一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法，所述镁合金的组分及其质量百分比为：9.4～10.8％Gd，0.1～0.4％Zn，0.1～0.4％La，0.3～0.7％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.2wt.％，余量为Mg；所述制备方法包括烘料、熔镁、添加合金元素、精炼、铸造成型、热处理等工序。本发明专利技术通过La元素微合金化及后续热处理工艺优化，显著提高了铸造镁稀土合金的强度与塑性，得到了更高强度与更优塑性的高强韧铸造镁稀土合金；该合金的设计开发将有力推动铸造镁稀土合金在高端制造领域的应用。推动铸造镁稀土合金在高端制造领域的应用。推动铸造镁稀土合金在高端制造领域的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法，属于金属结构材料


技术介绍

[0002]作为最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度、比刚度高，减震性好等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通、3C领域等。Mg
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Gd系由于具有良好室温强度和铸造性能，近年来在航空航天领域获得了一定的应用，如国家标准《铸造镁合金锭》(GB/T19078
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2016)中的VW103Z和VQ132Z铸造镁稀土合金。尽管Mg
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Gd系铸造镁合金强度高，但室温塑性较低，难以满足航空航天领域对强塑性要求较高的场景：如VW103Z铸造镁稀土合金标准的抗拉强度为300MPa、屈服强度为200MPa，伸长率仅为2.0％；VQ132Z铸造镁稀土合金标准的抗拉强度350MPa、屈服强度为240MPa，伸长率仅为1.0％。如何设计开发更高强度更好塑性的高强韧铸造镁稀土合金已成为一个行业性难题。近期，《砂型铸造镁稀土合金及其制备方法》(专利号：CN201710204140.4)公开了一种砂型铸造镁稀土合金(Mg
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Gd
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Zn
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Zr)及其制备方法，显著提高了合金的室温塑性，但合金室温强度提高有限。因此，基于Mg
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Gd系合金如何设计开发更高强度更好塑性的高强韧铸造镁稀土合金目前仍然没有很好的解决方案。高强韧铸造镁合金的缺失已经严重的限制了铸造镁合金在高端制造领域的应用。
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技术实现思路

