專利名稱：高強(qiáng)度耐熱鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料技術(shù)領(lǐng)域的合金及其制備方法，具體的說，涉及的是一種高強(qiáng)度耐熱鎂合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
強(qiáng)度不足和耐熱性不佳嚴(yán)重阻礙了鎂合金在航空航天、軍工及其它行業(yè)中替代鋁合金等材料的步伐。稀土元素，尤其是Y、Nd等，在提高鎂合金強(qiáng)度、耐熱性等方面作用顯著。Sm與Nd同屬于Ce組稀土元素。Sm原子序數(shù)62，在鎂中的最大固溶度為5.8mass％(0.99at％)，與鎂生成的平衡相為Mg41Sm5，共晶溫度為815K。Sm在鎂中的最大固溶度比Nd在鎂中的最大固溶度3.6mass％(0.63at％)大，因此，可能產(chǎn)生比Nd更良好的固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化作用。而Y組重稀土元素從Gd到Lu由于在Mg中的固溶度很大，需要10wt％以上的的含量才能夠達(dá)到同樣的強(qiáng)化效果?？梢?，將WE系列鎂合金中的Nd元素用Sm代替，由于Sm高的固溶度，可能會(huì)得到更佳的固溶強(qiáng)化以及時(shí)效析出強(qiáng)化效果，得到更佳的綜合機(jī)械性能。同時(shí)可以限制合金的重量與成本在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)。Y與Sm同屬于稀土元素，在Mg固溶體中時(shí)效析出納米級(jí)的析出相，這類析出相熱穩(wěn)定性強(qiáng)，不僅可以顯著提高合金室溫的強(qiáng)度，而且對(duì)保持合金的高溫強(qiáng)度起到重要作用。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，L.L.Rokhlin等在《Magnesium AlloysContaining Rare Earth Metals》(《稀土鎂合金》)(Taylor and Francis Group，2003)一書中指出，根據(jù)稀土元素核外電子排布的不同，稀土元素可以分為兩組Ce組和Y組。Ce組稀土元素包括La、Ce、Pr、Nd、Sm。Ce組稀土元素在鎂基體中固溶度較??；Y組稀土元素包括Y、Gd、Tb、Dy、Er、Ho、Tm、Lu。Y組稀土元素在鎂基體中固溶度很大，強(qiáng)化效果非常明顯。屬于不同組的兩種或多種稀土元素混合加入鎂基體，合金的析出動(dòng)力學(xué)及析出相序列變得更為復(fù)雜，而且可以進(jìn)一步提高鎂合金強(qiáng)度。兩種不同組稀土元素混合加入鎂合金，其復(fù)合強(qiáng)化效果比單獨(dú)加入相同數(shù)量的單種稀土元素更明顯。該書中同時(shí)表明，傳統(tǒng)的鑄造WE54合金經(jīng)T6處理后，室溫抗拉強(qiáng)度為255MPa，屈服強(qiáng)度為179MPa，延伸率為2.0％。其不足在于較低的室溫性能限制了WE54合金的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高強(qiáng)度耐熱鎂合金及其制備方法，通過添加合金元素Sm代替WE系列合金中的Nd，并通過適當(dāng)?shù)娜蹮捈盁崽幚砉に嚄l件，獲得高強(qiáng)度耐熱鎂合金，使得此類鎂合金具有比傳統(tǒng)WE系列商業(yè)鎂合金優(yōu)越的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度等力學(xué)性能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明所述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金，其組分及重量百分比為3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
本發(fā)明采用Y為第一組分，因?yàn)閅在200℃在Mg固溶體中的固溶度為2.2wt％，為保證合金得到良好的時(shí)效析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化效果，Y的加入量不低于3wt％，而Y在Mg固溶體中的最大固溶度為12.4wt％，又為了避免合金成分和密度增加太多，以及合金過分脆化，Y的加入量不高于12wt％。采用Sm為第二組分，Sm可以降低Y在Mg中的固溶度，從而增加Y的時(shí)效析出強(qiáng)化效應(yīng)，另外Sm的加入也可以提前時(shí)效硬度峰值的出現(xiàn)。Sm在Mg中的最大固溶度為5.8wt％，因此Sm的加入量應(yīng)不高于6wt％，又為了充分發(fā)揮Sm的固溶強(qiáng)化及時(shí)效析出強(qiáng)化作用，Sm的加入量應(yīng)不低于2wt％。采用Zr作為晶粒細(xì)化劑，以提高合金的韌性和改善合金的工藝性能。
