專利名稱：一種耐熱稀土鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐熱稀土鎂合金，同時還涉及一種該耐熱稀土鎂合金的 制備方法。
背景技術(shù)：
鎂是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車上應(yīng)用日益增多。汽車每減重100Kg， 則100Km節(jié)油0.5L，同時減少了尾氣排放，因此進(jìn)行鎂合金的研究開發(fā)對于 節(jié)約能源、抑制環(huán)境污染有著重要意義。但是，鎂合金的強(qiáng)度和耐熱性不佳 嚴(yán)重阻礙其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的應(yīng)用，因此提高鎂合 金的強(qiáng)度和耐熱是發(fā)展鎂合金材料的重要課題。
現(xiàn)有的耐熱鎂合金主要從限制位錯運(yùn)動和強(qiáng)化晶界入手，通過適當(dāng)?shù)?合金化，通過引入熱穩(wěn)定性高的第二相、降低元素在鎂基體中的擴(kuò)散速率 或者改善晶界結(jié)構(gòu)狀態(tài)和組織形態(tài)等手段來實(shí)現(xiàn)提高鎂合金熱強(qiáng)性和高溫 蠕變抗力的目的。目前，在所有合金元素中，稀土 (RE)是提高鎂合金耐熱 性能最有效的合金元素，稀土元素在鎂合金中除了具有除氣、除雜、提高鑄 造流動性、耐蝕性能以外，同時大部分稀土元素在鎂中具有較大的固溶度 極限；而且隨溫度下降，固溶度急劇減少，可以得到較大的過飽和度，從 而在隨后的時效過程中析出彌散的、高熔點(diǎn)的稀土化合物相；稀土元素還 可以細(xì)化晶粒、提高室溫強(qiáng)度，而且分布在晶內(nèi)和晶界(主要是晶界)的 彌散的、高熔點(diǎn)稀土化合物，在高溫時仍能釘扎晶內(nèi)位錯和晶界滑移，從 而提高了鎂合金的高溫強(qiáng)度，同時RE元素在鎂基體中的擴(kuò)散速率較慢，這 使得Mg-RE合金適于在較高溫度環(huán)境下長期工作。Mg-RE (如Mg-Gd系)合 金是重要的耐熱合金系，具有較高的高溫強(qiáng)度和優(yōu)良的蠕變性能。當(dāng)前于 200 30(TC下長期工作的鎂合金零部件均為Mg-RE系合金，由于其特殊的價 電子結(jié)構(gòu)及在鎂合金中的顯著的強(qiáng)化效果，使Mg-RE系成為發(fā)展高強(qiáng)度耐熱 鎂合金的一個重要合金系。
作為稀土資源第一大國，中國關(guān)于Mg-RE系合金的研究近年來不斷增多 和深入，鎂稀土合金的成功研發(fā)將有助于我們利用這一優(yōu)勢。目前的商業(yè)耐熱鎂合金如WE54，其存在的主要不足是，高溫時強(qiáng)度下降仍較多，還不能完 全滿足其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中高溫下使用時對強(qiáng)度的更高 的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度的耐熱稀土鎂合金。 本發(fā)明的另一目的是提供一種該耐熱稀土鎂合金的制備方法。
為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種耐熱稀土鎂合金，
由以下的質(zhì)量百分比的組分組成8 15%Gd， 2 5%Y， 0.4 4.5°/。Sm， 0.3 0.7%Zr， 0.3 2%Sb，雜質(zhì)元素Si、 Fe、 Cu和Ni總量小于0.02%，余量為 Mg。
所述的Gd， Y， Sm的質(zhì)量百分比之和為13 18°/0。 所述耐熱稀土鎂合金是由鎂，銻和中間合金Mg-Gd， Mg-Y， Mg-Sm， Mg-Zr為原料熔煉而成。
本發(fā)明耐熱稀土鎂合金的制備方法，包括如下步驟
① 將鎂、銻、中間合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱；
② 將鎂和銻在C02+SF6混合氣體保護(hù)下熔化，于720 74(TC加入中間 合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm，將溫度升至740 76(TC加入Mg-Zr中間合金；
③ 當(dāng)Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至770 78(TC后停止升溫；
④ 將溫度降至690 73(TC后進(jìn)行澆鑄，得到鑄態(tài)合金；
⑤ 將鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理后得到耐熱稀土鎂合金。 步驟①所述的預(yù)熱溫度為150 220°C。 所述的熱處理是對鑄態(tài)合金依次進(jìn)行固溶處理和時效處理。 所述固溶處理的處理溫度為500 550°C，處理時間為8 20小時。 所述時效處理的處理溫度為200 250°C，處理時間為10 40小時。 所述澆鑄時將澆鑄模具預(yù)熱至180 250°C。
本發(fā)明合金組分為Mg-Gd-Y-Sm-Zr-Sb。本發(fā)明采用Gd為第一組分，Gd 在Mg固溶體中的最大固溶度為20.3wt%， 20(TC在Mg固溶體中的固溶度為 3.8wt%，為保證合金得到良好的時效析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化效果，Gd的加入量 不低于8wtM，而又為了避免合金密度增加太多，以及合金過分脆化，因此本 發(fā)明的Gd加入量不高于15wt%;采用Y為第二組分，采用Sm為第三組分，Y、 Sm可以降低Gd在Mg中的固溶度，從而增加Gd的時效析出強(qiáng)化效應(yīng)； Sm在Mg中的最大固溶度為5.7wt%，因此本發(fā)明的Sm加入量不高于4.5wt%; 采用Zr作為晶粒細(xì)化劑，以提高合金的韌性和改善合金的工藝性能；Sb作為 固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、以及與稀土協(xié)同強(qiáng)化鎂合金的組元，進(jìn)一步提高合金 的高溫強(qiáng)度。
