一种金属型重力铸造镁合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属结构材料领域，具体涉及一种金属型重力铸造镁合金材料及其制备方法。该材料由按质量百分数计的如下元素组成：a％的Al，b％的La、Ce、Pr中的一种或几种的混合，c％的Mn，合计含有d％的RE稀土元素Gd、Y、Sm、Nd、Er、Eu、Ho、Tm、Lu、Dy、Yb中的一种或几种，总量小于0.2％的杂质，余量为Mg，其中，a、b、c和d满足下述3.5≤a≤4.5；0.5≤b≤4.5；0.2≤c≤0.5；0.01≤d≤2.5。该材料组织均匀细小、力学性能优良、铸造性能良好、拓宽了镁合金材料的应用领域。本发明专利技术还提供了工艺稳定性好、可控度高的金属型重力铸造镁合金材料的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种金属型重力铸造镁合金材料及其制备方法
本专利技术属于金属结构材料领域，具体涉及一种金属型重力铸造镁合金材料及其制备方法。
技术介绍
镁及其合金是目前工业上可应用的最轻金属结构材料，具有密度小(约为铝的2/3，钢的1/4)、比强度和比刚度高、阻尼性、切削加工性、铸造性能好等优点，已广泛应用于汽车、通讯电子、航空航天等领域。但绝对强度及塑性较低使得镁及其合金主要用作非承力或承力较小的构件，制约了其进一步的推广与应用。AE44(Mg-4Al-4RE，wt.％)镁合金是迄今商用镁合金中，既具备优异的室温力学性能，又兼备良好高温抗蠕变性能的一种合金。传统AE44金属型重力铸造镁合金中添加的合金元素主要为铝、锰和富铈混合稀土，其组织主要由α-Mg基体和Al11RE3针状相组成。在服役过程中，Al11RE3针状相尖端容易产生应力集中并萌生裂纹，恶化材料力学性能，且Al11RE3针状相热稳性好，材料难以通过热处理进一步强化。此外，不同于高压铸造，重力铸造冷却速率较慢，有效细化AE44重力铸造镁合金基体晶粒对提高合金性能尤为重要。因此如何修正Al11RE3针状相、引入新型强化相、促进合金可热处理化以及细化合金晶粒尺寸是提高AE系金属型重力铸造镁合金强韧性的关键问题。研究表明：钐、钆、钇等稀土元素(1)与铝元素在凝固初期形成细小高熔点Al2RE相，作为异质形核核心细化基体，并引入细小新型强化相；(2)在镁中溶质分配系数k<1，凝固过程中富集在固液界面上阻碍基体和第二相的长大，能进一步显著细化基体并颗粒化第二相形貌；(3)在镁中固溶度大，具备固溶强化效果；(4)固溶度随温度变化减小，具备时效强化效果。而目前通过添加上述特性的稀土元素对AE系镁合金进行组织改形及改性并引入新型强化相以提高合金强韧性未见国内外报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种金属型重力铸造镁合金材料，该材料力学性能优良、铸造性能良好、基体晶粒尺寸细小、Al11RE3相为颗粒状的镁合金材料。本专利技术的另一个目的是提供金属型重力铸造镁合金材料制备方法，工艺稳定性好。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种金属型重力铸造镁合金材料，其特征在于：由按质量百分数计的如下元素组成：a％的Al，b％的La、Ce、Pr中的一种或几种的混合，c％的Mn，合计含有d％的RE稀土元素Gd、Y、Sm、Nd、Er、Eu、Ho、Tm、Lu、Dy、Yb中的一种或几种，总量小于0.2％的杂质，余量为Mg，其中，a、b、c和d满足下述式子(1)～(4)，(1)3.5≤a≤4.5；(2)0.5≤b≤4.5；(3)0.2≤c≤0.5；(4)0.01≤d≤2.5。优选的，所述式(4)中d的范围值为：0.1≤d≤2.5。Gd、Y、Sm等稀土元素在Mg中的固溶度较大，式(4)中d的添加量≥0.1会有更为显著的时效强化效果，但添加量>2.5会造成第二相的粗化，在服役过程中割裂基体，并作为裂纹萌生点严重恶化材料力学性能。其中，1)铝用于均衡合金强度、塑性、改善铸造工艺性能，使本专利技术适合工业批量生产。2)La、Ce、Pr元素用于提高合金力学性能，La、Ce、Pr元素与铝优先生成Al11RE3相，抑制生成热稳性差的Mg17Al12相，提高合金的室温和高温力学性能；此外，La、Ce、Pr能够除去熔炼时镁合金熔体中的杂质，达到除气精炼、净化熔体的效果。3)锰用于提高合金的耐腐蚀性能，锰可与镁合金中铁或其它重金属元素形成化合物，使其大部分作为熔渣除去；此外锰可促进合金的时效强化效果，形成Al-Mn纳米时效相，进一步提高合金强韧性。4)Gd、Y、Sm等稀土元素在Mg中固溶度较大，在AE系镁合金中主要以三种形式存在：固溶在基体中；偏聚在晶界、相界和枝晶界；固溶在化合物中或形成化合物。向合金中添加上述稀土元素，能起到固溶强化，提高强度的作用。以上稀土元素在Mg中的溶质分配系数k<1，且稀土元素化学活性极强，可偏聚并吸附在长大的晶粒界面或枝晶界面上，阻碍晶粒和枝晶长大，能显著细化晶粒、颗粒化Al11RE3针状相，大幅提高合金性能，尤其是塑性。进一步增加上述稀土的含量，会与Al元素优先生成细小颗粒状高熔点Al2RE金属间化合物，能作为异质形核核心细化晶粒，并弥散分布于基体中，改变合金断裂过程中裂纹萌生位置和扩展途径，进一步提高合金的塑性。