高强韧耐热压铸Mg-Gd合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供了高强韧耐热压铸Mg‑Gd合金及其制备方法，该合金成分及化学计量比为：4.0～8.0％Gd、1.2～4.8％Zn、0.5～1.2％Al、0.1～0.3％Mn、0.01～0.08％M,余量为Mg；其中M为Ti，B中一种或两种元素。制备方法：(1)按Mg‑Gd合金成分配料；(2)将工业纯镁锭熔化；(3)升温至720℃，加入工业纯锌、Mg‑Gd和Mg‑Mn中间合金，搅拌至全部熔化；(4)升温至730℃，待依次加入的工业纯铝锭、Al‑Ti、Al‑Ti‑B、Al‑B中间合金全部熔化后，精炼后得到镁合金熔体；(5)将镁合金熔体降温至压铸温度进行压铸，得到压铸合金。本发明专利技术合金的压铸态室温抗拉强度达到318MPa，200℃高温抗拉强度达到218MPa，室温延伸率达到12.0％，而且无需时效、固溶热处理便可使用，满足航空航天等行业对轻量化的高端需求。

Die Casting Mg-Gd Alloy with High Strength, Toughness and Heat Resistance and Its Preparation Method

The present invention provides a high strength, toughness and heat resistant die casting Mg Gd alloy and its preparation method. The composition and stoichiometric ratio of the alloy are 4.0-8.0% Gd, 1.2-4.8% Zn, 0.5-1.2% Al, 0.1-0.3% Mn, 0.01-0.08% M, and the remainder is Mg, of which M is one or two elements of Ti and B. The preparation methods include: (1) mixing according to the composition of Mg Gd alloy; (2) melting industrial pure magnesium ingots; (3) heating to 720 (?) adding industrial pure zinc, Mg Gd and Mg Mn master alloys and stirring them to melt all; (4) heating to 730 (?) heating up to 730 (?) and adding industrial pure aluminum ingots, Al Ti, Al Ti B, Al B master alloys in turn, melting magnesium alloy after refining; (5) melting magnesium alloy. Die-casting alloy was obtained by cooling to die-casting temperature. The die-cast alloy has room temperature tensile strength of 318 MPa, high temperature tensile strength of 218 MPa and room temperature elongation of 12.0%, and can be used without aging and solution heat treatment, thus meeting the high-end requirements for lightweight in aerospace industry.

【技术实现步骤摘要】
高强韧耐热压铸Mg-Gd合金及其制备方法
本专利技术涉及高强韧耐热压铸Mg-Gd合金，满足航空航天、汽车、电讯等行业对轻量化发展的高端需求。本专利技术还涉及高强韧耐热压铸Mg-Gd合金的制备方法，属于工业用镁合金制造领域。
技术介绍
