專利名稱：含稀土鑄造鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含稀土鑄造鎂合金及其制備方法，具體涉及一種通過添加合金元素(Gd，Sm，Zr)及改變?nèi)蹮挕崽幚淼墓に嚄l件獲得的鑄造鎂合金及其制備方法，制得的此類鎂合金具有比傳統(tǒng)商業(yè)鎂合金優(yōu)越的室溫強度、瞬時高溫強度等機械性能。屬于金屬材料類及冶金領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
強度不足和耐熱性不佳嚴重阻礙了鎂合金在航空航天、軍工及其它行業(yè)中替代鋁合金等材料的步伐。稀土元素，尤其是Y、Nd等，在提高鎂合金強度、耐熱性等方面作用顯著。例如傳統(tǒng)的商業(yè)耐熱鎂合金WE43和WE54。根據(jù)稀土元素核外電子排布的不同，稀土元素可以分為兩組Ce組和Y組。Nd、Sm同屬Ce組，Y、Gd同屬Y組。Ce組元素在鎂基體中固溶度較??；Y組元素在鎂基體中固溶度很大。在共晶點溫度，Gd在鎂中的極限固溶度是23.3wt.％(4.48at.％)，大于Y的12.0wt.％(3.59at.％)；Sm在鎂中的極限固溶度為5.8wt.％(0.99at.％)，大于Nd的3.6wt.％(0.63at％)。而且Gd、Sm在鎂中的固溶度都隨溫度的降低顯著下降，這意味著Mg-Gd、Mg-Sm二元合金是典型可以通過熱處理沉淀強化的鎂合金，可能分別產(chǎn)生比Y、Nd更良好的固溶強化和時效強化作用?？梢?，將WE系列鎂合金中的Y、Nd元素分別用Gd、Sm元素代替，由于Gd、Sm較高的固溶度，可能會得到更佳的固溶強化以及時效析出強化效果，得到更佳的綜合機械性能。Gd與Sm同屬于稀土元素，在Mg固溶體中時效析出納米級的析出相，這類析出相熱穩(wěn)定性強，不僅可以顯著提高合金室溫的強度，而且對保持合金的高溫強度起到重要作用。
屬于不同組的兩種或多種稀土元素混合加入鎂基體，合金的析出動力學及析出相序列變得更為復雜，而且可以進一步提高鎂合金強度。兩種不同組稀土元素混合加入鎂合金，其復合強化效果比單獨加入相同數(shù)量的單種稀土元素更明顯。傳統(tǒng)的鑄造WE54合金經(jīng)T6處理后，室溫抗拉強度為250MPa，屈服強度為172MPa，延伸率為2.0％(ASM Specialty HandbookMagnesium andMagnesiumAlloys)。其不足在于較低的室溫性能限制了WE54合金的廣泛應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種優(yōu)化的鑄造鎂合金及其制備方法，通過添加合金元素Gd、Sm，并通過適當?shù)娜蹮捈盁崽幚砉に嚄l件，使得此類鎂合金具有比傳統(tǒng)商業(yè)鎂合金優(yōu)越的室溫強度、瞬時高溫強度和硬度等力學性能。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是采用Gd為第一組分，因為Gd在200℃在Mg固溶體中的固溶度為3.82wt.％，為保證合金得到良好的時效析出強化和固溶強化效果，Gd的加入量不低于6wt.％，為避免合金成本和密度增加太多，以及合金過分脆化，Gd的加入量不高于15wt.％；采用Sm為第二組分，Sm可以略微降低Gd在Mg中的固溶度，從而增加Gd的時效析出強化效應，另外Sm的加入也可以提前時效硬度峰值的出現(xiàn)。Sm在200℃在Mg固溶體中的固溶度為0.4wt.％，為保證合金得到良好的時效析出強化和固溶強化效果，Sm的加入量不低于2wt.％，Sm在Mg中的最大固溶度為5.8wt.％，因此Sm的加入量應不高于6wt.％。采用Zr作為晶粒細化劑，以提高合金的韌性和改善合金的工藝性能。
綜上所述，本發(fā)明所提供的一種含稀土鑄造鎂合金，其組分及其重量百分比為6-15％Gd、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
本發(fā)明提供的含稀土鑄造鎂合金制備方法包括熔煉工藝和熱處理工藝Mg-Gd-Sm-Zr合金的熔煉工藝為將純鎂、中間合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr預熱到180-220℃，然后將純鎂放入有SF6/CO2氣體保護的熔爐中熔化；鎂錠熔化后在720-760℃，依次加入Mg-Gd、Mg-Sm中間合金，中間合金熔化后在740-760℃保溫25-35分鐘，升溫到760-800℃加入Mg-Zr中間合金，待Mg-Zr中間合金熔化后撇去表面浮渣，攪拌3-6分鐘；攪拌后將鎂液溫度升至770-785℃保溫12-15分鐘后降溫至750-770℃，精煉3-6分鐘，精煉后升溫至770-800℃，靜置10-20分鐘；靜置后鎂液冷卻至720-770℃后撇去表面浮渣進行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至250-400℃，得到本發(fā)明Mg-Gd-Sm-Zr鑄造鎂合金。