Sb是一種鎂合金強(qiáng)化元素和表面活性元素，能細(xì)化鎂合金晶粒，而且彌 散的高熔點(diǎn)的Sb-RE化合物對基體和晶界具有強(qiáng)烈的強(qiáng)化作用。Sb與Mg形
成穩(wěn)定性好的六方結(jié)構(gòu)Mg3Sb2化合物，Mg3Sb2與Mg的面錯配度較小，部分
Mg3Sb2可成為a-Mg的形核襯底，使合金在較小的過冷度下成核，細(xì)化晶粒， 提高鎂合金的強(qiáng)度；彌散的Mg3Sb2不僅可以強(qiáng)化Mg基體，還分布于晶界使 其強(qiáng)化，同時還使晶界上半連續(xù)的網(wǎng)狀化合物轉(zhuǎn)變成顆粒狀，進(jìn)一步提高合 金的高溫強(qiáng)度。
本發(fā)明在含鎂合金中加入的輔助合金元素Sb能與稀土 (RE)形成以 RE2Sb為主的高熔點(diǎn)彌散顆粒質(zhì)點(diǎn)，分布于Mg基體中，該顆粒質(zhì)點(diǎn)相主要為 RE2Sb相，但當(dāng)含Sb量較高時，該顆粒質(zhì)主要為RE2Sb相和RESb相的復(fù)合 物，彌散RE2Sb顆粒質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和尺寸增大，晶界處零星散布離異共晶p相的 數(shù)量也提高。適量的Sb還改善了合金液的流動性。由于RE-Sb質(zhì)點(diǎn)的彌散強(qiáng) 化作用、Sb和RE的固溶強(qiáng)化作用，使合金的常溫和高溫力學(xué)性能提高，并 有效改善合金高溫抗蠕變能力。
本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金在力學(xué)性能上具有一個突出特點(diǎn)，在室溫到 25(TC范圍內(nèi)，合金的抗拉強(qiáng)度具有反常溫度效應(yīng)，即隨著拉伸溫度的提高， 抗拉強(qiáng)度也隨之提高，在250"C時，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)到346MPa。本發(fā)明 的耐熱稀土鎂合金以Mg-10Gd-3.5Y-2.5Sm-0.3Zr-lSb為例，經(jīng)固溶處理和時 效處理后其室溫抗拉強(qiáng)度為270MPa，延伸率為3.4%， 20(TC抗拉強(qiáng)度為 300MPa， 25(TC抗拉強(qiáng)度為346Mpa， 300°C時抗拉強(qiáng)度仍高達(dá)到309MPa。 而在相同條件下，WE54鎂合金的室溫抗拉強(qiáng)度為280MPa，延伸率為4.0%， 200。C抗拉強(qiáng)度為241MPa， 250。C抗拉強(qiáng)度為230MPa。本發(fā)明的耐熱稀土 鎂合金與商用耐熱鎂合金WE54合金相比，具有更高的高溫強(qiáng)度，在航空航 天、汽車工業(yè)、武器裝備等方面將有著廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明實(shí)施例中涉及到的原料鎂(Mg)，銻(Sb)， Mg-Gd， Mg-Y， Mg-Sm， Mg-Zr均為市售產(chǎn)品。所述原料的純度為99.9%的Mg， 99.9%的 Sb， 99.5%的Mg-25.26%Gd、 99.5%的Mg-24.54%Y、 99.5%的Mg-25.11%Sm、 99.5%的Mg-30.00%Zr。
實(shí)施例1
本實(shí)施例的耐熱稀土鎂合金由以下的質(zhì)量百分比的組分組成8%Gd，
2%Y， 4 %Sm， 0.5%Zr， 0.5%Sb，雜質(zhì)元素Si、 Fe、 Cu和Ni總量小于0.02%， 余量為Mg。其中稀土總含量為14%。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為采用剛玉坩堝、中頻感應(yīng)爐熔 煉。先將鎂、銻、中間合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱到1卯。C， 然后將鎂、銻放入預(yù)熱到50(TC的坩堝中，在C02+SF6混合氣體保護(hù)下，大 功率快速加熱熔化，待鎂和銻熔化后，在730。C加入Mg-Gd、 Mg-Y中間合 金，小功率緩慢加熱，待其熔化后且鎂液溫度回升至730'C時再加入Mg-Sm 中間合金；升溫到76(TC加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣， 再將溫度升至78(TC，關(guān)閉主控電路、靜置；待鎂液降溫至71(TC進(jìn)行澆鑄， 澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至180°C。最后得到Mg-8Gd-2Y-4Sm-0.5Zr-0.5Sb 鑄態(tài)鎂合金。鑄態(tài)鎂合金的熱處理50(TC固溶處理20小時，225"C等溫時 效處理25小時。
本實(shí)施例耐熱稀土鎂合金的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的方法經(jīng)固溶時效處理后的 試樣，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB6397—86《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)試樣》加工成5倍標(biāo)準(zhǔn)拉伸 試樣。在高溫下的拉伸試樣需要在試樣兩端加工螺紋以滿足高溫拉伸試樣的 夾持裝置的要求。電子拉伸在日本島津AG-I250kN精密萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行， 拉伸速度為lmm/min。高溫拉伸時，在相應(yīng)溫度下對拉伸試樣保溫15分鐘，