[0003]针对上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法；本专利技术通过微合金化方法，在Mg
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Gd系合金的基础上，开发了一种高强韧铸造镁稀土合金，显著的提高了铸造镁稀土合金的强塑性，更有利于铸造镁稀土合金在高端制造领域的应用。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种高强韧铸造镁稀土合金，其由按重量百分数计的如下组分组成：
[0006]Gd：9.4～10.8％，
[0007]Zn：0.1～0.4％，
[0008]La：0.1～0.4％，
[0009]Zr：0.3～0.7％，
[0010]余量为镁和不可避免的杂质，所述杂质的重量百分数总和不超过0.2％。
[0011]本专利技术采用Gd(钆)为第一组分：现有研究表明，稀土元素Gd是镁合金中最有效的强化元素，目前所有室温抗拉强度达到或者超过350MPa的高强度铸造镁合金均为Mg
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Gd系合金。本研究表明，当Gd含量>10.8wt.％时，合金屈服强度继续增加，但室温塑性显著下降；当Gd含量<9.4wt.％时，合金室温塑性很好，但屈服强度较低、抗拉强度较低，铸件强度难以保障。本专利中，Gd元素的成分范围为：9.4～10.8wt.％。
[0012]本专利技术采用Zn(锌)为第二组分：现有研究表明，微量Zn元素加入Mg
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Gd合金体系时，Zn以固溶原子形式存在于镁基体和析出相中，可以促使镁合金室温塑性变形时非基面滑移系开动，显著提高合金的室温塑性；当Zn含量>0.4wt.％时，固溶处理过程中，Zn元素与Zr元素反应，形成较多的针状Zn2Zr3相，该相虽然有一定的强化效果，但对合金塑性负面影响比较明显。本专利中，Zn的成分范围为：0.1～0.40wt.％。
[0013]本专利技术采用La(镧)为第三组元：现有研究表明，La在镁合金中几乎没有固溶度，且La与Mg在610℃即形成Mg
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La共晶相；本研究表明，Mg
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La相在合金480
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520℃高温固溶处理时能够很好的钉扎晶界，有效抑制镁合金晶粒的粗化，同时固溶到镁基体中的微量La元素在后续时效热处理中能够提高Mg
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Gd析出相的数密度，增加的时效析出相的强化效果。当La含量>0.4wt.％时，合金中Mg
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La相颗粒粗化，合金塑性显著下降。本专利中，La的成分范围为：0.10～0.40％wt.％。此外，La在低温固溶处理时也能发挥阻碍晶粒粗化的作用，但低温固溶时，无法将铸造过程中形成MgGd共晶相完全固溶进入镁合金基体中，会减弱后续时效时的析出相强化效果。另外一方面，如果固溶处理温度高于520℃时，如550℃，合金的晶粒尺寸会明显长大，晶粒长大会显著降低合金的强度与塑性。
[0014]本专利技术采用Zr(锆)为第四组分，与常规含Zr镁合金类似，Zr在Mg
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Gd
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Zn
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La合金中的作用主要为晶粒细化，Zr元素的含量为0.3～0.7wt.％。
[0015]作为优选方案，所述杂质元素包含硅、铁、铜、镍中的至少一种，且硅元素的含量不超过0.01％、铁元素的含量不超过0.01％、铜元素的含量不超过0.03％、镍元素的含量不超过0.005％。
[0016]第二方面，本专利技术还提供了一种如前述的高强韧铸造镁稀土合金的制备方法，其包括如下步骤：
[0017]烘料：将纯镁、纯锌、Mg
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Gd、Mg
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La、Mg
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Zr中间合金分别进行预热；
[0018]熔镁：将烘干后的纯镁在保护气氛环境中熔化；
[0019]添加合金元素：当镁液温度达到700～720℃时，向镁液中直接加入纯锌、Mg
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Gd和Mg
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La中间合金；待上述中间合金全部熔化后，熔体温度升至760～780℃时加入Mg
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Zr中间合金，待Mg
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Zr中间合金熔化后撇去表面浮渣；
[0020]精炼：加入Zr元素后，熔体温度降温至750～760℃时，不断电精炼，精炼后升温到780～790℃静置；
[0021]铸造成型：静置后镁液冷却至690～740℃后撇去表面浮渣进行金属型重力浇铸，得到Mg
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Gd
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Zn
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La
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Zr镁稀土合金片锭；
[0022]热处理：将镁稀土合金片锭进行高温固溶处理，然后水中淬火，最后进行单级时效处理，得到高强韧铸造镁稀土合金。
[0023]作为本专利技术的一个实施方案，所述高温固溶处理是指在480～520℃下固溶处理4～16小时。
[0024]作为本专利技术的一个实施方案，所述水中淬火工艺中淬火介质为水且水温为25～80℃。
[0025]作为本专利技术的一个实施方案，所述单级时效处理是指在200～225℃下时效处理8～64小时。
[0026]作为本专利技术的一个实施方案，所述水中淬火工艺中铸锭的转移时间<20秒。
[0027]作为本专利技术的一个实施方案，所述保本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强韧铸造镁稀土合金，其特征在于，由按重量百分数计的如下组分组成：Gd：9.4～10.8％，Zn：0.1～0.4％，La：0.1～0.4％，Zr：0.3～0.7％，余量为镁和不可避免的杂质，所述杂质的重量百分数总和不超过0.2％。2.如权利要求1所述的高强韧铸造镁稀土合金，其特征在于，所述杂质元素包含硅、铁、铜、镍中的至少一种，且硅元素的含量不超过0.01％、铁元素的含量不超过0.01％、铜元素的含量不超过0.03％、镍元素的含量不超过0.005％。3.一种如权利要求1所述的高强韧铸造镁稀土合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：烘料：将纯镁、纯锌、Mg
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Gd、Mg
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La、Mg
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Zr中间合金分别进行预热；熔镁：将烘干后的纯镁在保护气氛环境中熔化；添加合金元素：当镁液温度达到700～720℃时，向镁液中直接加入纯锌、Mg
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Gd和Mg
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La中间合金；待上述中间合金全部熔化后，熔体温度升至760～780℃时加入Mg
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Zr中间合金，待Mg
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Zr中间合金熔化后撇去表面浮渣；精炼：加入Zr元素后，熔体温度降温至750～760℃时，不断电精炼，精炼后升温到780～790℃静置；铸造成型：静置后...

【专利技术属性】
技术研发人员：付彭怀，林金铭，王迎新，彭立明，丁文江，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：