本發(fā)明具體的熱處理工藝為將得到的Mg-Gd-Sm-Zr合金進行固溶處理，固溶處理溫度為500-540℃，時間為4-10小時，淬水；對固溶處理后的合金在175-250℃溫度下進行4-50小時的時效處理。
本發(fā)明所具有的實質(zhì)性特點和顯著的進步為(1)采用Mg-Gd和Mg-Sm中間合金來間接添加Gd和Sm元素，能夠用純Mg錠稀釋中間合金熔煉過程中帶來較多的夾雜物，并且顯著降低合金的熔煉溫度以及減少合金在較高溫度下的停留時間；用Zr細化晶粒時，做到了盡量減少在高溫段的停留時間，并在較低溫度下攪拌精煉，成功實現(xiàn)了在鎂合金較低的常規(guī)澆注溫度下澆注，而不降低晶粒的細化效果；這不僅有效地降低了熔煉后合金的夾雜物數(shù)量，而且有效地降低了熔煉時保護的難度，使該系合金的工業(yè)化生產(chǎn)成為現(xiàn)實。
(2)對合金在不同溫度下的固溶和時效行為進行了全面的研究，得到了優(yōu)化的固溶處理和時效處理工藝；合金在該處理工藝下可充分發(fā)揮其固溶強化和時效強化效果。
(3)本發(fā)明的Mg-Gd-Sm-Zr合金的室溫強度及高溫瞬時拉伸強度相對于WE系列合金得到顯著提高。以Mg-6Gd-4Sm-0.4Zr為例，經(jīng)過熱處理后室溫抗拉強度為327MPa，延伸率為4.0％，200℃抗拉強度為300MPa，250℃抗拉強度為295MPa；而相同條件下WE54合金的室溫抗拉強度為250MPa，延伸率為2.0％，200℃抗拉強度為245MPa，250℃抗拉強度為225MPa。Mg-Gd-Sm-Zr合金的機械性能明顯高于WE54合金。
具體實施例方式
以下通過具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細描述。
實施例1
合金的成分(重量百分比)為6.0％Gd，4.0％Sm，0.4％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂、中間合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr預熱到200℃，然后將純鎂放入有SF6/CO2氣體保護的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在720-740℃加入Mg-Gd中間合金，Mg-Gd熔化后鎂液溫度回升至720-740℃，再加入Mg-Sm中間合金使之熔化，然后升溫到750℃保溫30分鐘，將鎂液溫度升至760-780℃后加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣，攪拌5分鐘，再將鎂液溫度升至770℃保溫15分鐘后降溫至750℃精煉5分鐘，精煉后升溫到770-780℃，靜置15分鐘，待鎂液降溫至720-750℃后撇去表面浮渣進行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至250-300℃，得到Mg-6Gd-4Sm-0.4Zr合金。合金的熱處理工藝為535℃固溶處理5.5小時，225℃等溫時效4小時。
本實施例所得的合金，其室溫抗拉強度為327MPa，屈服強度為208MPa，延伸率為3.7％，200℃的抗拉強度為300MPa，250℃的抗拉強度為295MPa。
實施例2合金的成分(重量百分比)為10.0％Gd，6.0％Sm，0.8％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂、中間合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr預熱到200℃，然后將純鎂放入有SF6/CO2氣體保護的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在730-750℃加入Mg-Gd中間合金，Mg-Gd熔化后鎂液溫度回升至740-760℃，再加入Mg-Sm中間合金使之熔化，然后升溫到760℃保溫30分鐘，將鎂液溫度升至780-800℃后加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣，攪拌5分鐘，再將鎂液溫度升至780℃保溫15分鐘后降溫至770℃精煉5分鐘，精煉后升溫到770-790℃，靜置20分鐘，待鎂液降溫至750-770℃后撇去表面浮渣進行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至350-400℃，得到Mg-10Gd-6Sm-0.8Zr合金。合金的熱處理工藝為540℃固溶處理10小時，200℃等溫時效24小時。
