專利名稱：稀土鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種稀土鎂合金，同時還涉及一種該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，由于鎂合金的強度和耐熱性 不佳嚴重阻礙其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的應用，因此提高 鎂合金的強度和耐熱性能是發(fā)展鎂合金材料的重要課題。
現(xiàn)有的耐熱鎂合金的開發(fā)主要從限制位錯運動和強化晶界入手，通過 適當?shù)暮辖鸹?，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 散速率或者改善晶界結(jié)構(gòu)狀態(tài)和組織形態(tài)等手段來實現(xiàn)提高鎂合金熱強性 和高溫蠕變抗力的目的。目前，在所有合金元素中，稀土 (RE)元素是提高 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、高熔點的稀土化合物相； 稀土元素還可以細化晶粒、提高室溫強度，而且分布在晶內(nèi)和晶界(主要 是晶界)的彌散的、高熔點稀土化合物，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度；同時稀土元素在鎂基體中的擴散 速率較慢，這使得Mg-RE系合金適于在較高溫度環(huán)境下長期工作。
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，稀土鎂合金的研發(fā)將有助于我們利用這一優(yōu)勢。到目前為止，在稀 土鎂合金的設(shè)計、制備和應用過程中主要存在以下不足首先，稀土元素的 含量對最終的稀土鎂合金的各項性能影響較大，難以控制，過少的稀土量不 足以提高合金的耐熱性，過高的稀土量會由于稀土與氧、氫反應生成夾雜， 在鑄造過程中易產(chǎn)生熱裂；其次，可供選擇的稀土元素較多，而且多種稀土 元素之間的相互作用較為復雜，相比之下，對此的研究還相對不足，目前可供選擇的實際應用的耐熱稀土鎂合金種類較少，其高溫抗拉強度等性能不能
完全滿足其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高強度高塑性的稀土鎂合金。 本發(fā)明的另一 目的是提供一種該稀土鎂合金的制備方法。 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明稀土鎂合金所采用的技術(shù)方案是 一種稀土
鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成5 6°/。Al， 0.6 2.4%Y， 0.3 1.2% Nd, 1.2 4.8%Gd，雜質(zhì)元素Fe、 Cu和Ni的總量小于0.02%，余量為Mg。 所述的稀土元素Y， Nd， Gd的質(zhì)量百分比之和為3.5 7.0。/。。 該稀土鎂合金是由鎂，鋁和中間合金Mg-Y， Mg-Nd， Mg-Gd為原料熔煉 而成。
本發(fā)明的稀土鎂合金的制備方法包括如下步驟
① 將鎂、鋁、中間合金Mg-Y， Mg-Nd和Mg-Gd預熱；
② 將鎂和鋁在SF6+C02混合氣體保護下熔化，于720 740"C加入中間 合金Mg-Y、 Mg-Nd、 Mg-Gd;
③ 當物料熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至770 78(TC后停止升溫；
④ 待溫度降至690 72(TC進行澆鑄，得到鑄態(tài)合金；
⑤ 將鑄態(tài)合金進行熱處理后得到稀土鎂合金。 步驟①所述的預熱溫度為120 150°C。
所述的熱處理為將得到的鑄態(tài)合金依次進行固溶處理和時效處理。 所述固溶處理的處理溫度為400 50(TC，處理時間為10 30小時。 所述時效處理的處理溫度為190 240°C，處理時間為8 25小時。 所述澆鑄時將模具預熱至200 250°C 。
本發(fā)明稀土鎂合金的組分為Mg-Al-Y-Nd-Gd。重稀土 Gd和Y在鎂中的 最大固溶度分別是20.3 wt。/。和11.5 wt%， Gd和Y是稀土元素中固溶度較大的 元素。在鎂-稀土二元合金中，Mg-Gd的高溫強度與蠕變性能表現(xiàn)最顯著，其 次是Mg-Y。兩種合金的析出平衡相分別是Mg5Gd和Mg24Ys，具有較高的熔 點，對鎂合金的室溫及高溫力學性能產(chǎn)生較好的強化效果。鎂合金中加入的 Nd元素能與主強化元素Gd和Y產(chǎn)生協(xié)同作用，使得主強化元素對鎂合金的 室溫及高溫力學性能產(chǎn)生更好的強化效果。
4Al是鎂合金中重要的合金元素，在鎂基體中有較大的固溶能力，最大的 固溶度為12.7wt%， Al在鎂合金中起到強化的作用，其強化作用主要體現(xiàn)在 兩個方面， 一是通過形成卩-MgnAli2相的第二相強化，二是A1原子在鎂基體 中的固溶強化。在Mg基體中加入Al元素后，形成P-MgnAh2相，并以離異 共晶的形式存在，當合金中有RE元素時，A1可以與RE形成A1-RE彌散強 化相。含量過高的(3-MgnAl,2相會影響鎂合金的耐熱性，因此在鎂合金中A1 的含量控制在6wty。以下；然而含量過低的Al會損害鎂合金的鑄造性能，Al 的含量不應低于5wt%。本發(fā)明的稀土鎂合金的Al含量為5 6wt%。
