CN117144218A - 一种高强度镁合金及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度镁合金及其制备方法与应用，涉及合金技术领域，该镁合金由以下质量分数的元素组成：Zn 0.35％～0.8％；Zr 0.3％～0.85％；Nd 2.1％～4.0％；Y 2.0％～2.5％；Th 0.05％～0.3％；Sm 1.2％～1.6％；Yb 0.5％～0.8％；Sn1.5％～2.3％余量为Mg及不可避免的杂质。本发明通过对合金的各元素进行控制，从而制得了具有优异力学性能的镁合金。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体是一种高强度镁合金及其制备方法与应用。
背景技术
镁合金因其高的比强度、比刚度而被公认为是对性能及能耗要求高的行业的优秀备选材料，如航天航空及交通运输业。但由于镁合金密排六方的晶体结构，使得目前镁合金的机械性能和塑性加工能力仍难以满足一些汽车零部件及其它方面应用的需求。为改善镁合金的性能，合金化对提高铸造镁合金和变形镁合金的机械性能都是行之有效的方法，铸件中微观组织的合金化能使溶质元素分布更加均匀，第二相更加细小，合金化还可以提高合金的挤压性能、轧制性能、抗热裂性能和表面光洁度等，并能降低变形镁合金加工件的生产成本。采用新的增强元素和特殊的材料复合制备工艺进一步提高镁合金的强度时镁合金材料发展的趋势。
屈服强度是衡量材料性能的一个重要参数，在材料拉伸变形过程中，当受力超过屈服点，就会产生永久的不可恢复的塑性变形，使工件发生永久性变形，不能继续满足使用要求，甚至出现安全隐患。因此对于机械构件材料，除了要求较高的抗拉强度，屈服强度也是一种重要的指标，屈服强度越高，意味着材料的安全强度越大，构件越安全。
相关技术中公开了一种镁合金，其质量百分比的组分组成为：3.0～5.0％Al，0.1～3.5％Ce，0.1～3.5％La，0.1～3.5％Sm，0.1～0.5％Mn，84.0％～96.6％Mg。该镁合金的抗拉强度为243MPa～264MPa，屈服强度为138MPa～147MPa；抗拉强度和屈服强度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度镁合金，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
本发明还提供了上述高强度镁合金的制备方法。
本发明还提供了上述高强度镁合金的应用。
具体如下，本发明第一方面公开了一种高强度镁合金，由以下质量分数的元素组成：Zn 0.35％～0.8％；Zr 0.3％～0.85％；Nd 2.1％～4.0％；Y 2.0％～2.5％；Sm 1.2％～1.6％；Yb 0.5％～0.8％；Sn1.5％～2.3％余量为Mg及不可避免的杂质。
根据本发明高强度镁合金技术方案中的一种技术方案，至少具备如下
有益效果：
本发明提供的镁合金中，Zn主要提高合金流动性，材料成型性；Zr主要起到细化晶粒作用，提高材料的抗拉强度；Y在合金组元中主要是提高材料强度、耐热性，促进晶粒细化作用；Nd主要是提高合金的韧性，稳定合金晶粒结构，使组织能够均匀分布。本发明通过对合金的各元素进行控制，从而制得了具有优异力学性能的镁合金。
采用轻稀土元素Sm、Nd作为第一、第二组分可以增加含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。
根据本发明的一些实施方式，所述高强度镁合金由以下质量分数的元素组成：Zn0.35％～0.8％；Zr 0.3％～0.85％；Nd 2.1％～3.5％；Y 2.0％～2.5％；Sm 1.2％～1.6％；Yb 0.5％～0.8％；Sn1.5％～2.3％余量为Mg及不可避免的杂质。
根据本发明的一些实施方式，所述高强度镁合金由以下质量分数的元素组成：Zn0.35％～0.8％；Zr 0.3％～0.85％；Nd 2.1％～3.0％；Y 2.0％～2.5％；Sm 1.2％～1.6％；Yb 0.5％～0.8％；Sn1.5％～2.3％余量为Mg及不可避免的杂质。
本发明第二方面公开了上述高强度镁合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、将Zn源、Zr源、Nd源、Y源、Sm源、Yb源和Mg源混合后，熔炼，得到合金液；
S2、将所述合金液精炼，浇注制得镁合金铸锭；
S3、将所述镁合金铸锭进行挤压、固溶处理、第一次时效处理、第二次时效处理和第三次时效处理；
所述第一次时效处理的温度为150℃～170℃；
所述第二次时效处理的温度为200℃～220℃；
所述第三次时效处理的温度为170℃～190℃。