本發(fā)明還提供上述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金的制備方法，具體為將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱到180-220℃，然后將純鎂放入有氣體保護(hù)的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在720-740℃加入Mg-Y、Mg-Sm中間合金，升溫到750-770℃加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣、攪拌、精煉，精煉后靜置，待鎂液降溫至720-740℃后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用剛制模具預(yù)先加熱至180-220℃，得到本發(fā)明Mg-Y-Sm-Zr高強(qiáng)度耐熱鎂合金。
本發(fā)明還可以通過以下的熱處理工藝進(jìn)一步提高合金的力學(xué)性能。熱處理工藝包括固溶處理和時(shí)效處理，具體為將得到的Mg-Y-Sm-Zr合金在經(jīng)500-550℃、6-12小時(shí)的固溶處理后，在175-250℃的溫度下進(jìn)行6-50小時(shí)時(shí)效處理。
本發(fā)明的Mg-Y-Sm-Zr鎂合金的室溫強(qiáng)度及高溫瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度相對(duì)于WE系列合金得到顯著提高。以Mg-4Y-3.5Sm-0.5Zr為例，經(jīng)過熱處理后室溫抗拉強(qiáng)度為350MPa，延伸率為7.0％，200℃抗拉強(qiáng)度為318MPa，250℃抗拉強(qiáng)度為274MPa；而相同條件下WE54合金的室溫抗拉強(qiáng)度為280MPa，延伸率為4.0％，200℃抗拉強(qiáng)度為241MPa，250℃抗拉強(qiáng)度為230MPa。Mg-Y-Sm-Zr合金的機(jī)械性能明顯高于WE54合金。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容提供以下實(shí)施例實(shí)施例1合金的成分(重量百分比)為3.0％Y，4.0％Sm，0.5％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱到200℃，然后將純鎂放入有CO2/SF6氣體保護(hù)的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在730℃加入Mg-Y中間合金，Mg-Y熔化后鎂液溫度回升至730℃時(shí)再加入Mg-Sm中間合金，升溫到760℃保溫30分鐘，然后加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣，攪拌3分鐘，再將鎂液溫度升至760℃保溫20分鐘后760℃精煉6分鐘，精煉后升溫到770℃以上，靜置30分鐘，待鎂液降溫至730℃后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用剛制模具預(yù)先加熱至200℃，得到Mg-3Y-4Sm-0.5Zr合金。合金的熱處理工藝為500℃固溶處理6小時(shí)，175℃等溫時(shí)效6小時(shí)。
本實(shí)施例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為337MPa，屈服強(qiáng)度為215MPa，延伸率為10.0％，200℃的抗拉強(qiáng)度為313MPa，250℃的抗拉強(qiáng)度為271MPa。
實(shí)施例2合金的成分(重量百分比)為6.0％Y，6.0％Sm，0.8％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱到200℃，然后將純鎂放入有CO2/SF6氣體保護(hù)的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在730℃加入Mg-Y中間合金，Mg-Y熔化后鎂液溫度回升至730℃時(shí)再加入Mg-Sm中間合金，升溫到760℃保溫30分鐘，然后加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣，攪拌3分鐘，再將鎂液溫度升至760℃保溫20分鐘后760℃精煉6分鐘，精煉后升溫到770℃以上，靜置30分鐘，待鎂液降溫至730℃后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用剛制模具預(yù)先加熱至200℃，得到Mg-6Y-6Sm-0.8Zr合金。合金的熱處理工藝為525℃固溶處理8小時(shí)，200℃等溫時(shí)效16小時(shí)。
本實(shí)施例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為316MPa，屈服強(qiáng)度為230MPa，延伸率為1.9％，200℃的抗拉強(qiáng)度為308MPa，250℃的抗拉強(qiáng)度為282MPa。
實(shí)施例3合金的成分(重量百分比)為12.0％Y，2.0％Sm，0.35％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱到200℃，然后將純鎂放入有CO2/SF6氣體保護(hù)的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在730℃加入Mg-Y中間合金，Mg-Y熔化后鎂液溫度回升至730℃時(shí)再加入Mg-Sm中間合金，升溫到760℃保溫30分鐘，然后加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣，攪拌3分鐘，再將鎂液溫度升至760℃保溫20分鐘后760℃精煉6分鐘，精煉后升溫到770℃以上，靜置30分鐘，待鎂液降溫至730℃后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用剛制模具預(yù)先加熱至200℃，得到Mg-12Y-2Sm-0.35Zr合金。合金的熱處理工藝為550℃固溶處理12小時(shí)，250℃等溫時(shí)效48小時(shí)。