镁合金作为最轻的工程金属材料(镁的密度为铝的2/3，钢的1/4)，其比强度明显高于铝合金和钢，比刚度虽然与铝合金和钢相当，但远高于工程塑料，同时具有良好的铸造性、切削加工性好、导热性好、阻尼性以及电磁屏蔽能力强和易于回收等一系列优点，在航空、航天、汽车、电子及国防军工等领域有着广泛的应用前景。镁合金成为替代铝合金、钢铁和工程塑料以实现轻量化的理想材料，其中替代潜力最大的是铝合金。压力铸造是一种将液态或半固态金属在高压作用下高速填充入压铸模型腔内并在在压力下凝固形成铸件的铸造方法。压铸不仅使铸件具有较高的强度、尺寸精度和表面光洁度，而且易于实现机械化和自动化，生产效率很高，可以生产形状复杂的薄壁铸件，因此，在汽车、电子仪表、电讯等行业获得了广泛的应用。镁合金压铸是所有铸造方法中是最有竞争力的，其在生产成本上甚至比铝合金压铸还低。其原因在于(1)镁合金的体积比热和热导率均较低，压铸不仅生产率高而且合金液对模具的热冲击小，模具使用寿命长；(2)镁不与铁反应，粘模倾向小，在相同的充型压力下的充型速度更大，故较小的拔模斜度使其可生产外形更为复杂、公差精度更高的铸件。近年来，由于环保压力和轻量化节能需求的增强，镁合金压铸在汽车和电讯工业上的应用获得了快速的增长，已占镁消费量的第二位，其中80％用于汽车工业。AZ(如AZ91)和AM系镁合金(如AM60、AM50)是目前应用最广泛的商业化压铸镁合金，广泛应用于汽车和3C产品压铸件。AZ91D具有优良的铸造性能，能铸造出结构精密复杂的薄壁压铸件，但塑性较差，延伸率只有3％，而AM60的塑性则较好，延伸率达到8％，常用于制造仪表盘支撑件和座椅框架等减震耐冲击的汽车安全部件，但其强度较低，屈服强度只有130MPa。另外，AZ和AM系镁合金高温蠕变性能很差，温度高于150℃时的拉伸强度迅速降低，其原因在于在高温蠕变过程中过饱和的α-Mg基体在晶界处的Mg17Al12相非连续析出。通过加入合金元素以改善析出相的特性(晶体结构、形态及热稳定性)来提高Mg-Al合金的耐热性能，在此基础上开发了Mg-Al-RE压铸镁合金。目前美国陶氏化学公司开发的综合力学性能最佳的商用镁合金AE44，其典型性能为屈服强度140MPa，抗拉强度247MPa，延伸率11％。AE系镁合金虽然具有相对优异的延伸率，但是其常温和高温力学性能仍无法达到目前广泛应用的A380压铸铝合金的水平，并且压铸时因粘模倾向而难于生产，严重限制了其应用发展。锌Zn在Mg中的最大固溶度高达6.2wt％，能起到固溶强化和时效强化作用，是高强度镁合金的重要强化元素。典型的Mg-Zn系铸造镁合金包括ZK51A和ZK60A，变形合金包括ZK21A、ZK31、ZK40A、ZK60A和ZK61等。随Zn含量增加，合金的抗拉强度和屈服强度提高，但是其断后伸长率降低，铸造性能、工艺塑性和焊接性能恶化，特别是因凝固范围过宽(例如ZK60的凝固区间高达265℃，JournalofMaterialsScience,45(14)(2010)3797-3803.)，导致其热裂倾向极为严重，不能用于压铸。稀土元素RE(rareearthelement)对镁合金强度性能的有益作用和锆对镁合金的晶粒细化作用都是在二十世纪三十年代发现的，Mg-RE-Zr系(EK30,EK31,EK41)中EK31成为Mg-Zr类中最早开发成功的高温铸造镁合金。基于稀土RE元素的镁稀土合金具有优异的时效硬化效应，多种以RE为主加元素的新型镁合金先后被开发出来，如Mg-Y系的WE54、WE43合金等。申请公布号为CN105525178A的专利文献(高导热可压铸Mg-Y-Zr系多元镁合金及其制备方法)公开了一种高导热压铸耐腐蚀镁合金，该镁合金成分的质量百分含量为1.5～4％Y、0.001～1％Mn、0.001～2％Zn、0.001～1％Ca、0.4～0.8％Zr，其余为Mg；由于该合金中的Ca元素的加入急剧增大了合金的凝固温度区间，增加热裂倾向，压铸铸锭抗拉强度仅为140～190MPa。重稀土元素Gd在镁合金中的固溶度高达25wt％，有强烈的固溶强化和时效强化作用，添加Gd可以大幅度地提高镁合金的致密性、铸造性能、三温(低温、室温和高温)性能、抗蠕变性能以及抗腐蚀性能。早在1974年研究者就发现，经过挤压、调质和时效处理的Mg-15wt％Gd合金在高温和低温都具有较高的抗拉强度。虽然高Gd含量导致合金的密度和成本增加，但研究人员通过协调添加合金化元素，如Sc、Mn、Nd、Y、Zr，致力于保持含钆镁合金的力学性能优势,尽量减少负面影响，研制了一些有发展前途的多元含钆镁合金，如Mg-Gd-Y-Mn、Mg-Gd-Y-Zr、Mg-Gd-Nd-Zr和Mg-Gd-Sc-Mn等。