一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含钆钇稀土元素的高强度Mg‑Ca‑Mn‑Al‑Zn系变形镁合金及其制备方法，属于变形镁合金材料领域，其组分按质量百分比为：钙：0.50~2.00%；铝：0.10~2.00%；锌：0.10~2.00%；锰：0.10~3.00%；稀土（钆或钇）：0.10~3.00%，余量为镁和不可避免的杂质（Si、Ni、Cu等）；本发明专利技术提及的镁合金的制备方法为：先熔化纯镁铸锭，充分熔化后，再加入金属钙、锰、铝、锌、稀土（钆或钇）等，充分搅拌之后浇铸成铸锭，随后进行铸锭的均匀化处理，经过反向挤压工艺挤压得出相应的挤压型材；通过熔炼、均匀化处理及后续挤压(反向挤压)工艺制备出了高强高塑性兼备的新型变形镁合金，其强度和韧性得到增强，有较好的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金及其制备方法
本专利技术属于镁合金材料领域，特别是涉及一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金及其制备方法。
技术介绍
随着全球工业发展的不断加快，环境问题和资源短缺等问题愈发受到关注，节能降耗已经成为急需解决的问题。材料的轻量化可很大程度上节约成本并极大降低能耗，对提高能源使用率和保护环境有重要的意义。众所周知，镁及镁合金是至今为止工业和工程应用中最轻的结构材料，镁的密度仅有1.74g/cm3，只相当于铝的2/3，钢的1/4，具有较高的比强度和比刚度，尺寸稳定性高，阻尼减震性能较好，机械加工性能良好以及良好的导热性，并且利于回收再利用，因此在交通运输、电子产品以及航空航天等领域具有广阔的应用前景，被称为21世纪的“绿色工程材料”。但是，由于镁合金本身的强度比钢以及铝合金低，并且成型性和耐蚀性差，因此在工业方面的应用一直受到限制。提高镁合金强度的方法已经被大量研究，向镁基体中添加适当的合金元素，在热变形过程中通过强烈的析出强化以及细晶强化等效应，可显著提高镁合金强度。通过高含量重稀土元素的添加可以优化镁合金的力学性能，其中应用较多的是Gd和Y，可有效净化镁合金的溶液，细化镁合金的显微组织，从而大幅提高合金的强度、耐热和耐蚀等性能，其合金经变形及时效处理后合金的抗拉强度可以达到500MPa。可是，添加过多的重稀土元素也会影响镁合金轻质方面的优势。因此，通过在Mg-Ca-Al-Zn-Mn合金的基础上添加少量Gd和Y，可以开发低成本高强变形镁合金。近几年来有很多关于变形镁合金和Ca、Mn、Al、Zn及稀土元素（Gd或Y）在镁合金中的作用的研究被广泛关注。本专利通过添加合金元素钙、锰、铝、锌、钆、钇等以充分利用细晶强化、沉淀强化、弥散强化和LPSO（长周期堆垛有序结构）强化，以期开发出新型的成本低廉、高力学性能的变形镁合金。北京科技大学江海涛等人申请了一种具有高室温成形性能含钙稀土镁合金板材及制备方法（公开号为CN108300918A）。该镁合金中Al和Zn的质量百分比均为1-3%，且Ca的质量百分比为0.1-0.4%，在此条件下将会生成含Al和Zn元素的第二相，从而对合金的力学性能有不利影响，而本专利中Al和Zn元素的质量百分比涉及到了0.1-1%的微量添加，并且将Ca元素含量提升到0.5-2%，充分发挥了Ca元素提升镁合金强度和塑性的能力，并且析出纳米级第二相，从而综合提升了合金的力学性能。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金及其制备方法，制备出强韧兼备的变形镁合金。一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，其组分按质量百分比为：钙：0.50~2.00%；铝：0.10~2.00%；锌：0.30~2.00%；锰：0.10~3.00%；稀土（钆或钇）：0.20~3.00%，余量为镁和不可避免的杂质（Si、Ni、Cu等）。其他根据该合金成分进行多元合金化改性的合金成分（如添加少量的Sn、Sr、Ba、Ti等），也被本专利所保护。所述的含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，抗拉强度为：376~436MPa，屈服强度为：368~422MPa，延伸率为：4~13%。一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金及其制备方法，具体包括如下步骤：(1)准备原料：按Mg-Ca-Mn-Al-Zn-(Gd,Y)变形镁合金组分质量百分比称取所需原料；(2)铸锭熔炼：在保护气体保护下，将原料分两批次加入：第一批次：加入纯镁加热至740~780℃，充分搅拌并待其全部熔化；第二批次：加入纯钙、纯铝、纯锌、纯钆、纯钇、纯锰或镁锰中间合金；充分搅拌3~6分钟，将熔液温度控制在700~750℃静置10~20分钟，清除表面的浮渣，浇铸至预热到200~350℃的铁模中，制得Mg-Ca-Mn-Al-Zn-(Gd,Y)变形镁合金铸锭；(3)均匀化处理：将Mg-Ca-Mn-Al-Zn-(Gd,Y)变形镁合金铸锭隔绝空气，加热至480~520℃，保温20~60小时，水淬后得到均匀化态的的Mg-Ca-Mn-Al-Zn-(Gd,Y)变形镁合金锭；(4)反向挤压：均匀化态的Mg-Ca-Mn-Al-Zn-(Gd,Y)变形镁合金合金锭，车削掉表面氧化皮之后在230~350℃下预热15分钟，涂抹上石墨润滑，在230~350℃温度范围内进行反向挤压，挤压比为(10~30):1，挤压速度为0.01~2m/min，得到Mg-Ca-Mn-Al-Zn-(Gd,Y))变形镁合金棒材。所述的步骤(1)中，原料均为纯金属或镁中间合金。所述的步骤(2)中，保护气体为高纯氩气。所述的步骤(3)中，所述的步骤(3)中，Mg-Ca-Mn-Al-Zn-(Gd,Y)变形镁合金铸锭隔绝空气的方法为：用石墨粉覆盖或在真空环境或在保护气体下，所述保护气体为氩气、氦气或氮气。有益效果：(1)本专利技术的含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金是一类新型的强韧兼备的变形镁合金，通过在低合金化Mg-Ca合金的基础上添加Mn元素，微量的Al和Zn元素以及部分稀土元素（Gd,Y），可以强烈细化热变形后的合金组织。其中，Mn元素会以单质的形式大量弥散分布于基体中，促进了热变形过程中的动态再结晶过程，保证了合金的强度和韧性；添加稀土元素（Gd,Y），会在晶界析出第二相，并且会形成长周期堆垛有序结构(LongPeriodStackingOrderedStructure,LPSO)相，促进再结晶组织异质形核，同时会诱导Mn元素在晶界形成共偏聚，从而细化晶粒尺寸；添加微量的Al和Zn，可以与合金中的Ca元素在晶界及位错上发生共偏聚进一步提升合金的综合力学性能；(2)通过熔炼、均匀化处理及后续挤压(反向挤压)工艺制备出了强韧兼备的新型变形镁合金，其强度和韧性得到增强，有较好的力学性能。具体实施方式实施例1含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金Mg-0.5Ca-0.2Mn-0.5Al-0.1Zn-0.2Gd/Y，组分按质量百分比为：0.5wt.%Ca；0.2wt.%Mn；0.5wt.%Al；0.5wt.%Zn；0.2wt.%Gd+Y，余量为Mg。本实施例的含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金的制备方法为：(1)按照质量百分比称取以下成分：0.5wt.%Ca；0.2wt.%Mn；0.5wt.%Al；0.5wt.%Zn；0.2wt.%Gd+Y，余量为Mg；锰为锰含量6wt.%的镁锰中间合金，金属纯度均在99%以上；(2)铸锭熔炼：在保护气体保护下，将原料分两批次加入：第一批次：加入纯镁加热至740~780℃，充分搅拌并待其全部熔化；第二批次：加入纯钙、纯铝、纯锌、纯钆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，其特征在于，其组分按质量百分比为：钙：0.50~2.00%；铝：0.10~2.00%；锌：0.30~2.00%；锰：0.10~3.00%；稀土（钆或钇）：0.20~3.00%，余量为镁和不可避免的杂。/n