溫度波動+rc，然后進(jìn)行拉伸。
本實(shí)施例所得的耐熱稀土鎂合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為264MPa，延伸率 為3.2%， 200'C的抗拉強(qiáng)度為300MPa， 250'C的抗拉強(qiáng)度為338Mpa， 30CTC 時抗拉強(qiáng)度仍高達(dá)到293MPa。本實(shí)例耐熱稀土鎂合金的抗拉強(qiáng)度在室溫至 25(TC內(nèi)隨著拉伸溫度的升高而提高，在30(TC的高溫下仍具有非常高的抗 拉強(qiáng)度，滿足了其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的要求。
實(shí)施例2本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金的成分(重量百分比)為10%Gd， 3.5%Y， 2.5%Sm， 0.3%Zr， l°/。Sb，雜質(zhì)元素Si、 Fe、 Cu和Ni總量小于0.02%，余 量為Mg。其中稀土總含量為16%。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為采用剛玉坩堝、中頻感應(yīng)爐熔
煉。先將鎂、銻、中間合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱到220°C， 然后將鎂、銻放入預(yù)熱到50(TC左右坩堝中，在C02+SF6混合氣體保護(hù)下， 大功率快速加熱熔化，待鎂錠和銻熔化后，在74(TC加入Mg-Gd、 Mg-Y中 間合金，小功率緩慢加熱，待其熔化后且鎂液溫度回升至740'C時再加入 Mg-Sm中間合金，升溫到75(TC加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表 面浮渣，再將鎂液溫度升至775°C，關(guān)閉主控電路、靜置。待鎂液降溫至 73(TC進(jìn)行澆鑄。澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至210°C 。最后得到 Mg-10Gd-3.5Y-2.5Sm-0.3Zr-lSb鑄態(tài)合金。鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理53(TC固 溶處理12小時，20(TC等溫時效處理40小時。
本實(shí)施例耐熱稀土鎂合金的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的方法同實(shí)施例1。 本實(shí)施例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為270MPa，延伸率為3.4%, 20(TC抗拉強(qiáng)度為300MPa， 25(TC抗拉強(qiáng)度為346MPa， 300'C時抗拉強(qiáng)度 309MPa。本實(shí)例耐熱稀土鎂合金的抗拉強(qiáng)度在室溫至25(TC內(nèi)隨著拉伸溫 度的升高而提高，在30(TC的高溫下仍具有非常高的抗拉強(qiáng)度，滿足了其在 航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的要求。 實(shí)施例3
本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金的成分(重量百分比)為13%Gd， 3%Y， 1.5%Sm， 0.5%Zr， 2%Sb，雜質(zhì)元素Si、 Fe、 Cu和Ni總量小于0.02%，余 量為Mg。其中稀土總含量為17.5%。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為采用剛玉坩堝、中頻感應(yīng)爐熔
煉。先將鎂、銻、中間合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱到150°C， 然后將鎂、銻放入預(yù)熱到50(TC左右坩堝中，在C02+SF6混合氣體保護(hù)下， 大功率快速加熱熔化，待鎂錠和銻熔化后，在720'C加入Mg-Gd、 Mg-Y中 間合金，小功率緩慢加熱，待其熔化后且鎂液溫度回升至72(TC時再加入 Mg-Sm中間合金，升溫到74(TC加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表 面浮渣，再將鎂液溫度升至770°C，關(guān)閉主控電路、靜置。待鎂液降溫至690。C進(jìn)行澆鑄。澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至250°C 。最后得到 Mg-13Gd-3Y-1.5Sm-0.5Zr-2Sb鑄態(tài)合金。鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理55(TC固溶 處理8小時，25(TC等溫時效處理IO小時。
本實(shí)施例耐熱稀土鎂合金的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的方法同實(shí)施例1。 本實(shí)施例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為281MPa，延伸率為3.3%, 200。C抗拉強(qiáng)度為312MPa， 25(TC抗拉強(qiáng)度為343MPa， 300'C時抗拉強(qiáng)度 304MPa。本實(shí)例耐熱稀土鎂合金的抗拉強(qiáng)度在室溫至25(TC內(nèi)隨著拉伸溫 度的升高而提高，在300。C的高溫下仍具有非常高的抗拉強(qiáng)度，滿足了其在 航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的要求。