在Mg-Gd合金中加入廉价的Zn，不仅对调控该合金系的时效析出组织有较为显著的作用，而且在不同的Zn/Gd比条件下可以形成多种强化相：当合金中Zn/Gd质量比≥2.49(原子比≥6.0)时容易形成二十面体准晶体结构I相(Mg3Zn6Gd)；当合金中Zn/Gd质量比介于0.62和2.49之间(原子比介于1.5和6.0)时容易形成面心立方结构W相(Mg3Zn3Gd2)和I相；当合金中Zn/Gd质量比介于0.42和0.62之间(原子比介于1.0和1.5)时容易形成W相和长周期堆垛有序结构LPSO相(Mg12ZnGd)；当合金中Zn/Gd质量比≤0.42(原子比≤1.0)时容易形成LPSO相(MaterialsScienceandEngineeringA,695(2017)135-143)。多种Mg-Gd-Zn强化相可以进一步提高镁合金的室温强度及高温性能，除强化相W外，LPSO相的弹性模量和显微硬度均比纯镁的要高很多，能够显著提高镁合金的强度和塑性，使合金展现出优异的综合力学性能。研究发现，在Mg-RE-Zn系中仅当稀土元素是Y、Gd、Er、Dy、Ho、Tb、Tm可形成LPSO结构(MaterialsTransactions，48(11)(2007)2986-2992)。申请公布号为CN105506426A的专利文献(一种多纳米相复合增强镁合金及其制备方法)公开了一种多纳米相复合强化增强的变形镁合金，该Mg-Gd-Zn合金的质量百分组成为：10～25％Gd、1～5％Zn、余量为Mg，其中Gd与Zn的质量百分含量差值不低于8；其制备方法为“通过分级挤压及多级热处理工艺获得一种力学性能优异的变形镁合金材料，所述的热处理温度区间为200～550℃，其中固溶处理温度区间520～550℃，保温时间为5～15h；高温相析出处理温度区间450～520℃，保温时间为10～120h；低温相析出处理温度区间200～350℃，保温时间为15～100h”。申请公布号为CN103184379A的专利文献(生物可降解Mg-Gd-Zn-Ag-Zr系镁合金及其制备方法)公开了一种生物可降解Mg-Gd-Zn-Ag-Zr本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高强韧耐热压铸Mg‑Gd合金，其特征在于包括如下质量百分比的元素：4.0～8.0％Gd、1.2～4.8％Zn、0.5～1.2％Al、0.1～0.3％Mn、0.01～0.08％M,余量为Mg和其他不可避免的杂质；其中，M为Ti、B中的一种或两种。

【技术特征摘要】
1.高强韧耐热压铸Mg-Gd合金，其特征在于包括如下质量百分比的元素：4.0～8.0％Gd、1.2～4.8％Zn、0.5～1.2％Al、0.1～0.3％Mn、0.01～0.08％M,余量为Mg和其他不可避免的杂质；其中，M为Ti、B中的一种或两种。2.如权利要求1所述的高强韧耐热压铸Mg-Gd合金，其特征在于：Zn/Gd质量比为0.2～0.6。3.如权利要求1所述的高强韧耐热压铸Mg-Gd合金，其特征在于：(Zn+Al)/Gd质量比为0.3～0.7。4.如权利要求1～3任一项所述的高强韧耐热压铸Mg-Gd合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)按Mg-Gd合金成分及化学计量比，计算工业纯镁锭、工业纯锌、工业纯铝锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Ti-B中间合金和Al-B中间合金的用量；将工业纯镁锭、工业纯锌、工业纯铝锭、Mg-Gd中间合金和Mg-Mn中间合金均去除氧化层并烘干预热至200℃；(2)将占坩埚高度25％的工业纯镁锭熔化成熔池后，通入保护气体，加入剩余镁锭；(3)待镁锭全部熔化后，升温至720℃，将工业纯锌、Mg-Gd中间合金和Mg-Mn中间合金分多次加入，并保持温度恒定在720℃，进行搅拌直至全部熔化，并保温30min；(4)压力铸造前40～60min，升温至730℃，待依次加入的工业纯铝锭、Al-Ti中间合金、Al-Ti-B...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘子利，叶兵，刘希琴，刘思雨，
申请(专利权)人：江苏中翼汽车新材料科技有限公司，南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32