專利名稱：一種低稀土高強(qiáng)度鎂鋰合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料及冶金技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種合金，尤其涉及一種低稀土的鎂
鋰合金。
背景技術(shù)：
鎂合金具有低比重、高比強(qiáng)度和比剛度，鎂鋰合金是近幾年發(fā)展的具有較好塑性 變形能力的新型超輕合金，但由于在劇烈變形過程中連續(xù)的bcc結(jié)構(gòu)的富鋰13相變形硬 化強(qiáng)化效果非常有限，富鋰13相強(qiáng)度極低。因此，在室溫條件下的強(qiáng)度極低，通常鎂鋰合 金的抗拉強(qiáng)度低于100MPa，這大大限制了此類合金的廣泛應(yīng)用。如何保證在基體晶體結(jié) 構(gòu)轉(zhuǎn)變成富鋰P相與富鎂a相混合組織以后，合金既具有良好塑性又具有較高強(qiáng)度，是 該研究領(lǐng)域主要的技術(shù)問題。 一些科研人員常采用合金化方法，試圖通過加入合金元素 以提高鎂鋰合金的強(qiáng)度指標(biāo)，張密林等公開的專利《一種高強(qiáng)度的鎂鋰合金》(申請?zhí)?200710144339. 9，公開號(hào)CN101121981，
公開日:2008. 02. 13)中采用Al、 Zn、 Ce作為強(qiáng)化 元素，制備的合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到245 300MPa，屈服強(qiáng)度為230 280MPa，延伸率為10 25%，密度為1. 35 1. 62g/cm3 ;周鐵濤等人公開的專利《一種含鋰鎂合金材料及其制備方 法》(申請?zhí)?00410096186. l，公開號(hào)CN1605650，
公開日2005.04. 13)中采用Al、Zn、Zr、 RE等作為強(qiáng)化元素，制備的合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到180 280MPa，密度為1. 31 1. 60g/cm3。 這些對(duì)比文件中所涉及的合金均具有較高的強(qiáng)度和較低的密度。盡管Al是強(qiáng)化效果較好 的元素，但是A1量的增加隨獲得M^A1^相數(shù)量的增加會(huì)大幅度降低合金的塑性，盡管隨著 Al量的增加可以產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化特性，但更容易產(chǎn)生過時(shí)效現(xiàn)象，并且隨著Al量的增加，過 時(shí)效出現(xiàn)時(shí)間提前，由過時(shí)效產(chǎn)生的性能下降相對(duì)增加。盡管眾多研究者采用稀土細(xì)化鎂 合金的晶粒，提高合金的綜合力學(xué)性能獲得了極優(yōu)異的效果。但是，稀土元素是目前比較昂 貴的稀有金屬，因此稀土元素的增加必然增加合金的生產(chǎn)成本，不利于鎂鋰合金的推廣應(yīng) 用。另外，由于Li是非?；顫姷慕饘?，鎂中加入鋰元素后，合金的抗腐蝕能力大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的鎂鋰合金材料強(qiáng)度差問題，本發(fā)明的目的在于提供一種低稀土高 強(qiáng)度的鎂鋰合金，密度低于1. 6g/cm 該鎂合金不僅具有高強(qiáng)度，還具有高塑性變形能力的 鎂鋰合金。 本發(fā)明的另一 目的在于提供上述鎂合金材料的制備方法。 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種低稀土高強(qiáng)度鎂鋰合金，按重量百分比其組成 為5. 5% 11X的Li，lX 5%的Zn，l% 5%的Ca，0% 2%的RE，其余為Mg，控制雜 質(zhì)元素Fe < 0. 005%， Cu < 0. 002%， Ni < 0. 002%。 本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，上述鎂合金的制備方法，分別取鎂鋰中間合金、 鎂鈣中間合金、鎂稀土中間合金、工業(yè)純鎂錠以及工業(yè)純鋅在真空電阻爐中進(jìn)行熔鑄合金， 熔鑄過程為首先將各金屬錠表面去污后置于坩堝中，將工業(yè)純鋅置于工業(yè)純鎂錠中的鉆