【技术特征摘要】
1.一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，其特征在于，其组分按质量百分比为：钙：0.50~2.00%；铝：0.10~2.00%；锌：0.30~2.00%；锰：0.10~3.00%；稀土（钆或钇）：0.20~3.00%，余量为镁和不可避免的杂。


2.根据权利要求1所述的一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，其特征在于，钙：0.5%，锰：0.2%，铝：0.5%，锌：0.5%，钆或钇：0.2%。


3.根据权利要求1所述的一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，其特征在于，钙：0.8%，锰：0.1%，铝：0.1%，锌：0.5%，钆或钇：2.3%。


4.根据权利要求1所述的一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，其特征在于，钙：2.0%，锰：1.1%，铝：2.0%，锌：0.5%，钆或钇：0.5%。


5.根据权利要求1所述的一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，其特征在于，钙：1.1%，锰：3.0%，铝：0.8%，锌：2.0%，钆或钇：3.0%。


6.根据权利要求1所述的一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，其特征在于，钙：0.8%，锰：1.2%，铝：0.5%，锌：0.5%，钆或钇：1.5%。


7.根据权利要求1所述的一种含钆钇稀土元素的高强度Mg-Ca-Mn-Al-Zn系变形镁合金，其特征在于，钙：1.8%，锰：0.5%，铝：0.3%，锌：0.3%，钆或钇：2.3%。


8.根据权利要求1-7中...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘虎成，谢东升，任玉平，谢红波，秦高梧，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21