根据本发明制备方法技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
本发明相较于采用单一时效温度处理、无法获得良好效果；设计不同的时效温度，从而取得良好的时效处理效果。
根据本发明的一些实施方式，所述精炼的温度为700℃～800℃。
根据本发明的一些实施方式，所述精炼的时间为10min～20min。
根据本发明的一些实施方式，所述精炼过程中加入精炼剂；所述精炼剂包括以下质量百分数的制备原料：
1％～3％氯化镁、6％～9％溴化镁、10％～15％氯化钠、3％～5％溴化钠、10％～15％氯化钾、5％～8％溴化钾、10％～20％氯化钡和10％～30％氟化钙。
根据本发明的一些实施方式，所述固溶处理的温度为400℃～450℃。
根据本发明的一些实施方式，所述固溶处理的时间为12h～15h。
根据本发明的一些实施方式，所述熔炼的温度为800℃～900℃。
根据本发明的一些实施方式，所述挤压的压力为100MPa～130MPa。
根据本发明的一些实施方式，所述第一次时效处理的时间为5h～6h。
根据本发明的一些实施方式，所述第二次时效处理的时间为10h～15h。
根据本发明的一些实施方式，所述第三次时效处理的时间为2h～4h。
根据本发明的一些实施方式，所述挤压过程中的温度为670℃～760℃。
根据本发明的一些实施方式，所述挤压过程中金属模具温度为230℃～330℃。
根据本发明的一些实施方式，所述挤压过程中压力低速速度为0.1m/s～1.0m/s。
根据本发明的一些实施方式，所述挤压过程中压力高速速度为1.0m/s～3.5m/s。
本发明第三方面还公开了上述镁合金在制备汽车组件中应用。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.53％；Zr 0.43％；Nd 2.63％；Y 2.43％；Sm 1.43％；Yb 0.63％；Sn 2.13％余量为Mg及不可避免的杂质。
本实施例中高强度镁合金的制备方法，由以下步骤组成：
S1、将Mg锭、Zn锭、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Yb中间合金和Mg-Sn中间合金预热到180℃，然后将Mg锭、Zn锭放入有SF6/CO2气体保护的熔炉内熔化；
Mg锭、Zn锭熔化后，在820℃加入Mg-Zr中间合金，充分熔化；并进行气体搅拌3min；
当温度回升达到810℃后，依次加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，使二者充分熔化；
当温度回升达到810℃后，依次加入Mg-Sm中间合金、Mg-Yb中间合金和Mg-Sn中间合金，充分熔化，并进行气体搅拌；
撇去表面浮渣，搅拌5min，制得合金液；
S2、将合金液升温到810℃，静置保温20min；然后温度降至750℃进行精炼，时间15min；
精炼过程中加入精炼剂(精炼剂由以下质量百分数的制备原料：2％氯化镁、8％溴化镁、15％氯化钠、5％溴化钠、12％氯化钾、8％溴化钾、20％氯化钡和30％氟化钙)；
进行浇铸；浇铸用钢制模具预先加到160℃，浇铸得到镁合金铸锭，进行空冷；
S3、将空冷后的镁合金铸锭进行挤压，固溶处理、第一次时效处理、第二次时效处理和第三次时效处理；
挤压的参数如下：在730℃重熔，用800吨锻压机进行液态挤压，金属模具温度300℃，压力低速速度0.5m/s，压力高速速度2.5m/s，挤压压力为100MPa；
固溶处理的温度450℃，时间为12h；
第一次时效处理的温度为160℃，时间为5.5h；
第二次时效处理的温度为210℃，时间为12.5h；
第三次时效处理的温度为180℃，时间为3h。
第三次时效处理后空冷至25℃。
实施例2
本实施例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.73％；Zr 0.33％；Nd 2.13％；Y 2.32％；Sm 1.6％；Yb 0.8％；Sn 2.3％余量为Mg及不可避免的杂质。
本实施例中高强度镁合金的制备方法，参照实施例1中进行。
实施例3
本实施例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.8％；Zr 0.3％；Nd 3.63％；Y 2.3％；Sm 1.4％；Yb 0.5％；Sn 1.6％余量为Mg及不可避免的杂质。
本实施例中高强度镁合金的制备方法，参照实施例1中进行。
实施例4
本实施例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.5％；Zr 0.4％；Nd 3.23％；Y 2.1％；Sm 1.6％；Yb 0.5％；Sn 2.3％余量为Mg及不可避免的杂质。