3孔內(nèi)，然后將真空電阻爐抽真空后充入氬氣，反復(fù)3次，最后再充入氬氣至latm，加熱熔煉 過程在氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行待所有金屬熔化后采用氬氣氣體攪拌該合金液5-15分鐘，當(dāng) 合金液溫度為720°C 74(TC時(shí)將熔體澆入水冷銅鑄型中，得到鑄態(tài)鎂合金錠，使鑄態(tài)鎂合 金錠的重量百分比為Li為5. 5% 11%， Zn為1% 5%， Ca為1% 5%， RE為0% 2X，其余為Mg; 將得到的鑄態(tài)鎂合金錠在0)2+0. 5% SF6或氬氣氣體保護(hù)條件下，在30(TC 355t: 條件下進(jìn)行熱處理，然后將該鎂合金錠在15(TC 30(TC條件下進(jìn)行擠壓或軋制加工，得到 變形加工后的鎂合金。 本發(fā)明在加入密度僅為O. 54g/ci^的Li元素獲得連續(xù)bcc結(jié)構(gòu)的富鋰P相與hcp 結(jié)構(gòu)的富鎂a相以提高鎂合金的塑性變形能力的基礎(chǔ)上，加入Zn、Ca和微量的稀土元素， 在富鋰13相中獲得強(qiáng)化相粒子，以此來解決該鎂合金在后續(xù)的變形加工過程中富鋰13相 變形硬化強(qiáng)化效果非常有限的問題，達(dá)到固溶及沉淀強(qiáng)化富鋰P相的目的，同時(shí)Ca和微量 稀土元素的加入可以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。盡管這樣會(huì)犧牲該合金的部分塑性，但可以獲 得高強(qiáng)度的鎂鋰合金。另外，Ca是鎂合金中常用的合金元素，常用作阻燃鎂合金的添加元 素。由于Li元素是非?；顫姷脑兀瑯O易和氧元素發(fā)生反應(yīng)，因此在鎂鋰合金中引入Ca元 素，不僅可以獲得強(qiáng)化相粒子提高合金的強(qiáng)度，同時(shí)可以提高合金熔煉過程中的阻燃性，并 可以提高該鎂鋰合金抗氧腐蝕能力。微量稀土元素的加入可以細(xì)化該合金的晶粒，達(dá)到提 高強(qiáng)度的目的，同時(shí)，可以降低合金的成本。 本發(fā)明的低稀土高強(qiáng)韌鎂鋰合金，室溫條件下，抗拉強(qiáng)度200 260MPa，屈服強(qiáng) 度:190 230MPa，伸長率^ 20%，密度《1. 6g/cm3 ;120。C條件下，抗拉強(qiáng)度^ 150MPa，屈 服強(qiáng)度^ 130MPa，伸長率^ 25%。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。 本發(fā)明的鎂鋰合金材料，按重量百分比其組成為5. 5% 11%的1^，1% 5%的 Zn， lX 5X的Ca，0X 2X的RE，其余為Mg，控制雜質(zhì)元素Fe < 0. 005%，Cu< 0. 002%， Ni < 0. 002%。 采用抽真空后氬氣保護(hù)的方法熔鑄合金，各組分分別為鎂鋰中間合金、鎂鈣中間 合金、鎂稀土中間合金、工業(yè)純鎂錠以及工業(yè)純鋅，其中工業(yè)純鎂錠和工業(yè)純鋅的純度均 >99.8%。熔鑄合金在真空電阻爐中進(jìn)行。熔鑄過程為首先將各金屬錠表面去污后置于 坩堝中，依次為工業(yè)純鎂錠、鎂鋰中間合金、鎂鈣中間合金、鎂稀土中間合金，工業(yè)純鋅置于 在工業(yè)純鎂錠中的鉆孔內(nèi)，然后將真空電阻爐抽真空后充入氬氣，反復(fù)3次，最后再充入氬 氣至latm，加熱熔煉過程在氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行待所有金屬熔化后采用氬氣氣體攪拌該合 金液5-15分鐘，當(dāng)合金液溫度為720 74(TC時(shí)將熔體澆入水冷銅鑄型中，得到鑄態(tài)鎂合 金錠，使鑄態(tài)鎂合金錠的重量百分比為Li為5. 5% 11%， Zn為1% 5%， Ca為1% 5%， RE為0% 2%，其余為Mg ; 將得到的鑄態(tài)鎂合金錠在(C02+0. 5% SF6)或氬氣氣體保護(hù)條件下，在300°C 355t:條件下進(jìn)行熱處理，然后將該鎂合金錠在150°C 30(TC條件下進(jìn)行擠壓或軋制加 工，得到變形加工后的鎂合金。