本實(shí)施例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為365MPa，屈服強(qiáng)度為245MPa，延伸率為3.0％，200℃的抗拉強(qiáng)度為331MPa，250℃的抗拉強(qiáng)度為312MPa。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度耐熱鎂合金，其特征在于組分及重量百分比為3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
2.一種高強(qiáng)度耐熱鎂合金的制備方法，其特征在于所述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金組分及重量百分比為3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg，制備方法為先將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱，然后將純鎂放入有氣體保護(hù)的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后加入Mg-Y、Mg-Sm中間合金，升溫加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣、攪拌、精煉，精煉后靜置，待鎂液降溫后進(jìn)行澆鑄，得到Mg-Y-Sm-Zr合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的高強(qiáng)度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預(yù)熱溫度為180-220℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的高強(qiáng)度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是待鎂錠熔化后在720-740℃加入Mg-Y、Mg-Sm中間合金，升溫到750-770℃加入Mg-Zr中間合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的高強(qiáng)度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是待鎂液降溫至720-740℃后進(jìn)行澆鑄。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的高強(qiáng)度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是澆鑄用剛制模具預(yù)先加熱至180-220℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的高強(qiáng)度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是將Mg-Y-Sm-Zr合金進(jìn)行500-550℃、6-12小時(shí)的固溶處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的高強(qiáng)度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是將經(jīng)固溶處理后的Mg-Y-Sm-Zr合金在175-250℃的溫度下進(jìn)行6-50小時(shí)的時(shí)效處理。
全文摘要
一種金屬材料技術(shù)領(lǐng)域的高強(qiáng)度耐熱鎂合金及其制備方法，鎂合金的組分及其重量百分比為3－12％Y、2－6％Sm、0.35－0.8％Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg，熔煉時(shí)分別以Mg－Y、Mg－Sm、Mg－Zr中間合金的形式向鎂熔體中添加Y、Sm、Zr，熔煉后得到的鎂合金在經(jīng)500－550℃、6－12小時(shí)的固溶處理后，在175－250℃的溫度下進(jìn)行6－50小時(shí)時(shí)效處理提高其強(qiáng)度。本發(fā)明通過添加合金元素Sm代替WE系列合金中的Nd，并通過熔煉及熱處理工藝條件，獲得高強(qiáng)度耐熱鎂合金，此類鎂合金具有比傳統(tǒng)WE系列商業(yè)鎂合金優(yōu)越的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度等力學(xué)性能。
文檔編號(hào)C22C1/03GK1814837SQ20061002408
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者李大全, 王渠東, 丁文江 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)