此外，Gd、Y、Sm等稀土元素的添加还可以促进AE系镁合金的时效强化效果，进一步提高合金的强度。优选的，所述镁合金材料中，3.6％≤b+d≤7.0％。进一步优选的，所述镁合金材料中，4.5％≤b+d≤6.0％。b和d的加入量，决定了最终镁合金材料的各项性能。优选的，所述b％的三种元素中，选用La、Ce两种元素的组合，其材料组织更为均匀，力学性能更佳。优选的，所述d％的RE元素的种类为Gd、Y、Sm、Nd元素，其Gd、Y、Sm、Nd的质量比为40-81:31-52:16-30:11-24，合适的稀土元素种类及配比有利于细化晶粒，变质颗粒化针状第二相Al11RE3，并避免第二相的粗化，能大幅提高合金的力学性能。一种金属型重力铸造镁合金材料的制备方法，包括如下步骤，S1：熔炼合金，将纯Mg、纯Al、镁稀土中间合金、铝锰或镁锰中间合金分别预热；优选的，所述步骤S1中，预热温度为200～250℃，预热时间为2～6小时。所述预热温度及时间能够有效去除原材料的水分，并能避免原材料表面在预热过程中过度氧化问题。优选的，所述步骤S1中，镁稀土中间合金为镁富铈混合稀土中间合金、镁镧中间合金、镁铈中间合金、镁镨中间合金、镁钐中间合金、镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁富钇混合稀土中间合金、镁钕中间合金、镁镨钕混合稀土中间合金、镁铒中间合金、镁铕中间合金、镁钬中间合金、镁铥中间合金、镁镥中间合金、镁镝中间合金、镁镱中间合金中的一种或几种中间合金的组合。所述富铈混合稀土中含有Ce、La、Pr三种稀土元素。S2：将预热后的纯Mg在保护气氛中进行完全熔化；在670～690℃加入预热后的纯Al、铝锰或镁锰中间合金；当温度升到720～740℃，加入预热后的镁稀土中间合金；待镁稀土中间合金完全熔化后升温至720～740℃，加入精炼剂进行精炼，精炼后在710-730℃进行静置，冷却至680～700℃后撇去浮渣，得到镁合金熔体，或浇注得到镁合金铸锭；优选的，步骤S2中，加入精炼剂进行精炼，精炼后在720℃，进行静置。精炼温度选择720℃，精炼效果最佳，能够最大程度上除气除渣，净化熔体。S3：对步骤S2中的镁合金熔体或镁合金铸锭重熔后进行金属型重力铸造，获得镁合金铸件。优选的，所述步骤S3中，将所述镁合金熔体或镁合金铸锭重熔后，在680～700℃下浇注到预热至200～300℃的金属模具中，冷却，获得镁合金铸件。进一步优选的，所述金属型重力铸造的冷却速率为1～50℃/s。所述浇注温度能够保证熔体在模具中的具备较好流动性，且避免熔体温度过高造成的烧损。所述步骤S2的保护气氛为SF6和CO2的混合气体。优选的，所述SF6和CO2的体积比为1：99。所述步骤S2的精炼剂为含无机盐的镁合金精炼剂，优选的，含钠盐、钾盐、氟盐的无机盐镁合金精炼剂或六氯乙烷。优选的，精炼剂的加入量为所有原料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属型重力铸造镁合金材料，其特征在于：由按质量百分数计的如下元素组成：a％的Al，b％的La、Ce、Pr中的一种或几种的混合，c％的Mn，合计含有d％的RE稀土元素Gd、Y、Sm、Nd、Er、Eu、Ho、Tm、Lu、Dy、Yb中的一种或几种，总量小于0.2％的杂质，余量为Mg，其中，a、b、c和d满足下述式子(1)～(4)，(1)3.5≤a≤4.5；(2)0.5≤b≤4.5；(3)0.2≤c≤0.5；(4)0.01≤d≤2.5。

【技术特征摘要】
1.一种金属型重力铸造镁合金材料，其特征在于：由按质量百分数计的如下元素组成：a％的Al，b％的La、Ce、Pr中的一种或几种的混合，c％的Mn，合计含有d％的RE稀土元素Gd、Y、Sm、Nd、Er、Eu、Ho、Tm、Lu、Dy、Yb中的一种或几种，总量小于0.2％的杂质，余量为Mg，其中，a、b、c和d满足下述式子(1)～(4)，(1)3.5≤a≤4.5；(2)0.5≤b≤4.5；(3)0.2≤c≤0.5；(4)0.01≤d≤2.5。2.如权利要求1所述的一种金属型重力铸造镁合金材料的制备方法，包括如下步骤，S1：熔炼合金，将纯Mg、纯Al、镁稀土中间合金、铝锰或镁锰中间合金分别预热；S2：将预热后的纯Mg在保护气氛中进行完全熔化；在670～690℃加入预热后的纯Al、铝锰或镁锰中间合金；当温度升到720～740℃，加入预热后的镁稀土中间合金；待镁稀土中间合金完全熔化后升温至720～740℃，加入精炼剂进行精炼，精炼后在710-730℃进行静置，冷却至680～700℃后撇去浮渣，得到镁合金熔体，或浇注得到镁合金铸锭；S3：对步骤S2中的镁合金熔体或镁合金铸锭重熔后进行金属型重力铸造，获得镁合金铸件。3.根据权利要求2所述的一种金属型重力铸造镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，预热温度为200～250℃，预热时间为2～6小时。4.根据权利要求2所述的一种金属型重力铸造镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，镁稀土中间合金为镁富铈混合稀土中间合金、镁镧中间合金、镁铈中间合金、...

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