實(shí)施例1 : 本發(fā)明的高強(qiáng)超韌低密度超輕鎂合金，按重量百分比其組成為Li :7%， Zn :4%， Ca :2X，控制雜質(zhì)元素Fe < 0. 005%，Cu < 0. 002%，Ni < 0. 002%，其余為Mg。熔鑄合金 在真空電阻爐中進(jìn)行。首先各金屬錠表面去污后置于坩堝中，然后將真空電阻爐抽真空后 充入氬氣，反復(fù)3次，最后再充入氬氣至latm，加熱熔煉過程在氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行。金屬 熔體采用純鈦管引入氬氣氣體攪拌10分鐘，72(TC時(shí)將熔體澆入水冷銅鑄型中，得到鑄態(tài) 鎂合金錠。所得到的鑄態(tài)鎂合金錠在氬氣保護(hù)條件下，在30(TC條件下進(jìn)行熱處理，然后將 該鎂合金錠在26(TC條件下進(jìn)行擠壓加工成型材。拉伸性能試驗(yàn)在分別在室溫電子萬能試 驗(yàn)機(jī)和控溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 所得的鎂合金在室溫條件下，抗拉強(qiáng)度223MPa，屈服強(qiáng)度193MPa，伸長率 24%，密度:1. 54g/cm3 ; 12(TC條件下，抗拉強(qiáng)度177MPa，屈服強(qiáng)度151MPa，伸長率41%。
實(shí)施例2: 本發(fā)明的高強(qiáng)超韌低密度超輕鎂合金，按重量百分比其組成為Li :8.2%， Zn :
5%， Ca :3%， Nd :1%，控制雜質(zhì)元素Fe < 0. 005%， Cu < 0. 002%， Ni < 0. 002%，其余為
Mg。熔鑄獲得鑄態(tài)鎂合金錠條件同實(shí)施例1。所得到的鑄態(tài)鎂合金錠在氬氣保護(hù)條件下，在
31(TC條件下進(jìn)行熱處理，然后將該鎂合金錠在255t:條件下進(jìn)行擠壓加工成2mm的板材。
拉伸性能試驗(yàn)在分別在室溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)和控溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 所得的鎂合金在室溫條件下，抗拉強(qiáng)度247MPa，屈服強(qiáng)度221MPa，伸長率
23%，密度1. 52g/cm3 ; 12(TC條件下，抗拉強(qiáng)度198MPa，屈服強(qiáng)度161MPa，伸長率33%。 實(shí)施例3 : 本發(fā)明的高強(qiáng)超韌低密度超輕鎂合金，按重量百分比其組成為Li :6.8%， Zn :
2%，Ca :4. 5%，Y :1%，控制雜質(zhì)元素Fe < 0. 005%，Cu < 0. 002%，Ni < 0. 002%，其余為
Mg。熔鑄獲得鑄態(tài)鎂合金錠條件同實(shí)施例1。所得到的鑄態(tài)鎂合金錠在氬氣保護(hù)條件下，在
30(TC條件下進(jìn)行熱處理，然后將該鎂合金錠在265t:條件下進(jìn)行擠壓加工成lmm的板材。
拉伸性能試驗(yàn)在分別在室溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)和控溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 所得的鎂合金在室溫條件下，抗拉強(qiáng)度252MPa，屈服強(qiáng)度219MPa，伸長率
23%，密度:1. 53g/cm3 ; 12(TC條件下，抗拉強(qiáng)度189MPa，屈服強(qiáng)度159MPa，伸長率34%。 實(shí)施例4 : 本發(fā)明的高強(qiáng)超韌低密度超輕鎂合金，按重量百分比其組成為Li :5.5%， Zn: 1%， Ca :5%， Nd :2X，控制雜質(zhì)元素Fe < 0. 005%， Cu < 0. 002%， Ni < 0. 002%，其余為
Mg。熔鑄合金在真空電阻爐中進(jìn)行。首先各金屬錠表面去污后置于坩堝中，然后將真空電 阻爐抽真空后充入氬氣，反復(fù)3次，最后再充入氬氣至latm，加熱熔煉過程在氬氣保護(hù)條件 下進(jìn)行。金屬熔體采用純鈦管引入氬氣氣體攪拌5分鐘，73(TC時(shí)將熔體澆入水冷銅鑄型 中，得到鑄態(tài)鎂合金錠。所得到的鑄態(tài)鎂合金錠在氬氣保護(hù)條件下，在355t:條件下進(jìn)行熱 處理，然后將該鎂合金錠在30(TC條件下進(jìn)行擠壓加工成型材。拉伸性能試驗(yàn)在分別在室溫 電子萬能試驗(yàn)機(jī)和控溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 所得的鎂合金在室溫條件下，抗拉強(qiáng)度254MPa，屈服強(qiáng)度221MPa，伸長率 21%，密度1. 57g/cm3 ;12(TC條件下，抗拉強(qiáng)度193MPa，屈服強(qiáng)度151MPa，伸長率29%。
