CN1814837A - 高强度耐热镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属材料技术领域的高强度耐热镁合金及其制备方法,镁合金的组分及其重量百分比为:3-12%Y、2-6%Sm、0.35-0.8%Zr,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%,余量为Mg,熔炼时分别以Mg-Y、Mg-Sm、Mg-Zr中间合金的形式向镁熔体中添加Y、Sm、Zr,熔炼后得到的镁合金在经500-550℃、6-12小时的固溶处理后,在175-250℃的温度下进行6-50小时时效处理提高其强度。本发明通过添加合金元素Sm代替WE系列合金中的Nd,并通过熔炼及热处理工艺条件,获得高强度耐热镁合金,此类镁合金具有比传统WE系列商业镁合金优越的室温强度、高温强度等力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料技术领域的合金及其制备方法,具体的说,涉及的是一种高强度耐热镁合金及其制备方法。
背景技术
强度不足和耐热性不佳严重阻碍了镁合金在航空航天、军工及其它行业中替代铝合金等材料的步伐。稀土元素,尤其是Y、Nd等,在提高镁合金强度、耐热性等方面作用显著。Sm与Nd同属于Ce组稀土元素。Sm原子序数62,在镁中的最大固溶度为5.8mass%(0.99at%),与镁生成的平衡相为Mg41Sm5,共晶温度为815K。Sm在镁中的最大固溶度比Nd在镁中的最大固溶度3.6mass%(0.63at%)大,因此,可能产生比Nd更良好的固溶强化和时效强化作用。而Y组重稀土元素从Gd到Lu由于在Mg中的固溶度很大,需要10wt%以上的的含量才能够达到同样的强化效果。可见,将WE系列镁合金中的Nd元素用Sm代替,由于Sm高的固溶度,可能会得到更佳的固溶强化以及时效析出强化效果,得到更佳的综合机械性能。同时可以限制合金的重量与成本在一个可以接受的范围内。Y与Sm同属于稀土元素,在Mg固溶体中时效析出纳米级的析出相,这类析出相热稳定性强,不仅可以显著提高合金室温的强度,而且对保持合金的高温强度起到重要作用。
经对现有技术的文献检索发现,L.L.Rokhlin等在《Magnesium AlloysContaining Rare Earth Metals》(《稀土镁合金》)(Taylor and Francis Group,2003)一书中指出,根据稀土元素核外电子排布的不同,稀土元素可以分为两组:Ce组和Y组。Ce组稀土元素包括:La、Ce、Pr、Nd、Sm。Ce组稀土元素在镁基体中固溶度较小;Y组稀土元素包括:Y、Gd、Tb、Dy、Er、Ho、Tm、Lu。Y组稀土元素在镁基体中固溶度很大,强化效果非常明显。属于不同组的两种或多种稀土元素混合加入镁基体,合金的析出动力学及析出相序列变得更为复杂,而且可以进一步提高镁合金强度。两种不同组稀土元素混合加入镁合金,其复合强化效果比单独加入相同数量的单种稀土元素更明显。该书中同时表明,传统的铸造WE54合金经T6处理后,室温抗拉强度为255MPa,屈服强度为179MPa,延伸率为2.0%。其不足在于:较低的室温性能限制了WE54合金的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种高强度耐热镁合金及其制备方法,通过添加合金元素Sm代替WE系列合金中的Nd,并通过适当的熔炼及热处理工艺条件,获得高强度耐热镁合金,使得此类镁合金具有比传统WE系列商业镁合金优越的室温强度、高温强度等力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明所述的高强度耐热镁合金,其组分及重量百分比为:3-12%Y、2-6%Sm、0.35-0.8%Zr,杂质元素:Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%,余量为Mg。
本发明采用Y为第一组分,因为Y在200℃在Mg固溶体中的固溶度为2.2wt%,为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果,Y的加入量不低于3wt%,而Y在Mg固溶体中的最大固溶度为12.4wt%,又为了避免合金成分和密度增加太多,以及合金过分脆化,Y的加入量不高于12wt%。采用Sm为第二组分,Sm可以降低Y在Mg中的固溶度,从而增加Y的时效析出强化效应,另外Sm的加入也可以提前时效硬度峰值的出现。Sm在Mg中的最大固溶度为5.8wt%,因此Sm的加入量应不高于6wt%,又为了充分发挥Sm的固溶强化及时效析出强化作用,Sm的加入量应不低于2wt%。采用Zr作为晶粒细化剂,以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能。
本发明还提供上述的高强度耐热镁合金的制备方法,具体为:将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到180-220℃,然后将纯镁放入有气体保护的熔炉中熔化,待镁锭熔化后在720-740℃加入Mg-Y、Mg-Sm中间合金,升温到750-770℃加入Mg-Zr中间合金,待其熔化后去除表面浮渣、搅拌、精炼,精炼后静置,待镁液降温至720-740℃后进行浇铸,浇铸用刚制模具预先加热至180-220℃,得到本发明Mg-Y-Sm-Zr高强度耐热镁合金。
本发明还可以通过以下的热处理工艺进一步提高合金的力学性能。热处理工艺包括固溶处理和时效处理,具体为:将得到的Mg-Y-Sm-Zr合金在经500-550℃、6-12小时的固溶处理后,在175-250℃的温度下进行6-50小时时效处理。
本发明的Mg-Y-Sm-Zr镁合金的室温强度及高温瞬时拉伸强度相对于WE系列合金得到显著提高。以Mg-4Y-3.5Sm-0.5Zr为例,经过热处理后室温抗拉强度为350MPa,延伸率为7.0%,200℃抗拉强度为318MPa,250℃抗拉强度为274MPa;而相同条件下WE54合金的室温抗拉强度为280MPa,延伸率为4.0%,200℃抗拉强度为241MPa,250℃抗拉强度为230MPa。Mg-Y-Sm-Zr合金的机械性能明显高于WE54合金。
具体实施方式
结合本发明技术方案的内容提供以下实施例:
实施例1
