專利名稱：一種高抗蠕變鎂鈧基合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種金屬材料及其制備方法，特別涉及一種抗蠕變鎂鈧基合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎂合金被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料鋁合金或鋼相比，具有比重輕、比強(qiáng)度及比剛度高、阻尼性及切削加工性好、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)以及減振性好和易于回收等優(yōu)點，在航空、航天、現(xiàn)代汽車エ業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。
但是，目前制約鎂合金應(yīng)用的ー個主要的因素之一就是鎂合金的抗蠕變性能差，不滿足長期受力結(jié)構(gòu)件的要求[Czerwinski F. Magnesium Injection Molding:Springer, 2008]。在已有的鎂合金中，WE系列合金表現(xiàn)出突出的力學(xué)性能，在鎂合金結(jié)構(gòu)件中有少量應(yīng)用，如賽車輪轂。但是，由于這類合金主要是通過熱處理析出細(xì)小的亞穩(wěn)定析出相而提高合金性能，因此亞穩(wěn)態(tài)析出相的穩(wěn)定情況直接制約了該類合金的抗蠕變性能[Mordike BL. Materials Science and Engineering A. 2OO2; 324: IO3]。但是，合金中析出的強(qiáng)化相在溫度超過200で吋，容易長大，導(dǎo)致沉淀相釘扎位錯的能力降低，從而導(dǎo)致形變。另外，在外應(yīng)カ的作用下，即使是在室溫條件下，納米級的析出相在長時間放置時，也容易發(fā)生微蠕變，導(dǎo)致材料失效。因此，有必要開發(fā)出新的合金以滿足鎂合金抗蠕變要求[陳振華·鎂合金· 2004.]。Sc作為合金化元素，在鋁中的報道比較多，但是在鎂中的報道比較少，如在2007年中國鋁業(yè)有限公司的“一種鑄造耐熱鎂合金(200710099819. 8)”和中科院長春應(yīng)化所申請的“一種鎂-鋅-鈧合金及其制備方法(200710056399. 5)”專利中，Sc主要是通過固溶作用提高合金的強(qiáng)度。在這幾個專利中，合金的抗拉強(qiáng)度明顯提高，但是由于缺少第二相彌散，不能有效釘扎位錯，因此抗蠕變性能明顯不足。同吋，由于該類合金采用低熔點的Zn元素，導(dǎo)致鎂合金的耐熱性能下降，高溫抗蠕變效果不佳
鈧在鎂中的熱擴(kuò)散速度低，可以很好釘扎位錯[Mordike B, Stulikova I, Smola B.Metallurgical and Materials Transactions A 2005; 36:1729.]。特別是在猛存在時,容易生成高熔點的ScMn2沉淀，這種沉淀是花瓣狀的結(jié)構(gòu)，與位錯的接觸面積更大，能更好地釘扎位錯。另外，由于Mg17Sr2和Mg17Ba2相熔點高，和稀土鎂強(qiáng)化相一祥，具有很好的片狀結(jié)構(gòu)，可以代替鎂稀土強(qiáng)化相，進(jìn)ー步提高合金的抗蠕變性能，但是由于該類析出強(qiáng)化相是共晶相，一方面容易在凝固過程中在晶界附件富集長大，另一方面，這類強(qiáng)化相通常是片狀或和花瓣樣結(jié)構(gòu)，在變形過程中導(dǎo)致應(yīng)力集中，延伸率和抗蠕變性能降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、抗蠕變效果突出的高抗蠕變性能鎂鈧基合金及其制備方法。本發(fā)明主要是通過析出細(xì)小球狀析出相，有效釘扎位錯以提高合金的抗蠕變性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一、本發(fā)明的鎂鈧基合金的化學(xué)成分為Mg-xSc-yMn-z (Sr+Ba),其中x、y和z為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0.5きXき5，O. I ^ y ^ I. 5, O. 5 ^ z ^ 3, Sr和Ba為ー種或兩種，當(dāng)同時添加兩種元素時，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比相等，上述均為99. 5wt. %的純金屬。ニ、上述鎂鈧基合金的制備方法