本实施例中高强度镁合金的制备方法，参照实施例1中进行。
实施例5
本实施例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.35％；Zr 0.3％；Nd 2.1％；Y 2.0％；Sm 1.2％；Yb 0.5％；Sn 1.5％余量为Mg及不可避免的杂质。
本实施例中高强度镁合金的制备方法，参照实施例1中进行。
对比例1
本对比例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.35％；Zr 0.3％；Nd 2.1％；Y 2.0％；Sm 1.2％；Yb 0.5％和余量为Mg及不可避免的杂质。
本对比例中高强度镁合金的制备方法，由以下步骤组成：
S1、将Mg锭、Zn锭、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Sm中间合金和Mg-Yb中间合金预热到180℃，然后将Mg锭、Zn锭放入有SF6/CO2气体保护的熔炉内熔化；
Mg锭、Zn锭熔化后，在820℃加入Mg-Zr中间合金，充分熔化；并进行气体搅拌3min；
当温度回升达到810℃后，依次加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，使二者充分熔化；
当温度回升达到810℃后，依次加入Mg-Sm中间合金和Mg-Yb中间合金，充分熔化，并进行气体搅拌；
撇去表面浮渣，搅拌5min，制得合金液；
S2、将合金液升温到810℃，静置保温20min；然后温度降至750℃进行精炼，时间15min；
精炼过程中加入精炼剂(精炼剂由以下质量百分数的制备原料：2％氯化镁、8％溴化镁、15％氯化钠、5％溴化钠、12％氯化钾、8％溴化钾、20％氯化钡和30％氟化钙)；
进行浇铸；浇铸用钢制模具预先加到160℃，浇铸得到镁合金铸锭，进行空冷；
S3、将空冷后的镁合金铸锭进行挤压，固溶处理、第一次时效处理、第二次时效处理和第三次时效处理；
挤压的参数如下：在730℃重熔，用800吨锻压机进行液态挤压，金属模具温度300℃，压力低速速度0.5m/s，压力高速速度2.5m/s，挤压压力为100MPa；
固溶处理的温度450℃，时间为12h；
第一次时效处理的温度为140℃，时间为5.5h；
第二次时效处理的温度为180℃，时间为12.5h；
第三次时效处理的温度为150℃，时间为3h。
第三次时效处理后空冷至25℃。
对比例2
本对比例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.35％；Zr 0.3％；Nd 2.1％；Y 2.0％；Yb 0.5％和余量为Mg及不可避免的杂质。
本对比例中高强度镁合金的制备方法，由以下步骤组成：
S1、将Mg锭、Zn锭、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金和Mg-Yb中间合金预热到180℃，然后将Mg锭、Zn锭放入有SF6/CO2气体保护的熔炉内熔化；
Mg锭、Zn锭熔化后，在820℃加入Mg-Zr中间合金，充分熔化；并进行气体搅拌3min；
当温度回升达到810℃后，依次加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，使二者充分熔化；
当温度回升达到810℃后，加入Mg-Yb中间合金，充分熔化，并进行气体搅拌；
撇去表面浮渣，搅拌5min，制得合金液；
S2、将合金液升温到810℃，静置保温20min；然后温度降至750℃进行精炼，时间15min；
精炼过程中加入精炼剂(精炼剂由以下质量百分数的制备原料：2％氯化镁、8％溴化镁、15％氯化钠、5％溴化钠、12％氯化钾、8％溴化钾、20％氯化钡和30％氟化钙)；
进行浇铸；浇铸用钢制模具预先加到160℃，浇铸得到镁合金铸锭，进行空冷；
S3、将空冷后的镁合金铸锭进行挤压，固溶处理、第一次时效处理、第二次时效处理和第三次时效处理；
挤压的参数如下：在730℃重熔，用800吨锻压机进行液态挤压，金属模具温度300℃，压力低速速度0.5m/s，压力高速速度2.5m/s，挤压压力为100MPa；
固溶处理的温度450℃，时间为12h；
第一次时效处理的温度为180℃，时间为5.5h；
第二次时效处理的温度为190℃，时间为12.5h；
第三次时效处理的温度为180℃，时间为3h。
第三次时效处理后空冷至25℃。
对比例3
本对比例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.35％；Zr 0.3％；Nd 2.1％；Y 2.0％和余量为Mg及不可避免的杂质。
