下保温10-12h，即得所述高强度变形镁合金。
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，在保护气氛下加热至730～750℃并保温，加入纯锑和纯铝，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，保护气氛为体积比为99：1的CO2和SF6。
进一步地，S2中，固溶处理的过程为：
第一步固溶处理：加热温度400～420℃，保温时间6～8h；
第二步固溶处理：加热温度460～480℃，保温时间4～6h；
第三步固溶处理：加热温度510～530℃，保温时间2～4h。
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。
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3.0~3.4wt%，Nd的加入量为0.6~1.0%，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0.6~1.0wt%。
2.本发明加入0.3~0.5wt%的Sb和0.3~0.5wt%的Sb，不仅可以细化晶粒，而且可以生成高熔点的强化相Mg3Sb2和含Al的强化相，提高合金强度，利用多元合金化的综合作用，进一步提高合金的强度，在较低稀土元素含量情况下，其室温抗拉强度高于400MPa，断后伸长率不低于5%。
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.通过热挤压变形能够使镁合金的晶粒细化，通过细晶强化机制进一步提高了镁合金的强度和塑性。
5. 本发明相较于采用单一固溶温度处理、无法获得良好固溶效果，根据熔点的高低，将生成的化合物相分为低熔点含铝相、低熔点含稀土相、高熔点含稀土相，对应采取固溶处理温度也分为低、中、高三个阶段，分别为400～420℃、460～480℃、510～530℃，辅以不同的保温时间，既可以使化合物相分解充分溶入基体，又可以缩短固溶时间，避免晶粒长大，从而获得良好的固溶效果，为后续的热挤压做好组织准备。
具体实施方式
本发明提供一种高强度变形镁合金，以质量百分比计，该合金包括以下组分：Sm3.0～3.4%，Nd0.6～1.0%，Gd0.6～1.0%，Sb0.3～0.5%，Al0.3～0.5%，余量为Mg。
本发明提供上述高强度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400～530℃下，保温12～18h；
S3、热挤压：对固溶处理后的镁合金铸锭在350～400℃下预热1～2h，并在350～400℃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200-220℃下保温10-12h，即得所述高强度变形镁合金。
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，在惰性气体保护气氛下加热至730～750℃并保温，加入纯锑和纯铝，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。
惰性气体采用体积比为99：1的CO2和SF6。
S2中，固溶处理的过程为：
第一步固溶处理：加热温度400～420℃，保温时间6～8h；
第二步固溶处理：加热温度460～480℃，保温时间4～6h；
第三步固溶处理：加热温度5100～530℃，保温时间2～4h。
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。
以下实施例中涉及到的原料均为市售产品，包括纯度为99.8%的纯镁和纯铝，纯度为99.5%的纯锑，纯度为99.8%的镁钐、镁钕和镁钆中间合金；三种中间合金中稀土元素的质量含量均为25%。
实施例1
本实施例的高强度变形镁合金由以下质量百分比的组分组成：3.0%的Sm，1.0%的Nd，0.6%的Gd，0.3%的Sb，0.5%的Al，余量为Mg。Sm、Nd和Gd的总的质量百分比为4.6%。
本实施例高强度变形镁合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）合金熔铸：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，加入纯锑和纯铝，得到合金液，然后在预热至150℃的钢制金属型模具中浇注成型，冷却后得到镁合金铸锭。
（2）第一步固溶处理：加热温度400℃，保温时间8h。
（3）第二步固溶处理：加热温度460℃，保温时间6h。
（4）第三步固溶处理：加热温度510℃，保温时间4h。
（5）热挤压：将固溶处理后的镁合金铸锭在350℃预热2h，并在350℃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。
（6）时效处理：加热温度200℃，保温时间12h。
实施例2
本实施例的高强度变形镁合金由以下质量百分比的组分组成：3.2%的Sm，0.8%的Nd，0.8%的Gd，0.4%的Sb，0.4%的Al，余量为Mg。Sm、Nd和Gd的总的质量百分比为4.8%。
本实施例高强度变形镁合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）合金熔铸：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，加入纯锑和纯铝，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。
（2）第一步固溶处理：加热温度410℃，保温时间7h。
（3）第二步固溶处理：加热温度470℃，保温时间4h。
（4）第三步固溶处理：加热温度520℃，保温时间3h。
（5）热挤压：将固溶处理后的镁合金铸锭在380℃预热1.5h，并在380℃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。
（6）时效处理：加热温度210℃，保温时间11h。
实施例3
本实施例的高强度变形镁合金由以下质量百分比的组分组成：3.4%的Sm，0.6%的Nd，1.0%的Gd，0.5%的Sb，0.3%的Al，余量为Mg。Sm、Nd和Gd的总的质量百分比为5.0%。
本实施例高强度变形镁合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）合金熔铸：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，加入纯锑和纯铝，得到合金液，然后在预热至200℃的钢制金属型模具中浇注成型，冷却后得到镁合金铸锭。
（2）第一步固溶处理：加热温度420℃，保温时间6h。
（3）第二步固溶处理：加热温度480℃，保温时间5h。
（4）第三步固溶处理：加热温度530℃，保温时间2h。
（5）热挤压：将固溶处理后的镁合金铸锭在400℃预热1h，并在400℃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。
（6）时效处理：加热温度220℃，保温时间10h。
对比例
与实施例3不同的是，在对比例中，镁合金的固溶处理采用传统的一步法，即固溶处理时，直接保持加热温度为530℃，保温时间为10h。
试验例
对高强度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强度，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，且与对比例的镁合金相比，具有更优异的抗拉强度和伸长率。
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 (5)

1.一种高强度变形镁合金，其特征在于，以质量百分比计，包括以下组分：Sm3.0～3.4%，Nd0.6～1.0%，Gd0.6～1.0%，Sb0.3～0.5%，Al0.3～0.5%，余量为Mg；
所述高强度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：对镁合金铸锭进行固溶处理，过程为：
第一步固溶处理：加热温度400～420℃，保温时间6～8h；
第二步固溶处理：加热温度460～480℃，保温时间4～6h；
第三步固溶处理：加热温度510～530℃，保温时间2～4h；
S3、热挤压：对固溶处理后的镁合金铸锭在350～400℃下预热1～2h，并在350～400℃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200-220℃下保温10-12h，即得所述高强度变形镁合金。
2.如权利要求1所述的一种高强度变形镁合金，其特征在于，Sm3.4%，Nd0.6%，Gd1.0%，Sb0.5%，Al0.3%，余量为Mg。
3.如权利要求1所述的一种高强度变形镁合金，其特征在于，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，加入纯锑和纯铝，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。
4.如权利要求3所述的一种高强度变形镁合金，其特征在于，保护气氛为体积比为99：1的CO2和SF6。
5.如权利要求1所述的一种高强度变形镁合金，其特征在于，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。
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