合金的成分(重量百分比)为:3.0%Y,4.0%Sm,0.5%Zr,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%,余量为Mg。
按上述成分配制合金,其熔铸工艺为:先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃,然后将纯镁放入有CO2/SF6气体保护的熔炉中熔化,待镁锭熔化后在730℃加入Mg-Y中间合金,Mg-Y熔化后镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Sm中间合金,升温到760℃保温30分钟,然后加入Mg-Zr中间合金,待其熔化后去除表面浮渣,搅拌3分钟,再将镁液温度升至760℃保温20分钟后760℃精炼6分钟,精炼后升温到770℃以上,静置30分钟,待镁液降温至730℃后进行浇铸,浇铸用刚制模具预先加热至200℃,得到Mg-3Y-4Sm-0.5Zr合金。合金的热处理工艺为:500℃固溶处理6小时,175℃等温时效6小时。
本实施例所得的合金,其室温抗拉强度为337MPa,屈服强度为215MPa,延伸率为10.0%,200℃的抗拉强度为313MPa,250℃的抗拉强度为271MPa。
实施例2
合金的成分(重量百分比)为:6.0%Y,6.0%Sm,0.8%Zr,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%,余量为Mg。
按上述成分配制合金,其熔铸工艺为:先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃,然后将纯镁放入有CO2/SF6气体保护的熔炉中熔化,待镁锭熔化后在730℃加入Mg-Y中间合金,Mg-Y熔化后镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Sm中间合金,升温到760℃保温30分钟,然后加入Mg-Zr中间合金,待其熔化后去除表面浮渣,搅拌3分钟,再将镁液温度升至760℃保温20分钟后760℃精炼6分钟,精炼后升温到770℃以上,静置30分钟,待镁液降温至730℃后进行浇铸,浇铸用刚制模具预先加热至200℃,得到Mg-6Y-6Sm-0.8Zr合金。合金的热处理工艺为:525℃固溶处理8小时,200℃等温时效16小时。
本实施例所得的合金,其室温抗拉强度为316MPa,屈服强度为230MPa,延伸率为1.9%,200℃的抗拉强度为308MPa,250℃的抗拉强度为282MPa。
实施例3
合金的成分(重量百分比)为:12.0%Y,2.0%Sm,0.35%Zr,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%,余量为Mg。
按上述成分配制合金,其熔铸工艺为:先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃,然后将纯镁放入有CO2/SF6气体保护的熔炉中熔化,待镁锭熔化后在730℃加入Mg-Y中间合金,Mg-Y熔化后镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Sm中间合金,升温到760℃保温30分钟,然后加入Mg-Zr中间合金,待其熔化后去除表面浮渣,搅拌3分钟,再将镁液温度升至760℃保温20分钟后760℃精炼6分钟,精炼后升温到770℃以上,静置30分钟,待镁液降温至730℃后进行浇铸,浇铸用刚制模具预先加热至200℃,得到Mg-12Y-2Sm-0.35Zr合金。合金的热处理工艺为:550℃固溶处理12小时,250℃等温时效48小时。
本实施例所得的合金,其室温抗拉强度为365MPa,屈服强度为245MPa,延伸率为3.0%,200℃的抗拉强度为331MPa,250℃的抗拉强度为312MPa。
Claims (8)
1、一种高强度耐热镁合金,其特征在于:组分及重量百分比为:3-12%Y、2-6%Sm、0.35-0.8%Zr,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%,余量为Mg。
2、一种高强度耐热镁合金的制备方法,其特征在于:所述的高强度耐热镁合金组分及重量百分比为:3-12%Y、2-6%Sm、0.35-0.8%Zr,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02%,余量为Mg,制备方法为:先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热,然后将纯镁放入有气体保护的熔炉中熔化,待镁锭熔化后加入Mg-Y、Mg-Sm中间合金,升温加入Mg-Zr中间合金,待其熔化后去除表面浮渣、搅拌、精炼,精炼后静置,待镁液降温后进行浇铸,得到Mg-Y-Sm-Zr合金。
3、根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法,其特征是:纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热温度为180-220℃。
4、根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法,其特征是:待镁锭熔化后在720-740℃加入Mg-Y、Mg-Sm中间合金,升温到750-770℃加入Mg-Zr中间合金。
5、根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法,其特征是:待镁液降温至720-740℃后进行浇铸。
6、根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法,其特征是:浇铸用刚制模具预先加热至180-220℃。
7、根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法,其特征是:将Mg-Y-Sm-Zr合金进行500-550℃、6-12小时的固溶处理。
8、根据权利要求3的高强度耐热镁合金的制备方法,其特征是:将经固溶处理后的Mg-Y-Sm-Zr合金在175-250℃的温度下进行6-50小时的时效处理。
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