本对比例中高强度镁合金的制备方法，由以下步骤组成：
S1、将Mg锭、Zn锭、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金和Mg-Nd中间合金预热到180℃，然后将Mg锭、Zn锭放入有SF6/CO2气体保护的熔炉内熔化；
Mg锭、Zn锭熔化后，在820℃加入Mg-Zr中间合金，充分熔化；并进行气体搅拌3min；
当温度回升达到810℃后，依次加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，使二者充分熔化；
撇去表面浮渣，搅拌5min，制得合金液；
S2、将合金液升温到810℃，静置保温20min；然后温度降至750℃进行精炼，时间15min；
精炼过程中加入精炼剂(精炼剂由以下质量百分数的制备原料：2％氯化镁、8％溴化镁、15％氯化钠、5％溴化钠、12％氯化钾、8％溴化钾、20％氯化钡和30％氟化钙)；
进行浇铸；浇铸用钢制模具预先加到160℃，浇铸得到镁合金铸锭，进行空冷；
S3、将空冷后的镁合金铸锭进行挤压，固溶处理、第一次时效处理、第二次时效处理和第三次时效处理；
挤压的参数如下：在730℃重熔，用800吨锻压机进行液态挤压，金属模具温度300℃，压力低速速度0.5m/s，压力高速速度2.5m/s，挤压压力为100MPa；
固溶处理的温度450℃，时间为12h；
第一次时效处理的温度为160℃，时间为5.5h；
第二次时效处理的温度为210℃，时间为12.5h；
第三次时效处理的温度为180℃，时间为3h。
第三次时效处理后空冷至25℃。
对比例4
本对比例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.35％；Zr 0.3％；Nd 2.1％；Y 2.0％；Sm 1.2％；Yb 0.5％；Sn 1.5％余量为Mg及不可避免的杂质。
本对比例中高强度镁合金的制备方法，由以下步骤组成：
S1、将Mg锭、Zn锭、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Yb中间合金和Mg-Sn中间合金预热到180℃，然后将Mg锭、Zn锭放入有SF6/CO2气体保护的熔炉内熔化；
Mg锭、Zn锭熔化后，在820℃加入Mg-Zr中间合金，充分熔化；并进行气体搅拌3min；
当温度回升达到810℃后，依次加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，使二者充分熔化；
当温度回升达到810℃后，依次加入Mg-Sm中间合金、Mg-Yb中间合金和Mg-Sn中间合金，充分熔化，并进行气体搅拌；
撇去表面浮渣，搅拌5min，制得合金液；
S2、将合金液升温到810℃，静置保温20min；然后温度降至750℃进行精炼，时间15min；
精炼过程中加入精炼剂(精炼剂由以下质量百分数的制备原料：2％氯化镁、8％溴化镁、15％氯化钠、5％溴化钠、12％氯化钾、8％溴化钾、20％氯化钡和30％氟化钙)；
进行浇铸；浇铸用钢制模具预先加到160℃，浇铸得到镁合金铸锭，进行空冷；
S3、将空冷后的镁合金铸锭进行挤压，固溶处理和时效处理；
挤压的参数如下：在730℃重熔，用800吨锻压机进行液态挤压，金属模具温度300℃，压力低速速度0.5m/s，压力高速速度2.5m/s，挤压压力为100MPa；
固溶处理的温度450℃，时间为12h；
时效处理的温度为160℃，时间为21h；
时效处理后空冷至25℃。
对比例5
本对比例为一种高强度镁合金，由以下重量分数的元素组成：
Zn 0.35％；Zr 0.3％和余量为Mg及不可避免的杂质。
本对比例中高强度镁合金的制备方法，由以下步骤组成：
S1、将Mg锭、Zn锭和Mg-Zr中间合金预热到180℃，然后将Mg锭、Zn锭放入有SF6/CO2气体保护的熔炉内熔化；
Mg锭、Zn锭熔化后，在820℃加入Mg-Zr中间合金，充分熔化；并进行气体搅拌3min；
撇去表面浮渣，搅拌5min，制得合金液；
S2、将合金液升温到810℃，静置保温20min；然后温度降至750℃进行精炼，时间15min；
精炼过程中加入精炼剂(精炼剂由以下质量百分数的制备原料：2％氯化镁、8％溴化镁、15％氯化钠、5％溴化钠、12％氯化钾、8％溴化钾、20％氯化钡和30％氟化钙)；
进行浇铸；浇铸用钢制模具预先加到160℃，浇铸得到镁合金铸锭，进行空冷；
S3、将空冷后的镁合金铸锭进行挤压，固溶处理、第一次时效处理、第二次时效处理和第三次时效处理；
挤压的参数如下：在730℃重熔，用800吨锻压机进行液态挤压，金属模具温度300℃，压力低速速度0.5m/s，压力高速速度2.5m/s，挤压压力为100MPa；