(I)熔煉在六氟化硫和氬氣1:19混合氣體保護(hù)下對上述金屬進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為680-800°C，所有上述原料都添加完成后，攪拌30分鐘，在650-770°C澆注到鋼模中，鋼模在500-600°C下充分預(yù)熱，澆注后，在650-750°C爐中保溫30-120分鐘，然后用水冷卻至室溫。(2)固溶處理將上述熔煉的合金在氮氣保護(hù)條件下，在O. 7-0. 85Tm (Tm :熔點)下固溶處理，處理時間為6-24小時，然后在60°C的溫水中冷卻。(3)時效方法將上述固溶后的合金，在O. 1-0. 2Tm下，在30_80MPa下時效2-24小時，時效完成后，將合金冷卻至室溫。本發(fā)明與現(xiàn)有合金相比具有如下優(yōu)點
I、和傳統(tǒng)鎂稀土合金相比，降低了稀土元素和鋯的含量，熱處理溫度低，節(jié)約能源，使得合金的總體成本下降。2、和已有的鎂稀土合金不同，主要是析出穩(wěn)定的球狀高熔點化合物作為強(qiáng)化相，釘扎位錯的效果更好，可以有效消除低溫微蠕變，與傳統(tǒng)的WE43系合金相比，其蠕變性能提高5倍以上。3、和已有的高性能鎂稀土合金相比，合金的延伸率更高，適合與各種加工處理，應(yīng)用范圍更廣。


圖I是本發(fā)明實施例1、2和4獲得的鎂鈧基合金和WE43系合金蠕變樣品圖。圖2是實施例I獲得的Mg-5Sc-l. 5Mn_0. 3Sr_0. 3Ba合金的金相組織圖。圖3是本發(fā)明實施例2獲得的Mg-0. 5Sc-0. IMn-O. 5Sr合金和WE43合金在的30Mpa、300°C下的蠕變曲線圖。圖4是本發(fā)明實施例1、3、4獲得的鎂鈧基合金與WE43合金的二次蠕變率值對比圖。從圖I中可以看出與WE43和本發(fā)明實施例1、2和4獲得的鎂鈧基合金的規(guī)格一致；從圖2可以看出實施例I獲得的Mg-5Sc-l. 5Mn-0. 3Sr_0. 3Ba合金中析出相分布均勻；從圖3可以看出，和傳統(tǒng)的WE43系合金相比，本發(fā)明實施例2獲得的Mg-0. 5Sc-0. IMn-O. 5Sr合金平臺明顯變寬，說明熱穩(wěn)定性更好，抗蠕變性能更加突出；從圖4可以看出，和傳統(tǒng)的WE43系合金相比較，本發(fā)明實施例1、3、4獲得的鎂鈧基合金的抗蠕變性能提高5倍以上。
具體實施例方式 實施例I
取 Sc: 500g、Mn: 150g、Sr: 30g、Ba: 30g、Mg9290g，原料均為 99. 5% 的純金屬錠，上述原料都添加完成后，攪拌30分鐘，在六氟化硫和氬氣1:19混合氣體保護(hù)下熔煉，熔煉溫度為680V，在650V澆注到鋼模中，鋼模在500V下充分預(yù)熱，澆注后，在650V爐中保溫30分鐘，然后用水冷卻至室溫。將上述熔煉的合金在氮氣保護(hù)條件下，在O. 7 Tm下固溶處理，處理時間為6小時，然后在60°C的溫水中冷卻。將上述固溶后合金，在O. ITm下，在30MPa下時效24小時，時效完成后，將合金冷卻至室溫，制備出Mg-5Sc-l. 5Mn-0. 3Sr-0. 3Ba合金。如圖2所示，所獲得的合金中析出相均勻，在晶粒內(nèi)部和晶界附件都有分布，有利于釘扎位錯，提高合金抗蠕變性能。實施例2
取Sc: 50g、Mn: 10g、Sr: 50g、Mg9890g，原料均為99. 5%的純金屬錠，上述原料都添加完成后，攪拌30分鐘，在六氟化硫和氬氣1:19混合氣體保護(hù)下熔煉，熔煉溫度為800°C，在770°C澆注到鋼模中，鋼模在600°C下充分預(yù)熱，澆注后，在750°C爐中保溫120分鐘，然后用水冷卻至室溫。將上述熔煉的合金在氮氣保護(hù)條件下，在O. 85 Tm下固溶處理，處理時間為6小時，然后在60°C的溫水中冷卻。將上述固溶后合金，在O. 2Tm下，在80MPa下時效2小時，時效完成后，將合金冷卻至室溫，制備出Mg-5Sc-l. 5Mn-0. 3Sr_0. 3Ba合金。 如圖3所示，本實施例的Mg-0. 5Sc-0. IMn-O. 5Sr合金，在30MPa、300で下的蠕變情況，和傳統(tǒng)的抗蠕變鎂稀土合金WE43相比平臺更寬，更加穩(wěn)定。實施例3