本實施例所得的合金，其室溫抗拉強度為320MPa，屈服強度為230MPa，延伸率為1.8％，200℃的抗拉強度為310MPa，250℃的抗拉強度為300MPa。
實施例3合金的成分(重量百分比)為15.0％Gd，2.0％Sm，0.4％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂、中間合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr預熱到200℃，然后將純鎂放入有SF6/CO2氣體保護的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在740-760℃加入Mg-Gd中間合金，Mg-Gd熔化后鎂液溫度回升至720-740℃，再加入Mg-Sm中間合金使之熔化，然后升溫到750℃保溫30分鐘，將鎂液溫度升至760-780℃后加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣，攪拌3分鐘，再將鎂液溫度升至770℃保溫15分鐘后降溫至760℃精煉6分鐘，精煉后升溫到780-800℃，靜置20分鐘，待鎂液降溫至750-770℃后撇去表面浮渣進行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至350-400℃，得到Mg-15Gd-2Sm-0.4Zr合金。合金的熱處理工藝為520℃固溶處理8小時，250℃等溫時效16小時。
本實施例所得的合金，其室溫抗拉強度為370MPa，屈服強度為250MPa，延伸率為5.2％，200℃的抗拉強度為335MPa，250℃的抗拉強度為305MPa。
權(quán)利要求
1.一種含稀土鑄造鎂合金，其特征在于其組分及重量百分比為6-15％Gd、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
2.一種權(quán)利要求1的含稀土鑄造鎂合金的制備方法，其特征在于(1)將純鎂、中間合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr預熱到180-220℃，然后將純鎂放入有SF6/CO2氣體保護的熔爐中熔化；(2)鎂錠熔化后在720-760℃，依次加入Mg-Gd、Mg-Sm中間合金，中間合金熔化后在740-760℃保溫25-35分鐘，升溫到760-800℃加入Mg-Zr中間合金，待Mg-Zr中間合金熔化后撇去表面浮渣，攪拌3-6分鐘；(3)攪拌后將鎂液溫度升至770-785℃保溫12-15分鐘后降溫至750-770℃，精煉3-6分鐘，精煉后升溫至770-800℃，靜置10-20分鐘；(4)靜置后鎂液冷卻至720-770℃后撇去表面浮渣進行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至250-400℃，得到Mg-Gd-Sm-Zr合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的含稀土鑄造鎂合金的制備方法，其特征在于將得到的Mg-Gd-Sm-Zr合金進行固溶處理，溫度為500-540℃、時間為4-10小時，淬水。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的含稀土鑄造鎂合金的制備方法，其特征在于將經(jīng)固溶處理后的Mg-Gd-Sm-Zr合金在175-250℃的溫度下進行4-50小時的時效處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含稀土鑄造鎂合金及其制備方法，鎂合金的組分及其重量百分比為6－15％Gd、2－6％Sm、0.35－0.8％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。熔煉時分別以Mg－Gd、Mg－Sm、Mg－Zr中間合金的形式向鎂熔體中添加Gd、Sm、Zr，熔煉后得到的鎂合金經(jīng)過500－540℃、4－10小時，淬水的固溶處理后，進行175－250℃×4－50小時時效處理提高其強度。本發(fā)明通過添加合金元素Gd、Sm代替WE系列合金中的Y、Nd，并通過熔煉及熱處理工藝條件，獲得高強度耐熱鎂合金，此類鎂合金具有比傳統(tǒng)WE系列商業(yè)鎂合金優(yōu)越的室溫強度、瞬時高溫強度等力學性能。
文檔編號C22C1/03GK1962914SQ20061011926
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月7日
發(fā)明者章楨彥, 彭立明, 丁文江, 曾小勤 申請人:上海交通大學