最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)例僅用于說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案， 盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解依然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和 范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種耐熱稀土鎂合金，其特征在于由以下的質(zhì)量百分比的組分組成8～15％Gd，2～5％Y，0.4～4.5％Sm，0.3～0.7％Zr，0.3～2％Sb，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni總量小于0.02％，余量為Mg。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金，其特征在于所述的Gd， Y， Sm的質(zhì)量百分比之和為13 18%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耐熱稀土鎂合金，其特征在于該耐熱稀 土鎂合金是由鎂，銻和中間合金Mg-Gd， Mg-Y， Mg-Sm， Mg-Zr為原料熔煉 而成。
4、 一種如權(quán)利要求1所述耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于包 括如下步驟① 將鎂、銻、中間合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱；② 將鎂和銻在C02+SF6混合氣體保護(hù)下熔化，于720 74(TC加入中間 合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm，將溫度升至740 76(TC加入Mg-Zr中間合金；③ 當(dāng)Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至770 780。C后停止升溫；④ 將溫度降至690 73(TC后進(jìn)行澆鑄，得到鑄態(tài)合金；⑤ 將鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理后得到耐熱稀土鎂合金。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于步驟 ①所述的預(yù)熱溫度為150 220°C。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于所述 的熱處理是對鑄態(tài)合金依次進(jìn)行固溶處理和時效處理。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于所述 固溶處理的處理溫度為500 550°C，處理時間為8 20小時。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于所述 時效處理的處理溫度為200 250"C，處理時間為10 40小時。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于所述 澆鑄時將澆鑄模具預(yù)熱至180 250°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耐熱稀土鎂合金，特別是一種組分為Mg-Gd-Y-Sm-Zr-Sb的鎂合金，其是由以下質(zhì)量百分比的組分組成8～15％Gd，2～5％Y，0.4～4.5％Sm，0.3～0.7％Zr，0.3～2％Sb，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni總量小于0.02％，余量為Mg。同時還公開了該耐熱稀土鎂合金的制備方法。本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金具有很高的拉伸強(qiáng)度，在室溫到250℃范圍內(nèi)，合金的抗拉強(qiáng)度具有反常溫度效應(yīng)，即隨著拉伸溫度的提高，抗拉強(qiáng)度也隨之提高，本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金在250℃時的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)到346MPa，300℃時抗拉強(qiáng)度仍高達(dá)到309MPa。本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金與商用耐熱鎂合金WE54合金相比，具有更高的高溫強(qiáng)度，在航空航天、汽車工業(yè)、武器裝備等方面將有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C22F1/06GK101532107SQ20091006462
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月13日
發(fā)明者任文亮, 清 張, 張興淵, 李克杰, 李全安, 李躍華, 君 陳 申請人:河南科技大學(xué)