取Sc:300g、Mn: 100g、Sr:300g、Mg 9300g，原料均為99. 5%的純金屬錠，上述原料都添加完成后，攪拌30分鐘，在六氟化硫和氬氣1:19混合氣體保護(hù)下熔煉，熔煉溫度為750°C，在720V澆注到鋼模中，鋼模在570V下充分預(yù)熱，澆注后，在700V爐中保溫60分鐘，然后用水冷卻至室溫。將上述熔煉的合金在氮氣保護(hù)條件下，在O. 8 Tm下固溶處理，處理時間為18小時，然后在60°C的溫水中冷卻。將上述固溶后合金，在O. ITm下，在35MPa下時效18小時，時效完成后，將合金冷卻至室溫，制備出Mg-3Sc-lMn-3Sr合金。如圖4所示，和WE43合金的第二階段蠕變率對比，本實施例的Mg-3Sc-lMn_3Sr合金的抗蠕變率是WE43的10倍以上。實施例4
取Sc:300g、Mn: 100g、Ba:300g、Mg 9300g，原料均為99. 5%的純金屬錠，上述原料都添加完成后，攪拌30分鐘，在六氟化硫和氬氣1:19混合氣體保護(hù)下熔煉，熔煉溫度為720V，在700°C澆注到鋼模中，鋼模在530°C下充分預(yù)熱，澆注后，在710°C爐中保溫90分鐘，然后用水冷卻至室溫。將上述熔煉的合金在氮氣保護(hù)條件下，在0. 75Tm下固溶處理，處理時間為12小時，然后在60°C的溫水中冷卻，將上述固溶后合金，在0.，I Tm下，在65MPa下時效10小時，時效完成后，將合金冷卻至室溫，制備出Mg-3Sc-lMn-3Ba合金。如圖4所示，和WE43合金的第二階段蠕變率對比，本實施例獲得的Mg-3Sc-lMn-3Ba合金的抗蠕變率是WE43的5倍以上。
權(quán)利要求
1.ー種高抗螺變鎂鈧基合金，其特征在于其化學(xué)成分為Mg-xSc-yMn-z (Sr+Ba),其中x、y和z為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，O. 5 ^ X ^ 5, O. I ^ y ^ I. 5, O. 5含z含3，Sr和Ba為ー種或兩種，當(dāng)同時添加兩種元素時，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比相等，上述元素均為99. 5wt. %的純金屬。
2.上述權(quán)利要求I所述的高抗蠕變鎂鈧基合金的制備方法，其特征在于 (O在六氟化硫和氬氣1:19混合氣體保護(hù)下對上述金屬進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為680-800°C，所有上述原料都添加完成后，攪拌30分鐘，在650-770°C澆注到鋼模中，鋼模在500-600°C下充分預(yù)熱，澆注后，在650-750°C爐中保溫30-120分鐘，然后用水冷卻至室溫； (2)將上述熔煉的合金在氮氣保護(hù)條件下，在O.7-0. 85Tm下固溶處理，處理時間為6-24小時，然后在60°C的溫水中冷卻； (3)將上述固溶后的合金，在O.1-0. 2Tm下，在30-80MPa下時效2_24小時，時效完成后，將合金冷卻至室溫。
全文摘要
一種高抗蠕變鎂鈧基合金，其化學(xué)成分為Mg-xSc-yMn-z(Sr+Ba)，其中x、y和z為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0.5≤x≤5，0.1≤y≤1.5，0.5≤z≤3，Sr和Ba為一種或兩種，當(dāng)同時添加兩種元素時，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比相等；其制備方法主要是將合金熔煉后，在0.7-0.85Tm(Tm熔點)下固溶處理，然后在0.1-0.2Tm下，在30-80MPa下時效2-24小時。本發(fā)明的高抗蠕變鎂鈧基合金和傳統(tǒng)的高稀土含量的鎂稀土合金(WE43)相比，其蠕變性能比高出5倍以上，而且制備工藝簡單，處理成本低。
文檔編號C22C1/02GK102650010SQ201210109378
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者彭秋明, 李慧, 馬寧 申請人:燕山大學(xué)