專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多元稀土鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多元稀土鎂合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎂是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車(chē)上應(yīng)用日益增多。汽車(chē)每減重lOOKg，每百公里節(jié)油0.5L，同時(shí)減少尾氣排放，因此進(jìn)行鎂合金的研究開(kāi)發(fā)對(duì)于節(jié)約能源、抑制環(huán)境污染有著重要意義。但是，鎂合金的強(qiáng)度和耐熱性不佳嚴(yán)重阻礙其在航空航天、軍工、汽車(chē)及其它行業(yè)中的應(yīng)用，因此提高鎂合金的強(qiáng)度和耐熱性是發(fā)展鎂合金材料的重要課題。現(xiàn)有的耐熱鎂合金主要從限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)化晶界入手，通過(guò)適當(dāng)?shù)暮辖鸹?，通過(guò)引入熱穩(wěn)定性高的第二相、降低元素在鎂基體中的擴(kuò)散速率或者改善晶界結(jié)構(gòu)狀態(tài)和組織形態(tài)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)提高鎂合金高溫強(qiáng)度和高溫蠕變抗力的目的。目前，在所有合金元素中，稀土(RE)是提高鎂合金耐熱性能最有效的合金元素，稀土元素在鎂合金中除了具有除氣、除雜、提高鑄造流動(dòng)性、耐蝕性能的功能以外，大部分稀土元素在鎂中具有較大的固溶度極限；并且隨溫度下降，固溶度急劇減少，可以得到較大的過(guò)飽和度，從而在隨后的時(shí)效過(guò)程中析出彌散的、高熔點(diǎn)的稀土化合物相；稀土元素還可以細(xì)化晶粒、提高室溫強(qiáng)度，而且分布在晶內(nèi)和晶界(主要是晶界)的彌散的、高熔點(diǎn)稀土化合物，在高溫時(shí)仍能釘扎晶內(nèi)位錯(cuò)和晶界滑移，從而提高了鎂合金的高溫強(qiáng)度，同時(shí)稀土(RE)元素在鎂基體中的擴(kuò)散速率較慢，這使得Mg-RE合金適于在較高溫度環(huán)境下長(zhǎng)期工作。Mg-RE (如Mg-Gd系)合金是重要的耐熱合金系，具有較高的高溫強(qiáng)度和優(yōu)良的蠕變性能。目前于200 250°C條件下長(zhǎng)期工作的鎂合金零部件均為Mg-RE系合金，由于其特殊的價(jià)電子結(jié)構(gòu)及在鎂合金中的顯著的強(qiáng)化效果，使Mg-RE系成為發(fā)展高強(qiáng)度耐熱鎂合金的一個(gè)重要合金系。目前的商業(yè) 耐熱鎂合金如WE43，其存在的主要不足是耐熱性能不夠穩(wěn)定，高溫時(shí)強(qiáng)度下降較多，還不能完全滿(mǎn)足航空航天、軍工、汽車(chē)及其它行業(yè)在較寬的溫度范圍特別是在200°C _300°C使用時(shí)對(duì)強(qiáng)度的更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多元稀土鎂合金，高溫性能穩(wěn)定，具有較高的高溫抗拉強(qiáng)度。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種多元稀土鎂合金的制備方法。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種多元稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:2% 6%Gd, 2% 3%Y, 1% 2.5%Nd, 0.5% 1.5%Sm, 0.4% 0.8%Sb,雜質(zhì)元素S1、Fe、Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。所述Gd、Y、Nd、Sm的質(zhì)量百分比之和為7% 11%。該多元稀土鎂合金是由Mg、Sb和中間合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-NcUMg-Sm為原料熔煉。一種多元稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:
I)將 Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm 預(yù)熱；2)將Mg和Sb在C02+SF6混合氣體保護(hù)下熔化，持續(xù)攪拌，于720 740°C加入中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm ；3)當(dāng)中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續(xù)攪拌，將溫度升至770 780°C后保持IOmin得混合液；4)待步驟3)所得混合液的溫度降至690 730°C后進(jìn)行澆鑄，得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理，即得所述多元稀土鎂合金。步驟I)中所述預(yù)熱溫度為150 220°C。步驟4)中澆鑄時(shí)將澆鑄模具預(yù)熱至180 250°C。步驟5)中所述熱處理·是對(duì)鑄態(tài)合金依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。所述固溶處理的處理溫度為490 540°C，處理時(shí)間為5 20小時(shí)。所述時(shí)效處理的處理溫度為180 250°C，處理時(shí)間為8 20小時(shí)。本發(fā)明合金組分為Mg-Gd-Y-Nd-Sm-Sb。本發(fā)明采用Gd為第一組分，Gd在Mg固溶體中的最大固溶度為20.3wt%，200°C在Mg固溶體中的固溶度為3.8wt%，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，Gd的加入量不低于2wt%，而又為了避免合金密度增加太多，以及合金過(guò)分脆化，因此本發(fā)明的Gd加入量不高于6wt%。本發(fā)明采用Y為第二組分，Y可以降低Gd在Mg中的固溶度，從而增加Gd的時(shí)效析出強(qiáng)化效應(yīng)，而且Y在Mg中的最大固溶度為12wt%，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2wt%，而又為了避免合金密度增加太多，以及合金過(guò)分脆化，因此本發(fā)明的Y加入量不高于3wt%0本發(fā)明采用NcUSm作為復(fù)合添加稀土，以提高合金的韌性和改善合金的工藝性能，Nd能夠使合金塑性得到較大幅度提高，同時(shí)強(qiáng)度得到一定改善；Sm在鎂中能產(chǎn)生良好的固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化效果，Sm,Y,Gd與鎂生成的室溫平衡相分別為:Mg41Sm5、Mg24Y5 ;Mg5Gd，可見(jiàn)，少量Sm在鎂合金中具有高于與其等量的Y、Gd所能達(dá)到的析出強(qiáng)化效果，同時(shí)還降低合金重量與成本，因此本發(fā)明的Sm加入量不高于1.5wt。另外，廉價(jià)的金屬Sb可與Mg形成以穩(wěn)定性好的Mg3Sb2相，(0001)Mg3Sb2與(10]:0)。錯(cuò)配度小(δ =13.09%〈15%)，可細(xì)化鎂合金晶粒。