含稀土高强度耐热镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种金属材料技术领域的含稀土高强度耐热镁合金及其制备方法，镁合金组分重量百分比为：３％≤Ｙ≤１６％、０％≤Ｇｄ≤１０％、０．３％≤Ｃａ≤５％、０．１≤Ｚｒ≤１．５％，及Ｎｄ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｃｄ中的一种或几种，０％≤Ｎｄ≤５％，０％≤Ｓｉ≤５％，０％≤Ｓｂ≤５％，０％≤Ｔｉ≤５％，０％≤Ｓｎ≤５％，０％≤Ｓｒ≤５％，０％≤Ｂｉ≤５％，０％≤Ｃｄ≤５％，其余为Ｍｇ和杂质。该镁合金采用熔炼以及后续的热处理获得。本发明专利技术镁合金既可作为铸造镁合金又可作为变形镁合金，且比ＷＥ系列商业镁合金有更加优越的力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属材料
的镁合金及其制备方法，具体涉及一种含 稀土高强度耐热镁合金及其制备方法。
技术介绍
镁合金作为最轻的金属结构材料，能满足日益严格的汽车尾气排放要求，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，低的高温强度等力学性能制约了其在发动机和动力系统零件上的应用。 因此，提出了高强度耐热镁合金。稀土元素被认为是用来提高镁合金耐热性能的重要元素，例如已获商业化应 用的Mg-Y-Nd基合金WE54和WE43。传统的冊54合金经T6处理后，室温抗拉强度 为250MPa，屈服强度为172MPa，延伸率为2.0% (ASM Specialty Handbook: Magnesium and Magnesium Alloys)。经对现有技术的检索发现，在中国专利CN 1804083A中记载了一种高强耐热 稀土镁合金，其组成为2 10X重量比的Gd、 3 12X重量比的Y， Gd和Y的重 量之和占该合金总重量的13 14%,以及0. 4 0. 7%重量比的Zr和不大于0. 3 %重量比的活化元素(Zn、 Ag、 Cu、 Sr、 Ca、 Ti、 Bi、 Cd中任选一种)，或0. 6 1.5%重量比的Mn和不大于0.3%重量比的活化元素(Sn、 Si、 Sb、 Ca、 Sr中任 选一种)，其余为镁。这种稀土镁合金的析出物总是沿着基体的棱柱面析出，形成 一种交叉的网状相结构，具有能高度抗粒子粗化，提供高度强化和蠕变抗力的作 用。其在300。C应用条件下，瞬时极限拉伸强度为180MPa。检索中还发现，在中国专利CN101078080A中记载了一种抗蠕变镁合金，该镁 合金成分及其重量百分比为1.5-10wt.%Y， 0. 15-2.0 wt.% Zr， 0. 3-2. Owt.% Nd， 2. 5-8wt.%Gd，及Sra， Dy， Tb， Ho， Er， Tm和Eu中一种或几种，其中0-1. 5 wt.% Sm， 0-5 wt.% Dy; 0-5 wt.% Tb; 0-5 wt.% Ho， 0-5 wt.% Er， 0—5wt.% Tm，0-5wt. % Eu，其余为Mg。然而，在中国专利CN 1804083A中文献中，Ca含量不大于0.3X，并且没有 加入Nd元素。其在300°C的瞬时极限拉伸强度并没有极大的发挥，如果Ca含量超 过0.3%，并适当的利用它的第二相强化作用，会得到300°C的瞬时极限拉伸强度 超过200MPa的合金。在中国专利CN101078080A中，虽然包括了 Y、 Gd和Nd合金 元素，但没有包括Ca元素和高于10 wt. %以上的Y以及高于2 wt. %以上含量的Nd， 以及并未包含Si、 Sb、 Ti、 Sn、 Sr、 Bi、 Cd等元素。因此，这两个专利都有各自 的局限性。综上所述，合金中加入更高含量的Y和Ca、 Nd或Si、 Sb、 Ti、 Sn、 Sr、 Bi、 Cd中的一种或几种，能够更加发挥合金的第二相强化、时效强化和合金化的效果， 从而能够得到更高的高温拉伸性能及抗蠕变性能。通过进一步优化合金的热处理 工艺和热加工工艺，获得优异的耐热性能对合金的实际应用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，提出一种含稀土高强度耐热镁合 金及其制备方法，通过添加合金元素(Y、 Gd、 Ca、 Nd、 Si、 Zr、 Sb、Ti、 Sn、 Sr、 Bi、 Cd)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室 温和高温强度。