本發(fā)明的稀土鎂合金Mg-Al-Y-Nd-Gd的具有良好的綜合力學性能，經(jīng)固 溶處理和時效處理后的稀土鎂合金具有強度高、塑性好，各項性能相對穩(wěn)定 的特點，能夠滿足其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的要求。
具體實施例方式
本發(fā)明實施例中涉及的原料Mg， Al， Mg-Nd， Mg-Gd， Mg-Y均為市售 的產(chǎn)品，所述市售原料的純度為99.9%Mg ， 99.9%A1 ， 99.5°/。的 Mg-25.26%Gd， 99.5%的Mg-24.54%Y， 99.5%的Mg-17.33%Nd。
實施例1
本實施例的稀土鎂合金是由以下質(zhì)量百分比的組分組成6%A1， 0.6% Y， 0.3% Nd， 3% Gd，雜質(zhì)元素Fe、 Cu和Ni的總量小于0.02%，余量為Mg。 其中稀土總含量為3.9%。
本實施例的稀土鎂合金的制備方法為
按照上述的配比制備合金，采用中頻感應爐、高純石墨坩堝熔煉。先將 鎂、鋁及中間合金Mg-Nd、 Mg-Y、 Mg-Gd預熱至150°C，鋼制澆口杯預熱 至600°C，備用；然后將鎂、鋁放入預熱到50(TC左右的坩堝中，在SF6+C02 混合氣體保護下，大功率快速加熱，待鎂、鋁熔化后在74(TC加入中間合金 Mg-Y、 Mg-Nd、 Mg-Gd，待其熔化采用后去除表面浮渣，小功率緩慢加熱， 鎂液溫度升至780'C時，關(guān)閉主控電路、靜置；待鎂液降溫至72(TC后進行 澆鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至250°C，最后得到Mg-Al-Y-Nd-Gd鑄態(tài) 合金。將得到的鑄態(tài)合金進行熱處理在400。C下保溫30小時出爐水淬， 在19(TC下保溫25小時出爐后空冷，得到稀土鎂合金。
本實施例稀土鎂合金的拉伸試驗方法經(jīng)固溶時效處理后的試樣，按照國家標準GB6397—86《金屬拉伸實驗試樣》加工成5倍標準拉伸試樣。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精密萬能實驗機上進行，拉伸速度為 lmm/min。高溫拉伸時，在相應溫度下對拉伸試樣保溫15分鐘，溫度波動士rC， 然后進行拉伸。
本實施例所制得的稀土鎂合金，其室溫抗拉強度為257MPa，延伸率為 9.9%; 150'C的抗拉強度為256MPa，延伸率為14.4%; 175'C的抗拉強度為 226MPa，延伸率為16.9%; 200。C的抗拉強度為184MPa，延伸率為17.0%。 本實施例所制得的稀土鎂合金強度高、塑性好，能夠滿足其在航空航天、軍 工、汽車及其它行業(yè)中的要求。
實施例2
本實施例的稀土鎂合金是由以下質(zhì)量百分比的組分組成5.5%Al， 1.4% Y， 0.8% Nd， 4.8% Gd，雜質(zhì)元素Fe、 Cu和Ni的總量小于0.02%，余量為 Mg。其中稀土總含量為7%。
本實施例的稀土鎂合金的制備方法為
按照上述的配比制備合金，采用中頻感應爐、高純石墨柑堝熔煉。先將
鎂、鋁及中間合金Mg-Nd、 Mg-Y、 Mg-Gd預熱至130°C，鋼制澆口杯預熱 至500°C，備用；然后將鎂、鋁放入預熱到50(TC左右的坩堝中，在SF6+C02 混合氣體保護下，大功率快速加熱，待鎂、鋁熔化后在730。C加入中間合金 Mg-Y、 Mg-Nd、 Mg-Gd，待其熔化后去除表面浮渣，小功率緩慢加熱，鎂 液溫度升至77(TC時，關(guān)閉主控電路、靜置；待鎂液降溫至71(TC后進行澆 鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至230°C，最后得到Mg-Al-Y-Nd-Gd鑄態(tài)合 金。將得到的鑄態(tài)合金進行熱處理在45(TC下保溫20小時出爐水淬，在 22(TC下保溫18小時出爐后空冷，得到稀土鎂合金。 本實施例稀土鎂合金的拉伸試驗方法同實施例1
本實施例所得的稀土鎂合金，其室溫抗拉強度為244MPa，延伸率為 9.0%; 15(TC的抗拉強度為240MPa，延伸率為11.3%; 175。C的抗拉強度為 218MPa，延伸率為12.5%; 200°C的抗拉強度為182MPa，延伸率為13.6%。 本發(fā)明的稀土鎂合金強度高、塑性好，能夠滿足其在航空航天、軍工、汽車 及其它行業(yè)中的要求。實施例3
本實施例的稀土鎂合金是由以下質(zhì)量百分比的組分組成5%A1， 2.4% Y， 1.2% Nd， 1.2% Gd，雜質(zhì)元素Fe、 Cu和Ni的總量小于0.02%，余量為Mg。 其中稀土總含量為4.8%。
本實施例的稀土鎂合金的制備方法為