實(shí)施例5 :
本發(fā)明的高強(qiáng)超韌低密度超輕鎂合金，按重量百分比其組成為Li :11%， Zn : 5%，Ca :1%，控制雜質(zhì)元素Fe < 0. 005%，Cu < 0. 002%，Ni < 0. 002%，其余為Mg。熔鑄
合金在真空電阻爐中進(jìn)行。首先各金屬錠表面去污后置于坩堝中，然后將真空電阻爐抽真 空后充入氬氣，反復(fù)3次，最后再充入氬氣至latm，加熱熔煉過程在氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行。 金屬熔體采用純鈦管引入氬氣氣體攪拌15分鐘，74(TC時(shí)將熔體澆入水冷銅鑄型中，得到 鑄態(tài)鎂合金錠。所得到的鑄態(tài)鎂合金錠在氬氣保護(hù)條件下，在32(TC條件下進(jìn)行熱處理，然 后將該鎂合金錠在15(TC條件下進(jìn)行擠壓加工成型材。拉伸性能試驗(yàn)在分別在室溫電子萬 能試驗(yàn)機(jī)和控溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 所得的鎂合金在室溫條件下，抗拉強(qiáng)度214MPa，屈服強(qiáng)度187MPa，伸長率 39%，密度1.44g/cm3 ; 12(TC條件下，抗拉強(qiáng)度171MPa，屈服強(qiáng)度153MPa，伸長率47%。
權(quán)利要求
一種低稀土高強(qiáng)度鎂鋰合金，其特征在于按重量百分比其組成為5.5％～11％的Li，1％～5％的Zn，1％～5％的Ca，0％～2％的RE，其余為Mg，控制雜質(zhì)元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％。
2. 按照權(quán)利要求1所述鎂鋰合金的制備方法，其特征在于，分別取鎂鋰中間合金、鎂鈣 中間合金、鎂稀土中間合金、工業(yè)純鎂錠以及工業(yè)純鋅在真空電阻爐中進(jìn)行熔鑄合金，熔鑄 過程為首先將各金屬錠表面去污后置于坩堝中，將工業(yè)純鋅置于工業(yè)純鎂錠中的鉆孔內(nèi)， 然后將真空電阻爐抽真空后充入氬氣，反復(fù)3次，最后再充入氬氣至latm，加熱熔煉過程在 氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行，待所有金屬熔化后采用氬氣氣體攪拌該合金液5-15分鐘，當(dāng)合金液 溫度為720°C 74(TC時(shí)將熔體澆入水冷銅鑄型中，得到鑄態(tài)鎂合金錠，使鑄態(tài)鎂合金錠的 重量百分比為Li為5. 5X llX，Zn為lX 5X，Ca為lX 5X，RE為0X 2X，其 余為Mg ;將得到的鑄態(tài)鎂合金錠在C02+0. 5% SF6或氬氣氣體保護(hù)條件下，在300°C 355t:條 件下進(jìn)行熱處理，然后將該鎂合金錠在150°C 30(TC條件下進(jìn)行擠壓或軋制加工，得到變 形加工后的鎂合金。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種低稀土的鎂鋰合金，其重量百分比合金組成為5.5％～11％的Li，1％～5％的Zn，1％～5％的Ca，0％～2％的RE，其余為Mg。采用抽真空后氬氣保護(hù)的方法熔鑄合金，再將得到的鑄態(tài)鎂合金錠在氣體保護(hù)條件下進(jìn)行熱處理，再將該合金擠壓或軋制溫變形加工，即得到變形加工后的鎂合金。本發(fā)明提供一種低稀土含量、密度低于1.6g/cm3的鎂鋰合金，該鎂合金不僅有高強(qiáng)度，還具有高的塑性和韌性，能夠滿足室溫變形加工薄板類材料對(duì)強(qiáng)度和塑性性能指標(biāo)的要求。
文檔編號(hào)C22C23/00GK101787471SQ20101010317
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者孟令楠, 張忠明, 徐春杰 申請人:西安理工大學(xué)