高强度抗蠕变镁合金及其制备方法技术

一种高强度抗蠕变镁合金及其制备方法，镁合金的组分及其重量百分比为：６％≤Ｙ≤１２％、１％≤Ｇｄ≤６％、０．５％≤Ｚｎ≤３％、０≤Ｚｒ≤０．９％，其余为Ｍｇ和不可避免的杂质。熔炼时分别以Ｍｇ－Ｙ、Ｍｇ－Ｇｄ、Ｍｇ－Ｚｒ中间合金的形式向镁熔体中添加组元Ｙ、Ｇｄ和Ｚｒ，熔炼后得到的镁合金经过５００～５５０℃、６～２４小时的固溶处理以及２２５～３００℃、１２～４８小时的时效处理后，在３００℃下，镁合金具有优异的强度和抗蠕变性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，具体涉及一种通过添加合金元素(Y、 Gd、 Zn)以及调整相应的热处理工艺从而 实现镁合金的高强度和抗蠕变性能，属于金属材料类及冶金领域。
技术介绍
镁合金作为最轻的金属结构材料，能满足日益严格的〖1车尾气排 放要求，可生产出重量轻、油耗少、环保型的新型汽车，因而在汽车 工业中受到了广泛的关注。然而，低的高温强度和抗蠕变性能制约了 其在发动机和动力系统零件上的应用。稀土被认为是用来提高镁合金 耐热性能的重要元素，如已获商业化应用的Mg-Y-Nd基合金WE54 和WE43。在日本专利特开平10-147830中，专利技术者选用Y作为第一合金组 元，Gd作为第二組元，他们所制备的Mg-8Y-3Gd-0.5Zr合金在经过 均质化处理、热间锻造以及时效处理之后，可以获得优于WE54的高 温抗拉强度，其中200。C下的抗拉强度超过了 330MPa(林式会社东京 精锻工所，日立金属株式会社，特开平10-147830，公开日1998.06.02 )。 然而该专利中，未对合金的蠕变性能进行描述，且铸造后所采用的处 理工艺相对复杂，不利于工业化生产。另外一种改善耐热性的可能途 径是添加较为廉价的Zn来取代部分Gd，从而有望获得对高温性能改 善有益的长周期结构。近年来，通过成分和工艺的调整期望在稀土镁 合金中获得长周期结构一直是国际上研究的一个热点。但是在耐热性 方面，过髙的Zn含量将影响固溶效果，以致不能充分发挥时效强化 的作用，这无疑也不利于镁合金高温性能的改善以及有悖于轻量化设 计的初衷。从以上的分析可以看出，进一步优化合金成分和热处理工艺，对 于秉承镁合金的轻量化特性、实现可接受的价格以及获得优异的耐热 性能均具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种，通过添加合金元素(Y、 Gd、 Zn)以及调整 相应的热处理工艺，从而实现耐热镁合金需要具备的优异的高温强度 和抗蠕变性能。为实现上迷目的，本专利技术的技术方案为考虑到Y固溶度大，固 溶强化效果好，具有时效强化能力，且在稀土金属中具有相对较低的 密度，有助于增加合金的阻燃和抗氧化能力，因而选用Y作为第一组 元，为保证合金得到良好的固溶强化和时效析出强化效果，Y的加入 量不低于6%，为避免合金塑性过低，以及铸态下得到过多的低熔点 共晶相而影响高温蠕变性能，Y的加入量不宜高于12%;选用Gd作 为第二组元，因为加入重稀土元素Gd有望获得比轻稀土元素Y更好 的抗蠕变性能，并可发挥Gd的固溶、时效强化效果，改善Y的加入 导致时效硬化峰值温度延迟的不良影响，但过量的Gd会导致密度增 加过多，因此Gd的含量控制在1~6%;选用Zn作为第三组元，除 可以利用生成的富Zn稀土化合物钉扎晶界，承担部分载荷而改善高 温性能外，Zn的加入还可以在晶内引入长周期有序结构，因该结构与 Mg基体具有共格界面，所以高温下有助于抑制基体变形并因而改善 合金的耐热性，当然，Zn的加入还可以有效地降低成本，但含量也不 宜过多，以免产生过多的难于固溶的富Zn化合物，因此Zn的含量控 制在0.5~3%;此外，虽然并不是必需的，但合金中还可以添加适量 的Zr来细化晶粒，进一步改善材料的强度和塑性，从而期望获得较 为优异的综合性能。综上所述，本专利技术所提供的一种高强度抗蠕变镁合金，其包含的 各组分及其重量百分比为6%SY^12%、 l%SGd^6%、 0.5%￡Zi^3%、05Zi^0.9%,其余为Mg和不可避免的杂质。其中，合金中的杂质元 素含量为Fe<0.005%、 Cu<0.015%、 Ni<0.002%，随杂质含量的增 加，合金的耐腐蚀性能显著降低。本专利技术所提供的上述合金的制备方法，分为两个阶段，即熔炼和 后续热处理。