固溶处理的温度450℃，时间为12h；
第一次时效处理的温度为160℃，时间为5.5h；
第二次时效处理的温度为210℃，时间为12.5h；
第三次时效处理的温度为180℃，时间为3h。
第三次时效处理后空冷至25℃。
本发明实施例1～5和对比例1～5制得的高强度镁合金的性能测试结果见表1。
表1本发明实施例1～5和对比例1～5制得的高强度镁合金的性能测试结果
| - | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) |
| 实施例1 | 471 | 426 |
| 实施例2 | 463 | 412 |
| 实施例3 | 454 | 396 |
| 实施例4 | 442 | 383 |
| 实施例5 | 438 | 379 |
| 对比例1 | 412 | 333 |
| 对比例2 | 403 | 326 |
| 对比例3 | 391 | 313 |
| 对比例4 | 383 | 309 |
| 对比例5 | 376 | 301 |
综上所述，本发明提供的镁合金中，Zn主要提高合金流动性，材料成型性；Zr主要起到细化晶粒作用，提高材料的抗拉强度；Y在合金组元中主要是提高材料强度、耐热性，促进晶粒细化作用；Nd主要是提高合金的韧性，稳定合金晶粒结构，使组织能够均匀分布。本发明通过对合金的各元素进行控制，从而制得了具有优异力学性能的镁合金。采用轻稀土元素Sm、Nd作为第一、第二组分可以增加含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。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强度镁合金，其特征在于：由以下质量分数的元素组成：Zn0.35％～0.8％；Zr0.3％～0.85％；Nd 2.1％～4.0％；Y 2.0％～2.5％；Sm1.2％～1.6％；Yb 0.5％～0.8％；Sn1.5％～2.3％余量为Mg及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度镁合金，其特征在于，由以下质量分数的元素组成：Zn0.35％～0.8％；Zr 0.3％～0.85％；Nd 2.1％～3.5％；Y2.0％～2.5％；Sm 1.2％～1.6％；Yb 0.5％～0.8％；Sn1.5％～2.3％余量为Mg及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的高强度镁合金，其特征在于，由以下质量分数的元素组成：Zn0.35％～0.8％；Zr 0.3％～0.85％；Nd 2.1％～3.0％；Y2.0％～2.5％；Sm 1.2％～1.6％；Yb 0.5％～0.8％；Sn1.5％～2.3％余量为Mg及不可避免的杂质。
4.一种制备如权利要求1至3任一项所述的高强度镁合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将Zn源、Zr源、Nd源、Y源、Sm源、Yb源和Mg源混合后，熔炼，得到合金液；
S2、将所述合金液精炼，浇注制得镁合金铸锭；
S3、将所述镁合金铸锭进行挤压、固溶处理、第一次时效处理、第二次时效处理和第三次时效处理；
所述第一次时效处理的温度为150℃～170℃；
所述第二次时效处理的温度为200℃～220℃；
所述第三次时效处理的温度为170℃～190℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述精炼的温度为700℃～800℃。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述精炼过程中加入精炼剂；所述精炼剂包括以下质量百分数的制备原料：
1％～3％氯化镁、6％～9％溴化镁、10％～15％氯化钠、3％～5％溴化钠、10％～15％氯化钾、5％～8％溴化钾、10％～20％氯化钡和10％～30％氟化钙。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为400℃～450℃。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述挤压的压力为100MPa～130MPa。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一次时效处理的时间为5h～6h。
10.一种如权利要求1至3任一项所述镁合金在制备汽车组件中应用。
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