按照上述的配比制備合金，采用中頻感應爐、高純石墨坩堝熔煉。先將 鎂、鋁及中間合金Mg-Nd、 Mg-Y、 Mg-Gd預熱至120°C，鋼制澆口杯預熱 至500°C，備用；然后將鎂、鋁放入預熱到50(TC左右的坩堝中，在SF6+C02 混合氣體保護下，大功率快速加熱，待鎂、鋁熔化后在720'C加入中間合金 Mg-Y、 Mg-Nd、 Mg-Gd，待其熔化后去除表面浮渣，小功率緩慢加熱，鎂 液溫度升至775'C時，關(guān)閉主控電路、靜置；待鎂液降溫至69(TC后進行澆 鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至200°C，最后得到Mg-Al-Y-Nd-Gd鑄態(tài)合 金。將得到的鑄態(tài)合金進行熱處理在50(TC下保溫10小時出爐水淬，在 24(TC下保溫8小時出爐后空冷，得到稀土鎂合金。
本實施例稀土鎂合金的拉伸試驗方法同實施例1
本實施例所得的稀土鎂合金，室溫抗拉強度256MPa，延伸率9.5%; 150 。C抗拉強度254MPa，延伸率9.9%; 175'C抗拉強度224MPa，延伸率12.0%; 20(TC抗拉強度175MPa，延伸率12.5%。本發(fā)明的稀土鎂合金強度高、塑性 好，能夠滿足其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的要求。
最后所應說明的是，以上實例僅用于說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案， 盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當 理解，依然可以對本發(fā)明進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，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1、一種稀土鎂合金，其特征在于由以下質(zhì)量百分比的組分組成5～6％Al，0.6～2.4％Y，0.3～1.2％Nd，1.2～4.8％Gd，雜質(zhì)元素Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土鎂合金，其特征在于所述的稀土元素Y， Nd， Gd的質(zhì)量百分比之和為3.5 7.0y。。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的稀土鎂合金，其特征在于該稀土鎂合金 是由鎂，鋁和中間合金Mg-Y， Mg-Nd， Mg-Gd為原料熔煉而成。
4、 一種如權(quán)利要求1所述稀土鎂合金的制備方法，其特征在于包括如下步驟① 將鎂、鋁、中間合金Mg-Y， Mg-Nd和Mg-Gd預熱；② 將鎂和鋁在SF6+C02混合氣體保護下熔化，于720 740。C加入中間 合金Mg-Y、 Mg-Nd、 Mg-Gd;③ 當物料熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至770 78(TC后停止升溫；④ 待溫度降至690 720'C進行澆鑄，得到鑄態(tài)合金；⑤ 將鑄態(tài)合金進行熱處理后得到稀土鎂合金。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述稀土鎂合金的制備方法，其特征在于步驟① 所述的預熱溫度為120 150°C。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述稀土鎂合金的制備方法，其特征在于所述的熱處理為將得到的鑄態(tài)合金依次進行固溶處理和時效處理。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述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400 50(TC，處理時間為10 30小時。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述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190 240°C，處理時間為8 25小時。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述稀土鎂合金的制備方法，其特征在于所述澆鑄 時將模具預熱至200 250°C 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種稀土鎂合金，該稀土鎂合金是由以下質(zhì)量百分比的組分組成5～6％Al，0.6～2.4％Y，0.3～1.2％Nd，1.2～4.8％Gd，雜質(zhì)元素Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg；同時還公開了一種該稀土鎂合金的制備方法。本發(fā)明的稀土鎂合金Mg-Al-Y-Nd-Gd具有良好的綜合力學性能，經(jīng)熱處理后的稀土鎂合金具有強度高、塑性好，各項性能相對穩(wěn)定的特點，能夠滿足其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的要求。
文檔編號C22C1/03GK101532105SQ20091006464
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者清 張, 張興淵, 李克杰, 李全安, 李建弘 申請人:河南科技大學