其中，熔炼过程在SF6/C02气体保护条件下进行，具体 步骤如下(1) 熔炼Mg:在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，加热熔炼；(2) 加Zn:待镁完全熔化后，在600 700。C的温度下加入工业純锌；(3) 加Y和Gd:在700 740。C的温度下向镁液中加入Mg-Y和 Mg-Gd中间合金；(4) 在需要加Zr的情况下将镁液温度升至760 780。C后加入 Mg-Zr中间合金，搅拌2 ~ 5分钟以促使其充分熔化；(5) 铸造升髙镁液温度至780~800。C，保温20~30分钟后降温 至740~760。C，精炼6~10分钟，精炼后的静置时间控制在25~40 分钟之间，待镁液冷却至700 720。C后撇去表面浮渣，浇铸到预先加 热至200~250汇的浇铸用钢制模具中，即可得到Mg-Y-Gd-Zn合金或 Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金。熔炼之后的热处理工艺为将熔炼得到的Mg-Y-Gd-Zn合金或Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金进行 500~ 550°C、 6~24小时的固溶处理以及225 300。C、 12~48小时的 时效处理。显然，与现有公开技术及专利特开平10-147830相比，本专利技术的 合金在成分和工艺上都存在显著差异。成分上，微量Zn的加入明显 改变了合金的微观组织结构，本专利技术者们认为其所产生的富Zn化合 物以及长周期有序结构均可以明显改善合金的抗蠕变性能，而在专利 特开平10-147830中，只是讨论了合金的高温强度，对蠕变性能未有 任何描述，亊实上，瞬时高温强度和蠕变性能的影响机制是有明显差 异的。工艺上，本专利技术合金省去了专利特开平10-147830中的热间锻造，采用了优化的铸造和热处理工艺，同样实现了优异的高温强度和 抗蠕变性能。总之，与现有技术相比，本专利技术具有显著进步，提供的耐热稀土 镁合金除具有重量轻、工艺简单、成本可接受之外，还具有非常优异的高温强度和抗蠕变性能。以Mg-12Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金为例，附图说明图1 是该合金典型的铸态金相组织，经过535-C、 16小时的固溶处理以及 225°C、 24小时的时效处理之后，其室温抗拉强度和延伸率分别为 272.84MPa和0.55%,高温200°C时的抗拉强度和延伸率分别为 288.72MPa和6.3%，高温300°C时的抗拉强度和延伸率分别为 295.36MPa和10.6%;在300°C/50MPa蠕变条件下，该合金仍具有非 常优异的抗蠕变性能，其稳态蠕变速率为2.8xlO-Y1，且其蠕变寿命远 超过100小时，而相同测试条件下未加Zn的Mg-12Y-5Gd-0.5Zr合金 的蠕变寿命低于40小时，如后面所附的图2所示。在250。C/80MPa 蠕变条件下，加Zn合金的稳态蠕变速率为3.89xl(r、"，而未加Zn合 金的稳态蠕变速率为4.46xl(rV1,具体数据可参见表l和后面所附的 图3。由此可见，Zn元素的加入确实可以显著改善合金的抗蠕变性能。表1: Mg-12Y-5Gd-0.5Zr和Mg-12Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金的蠕变 性能的比较<table>table see original document page 7</column></row><table>附围说明困l表示Mg-12Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金的铸态金相组织。图2表示Mg-12Y-5Gd-0.5Zr和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镁合金，其特征在于，包含的各组分及其重量百分比为：６％≤Ｙ≤１２％、１％≤Ｇｄ≤６％、０．５％≤Ｚｎ≤３％、０≤Ｚｒ≤０．９％，其余为Ｍｇ和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾金海，王渠东，高岩，金田润也，
申请(专利权)人：上海交通大学，株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]