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术所涉及的含稀土高强度耐热镁合金，包含的各组分及其重量百分比为 3%《Y《16°/。、 0%《Gd《10%、 0. 3%《Ca《5%、 0. l《Zr《1.5%，及Nd、 Si、 Sb、 Ti、 Sn、 Sr、 Bi、 Cd中的一种或几种，其中0%《Nd《5%， 0%《Si《5%， 0%《Sb《5%， 0%《Ti《5%， 0%《Sn《5%， 0%《Sr《5%， 0%《Bi《5%， 0%《Cd《5%，其余为 Mg和不可避免的杂质。其中，杂质元素含量为Fe〈0. 005%、Cu〈0. 015%、Ni<0. 002%。本专利技术所提供的上述合金的制备工艺，分为两个阶段，即熔炼和熔炼之后的 热处理。所述熔炼在SFe和C02的混合气体保护条件下进行，包括如下步骤-① 熔炼Mg:在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，熔炼；② 加入Ca及Si、 Sb、 Ti、 Sn、 Sr、 Bi、 Cd中的一种或几种待镁锭完全熔 化后，在660 68(TC下加入；③ 力口 Y、 Gd及Nd:在700 740。C往镁液中加入Mg-Y、 Mg-Gd和Mg-Nd中间合金；④ 加Zr:将镁液温度升至760 780。C后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2 5min 以促使其充分熔化；⑤ 铸造升高镁液温度至780 800°C，保温20 30min后降温至740 760°C， 通电精炼6 10min，精炼后的静置时间控制在25 40min之间，待镁液冷却至 700 740。C后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至200 250°C， 即可得到镁稀土合金锭坯。所述熔炼之后的热处理为将熔炼得到的镁稀土合金锭坯进行490 540°C， 6 30h的固溶处理或者固溶处理之后再进行200 300°C， 12 60h的时效处理。本专利技术中，因为稀土元素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3%，为避免合金成本和密度增加太多，以及塑性过低，Y的加入 量不宜高于16%;选用Gd作为第二组元，稀土元素Y、 Gd的交互作用，充分促进 Gd的固溶时效强化效果，有望获得比单纯稀土元素Y更好的高温力学性能，并改 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，合金的塑性降低，成本增加，因此Gd的含量控制在0 10y。；选用Ca作为 第三组元，并且其含量超过0.3%而不大于5%，因为加入元素Ca后，可以充分 促进稀土元素Y、 Gd的固溶时效强化效果，同时细化第二相，改变其形貌，使其 分布更加弥散，从而更加有效的改善合金的高温性能，当然Ca的加入还可以有效 地降低成本；加入Nd、 Si、 Sb、 Ti、 Sn、 Sr、 Bi、 Cd中的一种或几种，有助于形 成第二相，起到固溶强化和第二相强化的作用。当然这几种添加元素还可以有效 地降低成本，但含量也不宜过多，因此Nd、 Si、 Sb、 Ti、 Sn、 Sr、 Bi、 Cd中的一 种或几种的含量控制在0 5%;此外，在合金中添加适量的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。总之，与现有技术相比，本专利技术具有显著进步，提供的耐热镁合金除具有重 量轻、工艺简单、成本可接受之外，还具有良好的塑性、优异的高温强度和抗蠕 变性能。本专利技术能够充分发挥高稀土合金和高含钙量的综合优势，得到300°C的瞬时极 限拉伸强度最高可达26本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含稀土高强度耐热镁合金，其特征在于，各组分及其重量百分比为：３％≤Ｙ≤１６％、０％≤Ｇｄ≤１０％、０．３％≤Ｃａ≤５％、０．１≤Ｚｒ≤１．５％，及Ｎｄ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｃｄ中的一种或几种，其中０％≤Ｎｄ≤５％，０％≤Ｓｉ≤５％，０％≤Ｓｂ≤５％，０％≤Ｔｉ≤５％，０％≤Ｓｎ≤５％，０％≤Ｓｒ≤５％，０％≤Ｂｉ≤５％，０％≤Ｃｄ≤５％，其余为Ｍｇ和杂质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高岩，王渠东，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]