本發(fā)明的多元稀土鎂合金，組分為Mg-Gd-Y-Nd-Sm-Sb，具有較高的高溫抗拉強(qiáng)度，高溫性能穩(wěn)定；在室溫到250°C區(qū)間內(nèi)，具有反常溫度效應(yīng)，即隨著溫度的升高，抗拉強(qiáng)度也隨之升高，到達(dá)一定的溫度后，一般為300°C，抗拉強(qiáng)度才隨之下降；本發(fā)明的多元稀土鎂合金，與商用耐熱鎂合金WE54合金相比，具有更高的使用溫度和高溫抗拉伸強(qiáng)度，在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、武器裝備等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明實(shí)施例中涉及到的原料鎂(Mg)、銻(Sb)，中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd,Mg-Sm均為市售產(chǎn)品。所述原料的純度為99.9%的Mg,99.5%的Sb，Mg_30%Gd、Mg_25%Y、Mg-30%Nd、Mg-25%Sm。實(shí)施例1本實(shí)施例的多元稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:6%Gd，3%Y，l%Nd,l%Sm, 0.4%Sb，雜質(zhì)元素S1、Fe、Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。所述Gd、Y、Nd、Sm的質(zhì)量百分比之和為11%。本實(shí)施例的多元稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將 Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm 預(yù)熱到 190°C ;2)將Mg和Sb放入預(yù)熱到500°C的坩堝中，在C02+SF6-合氣體保護(hù)下，大功率快速加熱熔化，持續(xù)攪拌，于730°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd和Mg-Sm，小功率緩慢加熱熔化；3)當(dāng)中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續(xù)攪拌，將溫度升至780°C后保持IOmin得混合液；4)待步驟3)所得混合液的溫度降至710°C后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至180°C，澆鑄后得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理，熱處理為540°C固溶處理5小時(shí)，225°C等溫時(shí)效處理15小時(shí)，即得所述多元稀土鎂合金。實(shí)施例2本實(shí)施例的多元稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:4%Gd，2%Y，2.5%Nd，
1.5%Sm, 0.8%Sb,雜質(zhì)元素 S1、Fe、Cu 和 N i 總量小于 0.02%,余量為 Mg。所述 Gd、Y、Nd、Sm的質(zhì)量百分比之和為10%。本實(shí)施例的多元稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將 Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd 和 Mg-Sm 預(yù)熱到 220°C ；2)將Mg和Sb放入預(yù)熱到500°C的坩堝中，在C02+SF6-合氣體保護(hù)下，大功率快速加熱熔化，持續(xù)攪拌，于740°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd和Mg-Sm，小功率緩慢加熱熔化；3)當(dāng)中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續(xù)攪拌，將溫度升至770°C后保持IOmin得混合液；4)待步驟3)所得混合液的溫度降至730°C后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至210°C，澆鑄后得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理，熱處理為525°C固溶處理10小時(shí)，180°C等溫時(shí)效處理20小時(shí)，即得所述多元稀土鎂合金。實(shí)施例3本實(shí)施例的多元稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:2%Gd，2.5%Y，2%Nd，
0.5%Sm, 0.6%Sb,雜質(zhì)元素 S1、Fe、Cu 和 Ni 總量小于 0.02%,余量為 Mg。所述 Gd、Y、Nd、Sm的質(zhì)量百分比之和為7%。本實(shí)施例的多元稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將 Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm 預(yù)熱到 150°C ;2)將Mg和Sb放入預(yù)熱到500°C的坩堝中，在C02+SF6—合氣體保護(hù)下，大功率快速加熱熔化，持續(xù)攪拌，于720°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd和Mg-Sm，小功率緩慢加熱熔化；3)當(dāng)中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續(xù)攪拌，將溫度升至775°C后保持IOmin得混合液；4)待步驟3)所得混合液的溫度降至690°C后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至250°C，澆鑄后得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理，熱處理為490°C固溶處理20小時(shí)，250°C等溫時(shí)效處理8小時(shí)，即得所述多元稀土鎂合金。實(shí)驗(yàn)例本實(shí)驗(yàn)例對(duì)實(shí)施例1 3所得多元稀土鎂合金進(jìn)行拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法為:將所得多兀稀土鎂合金的試樣，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6397-86《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)試樣》加工成5倍標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在高溫下的拉伸試樣需要在試樣兩端加工螺紋以滿(mǎn)足高溫拉伸試樣的夾持裝置的要求。電子拉伸在日本島津AG-1250kN精密萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度為lmm/min ;高溫拉伸時(shí)，在相應(yīng)溫度下對(duì)拉伸試樣保溫15min，溫度波動(dòng)土1°C，然后進(jìn)行拉伸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表I所示:表I實(shí)施例1 3所得多元稀土鎂合金的拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種多元稀土鎂合金，其特征在于:由以下質(zhì)量百分比的組分組成:2% 6%Gd，2% 3%Y, 1% 2.5%Nd, 0.5% 1.5%Sm, 0.4% 0.8%Sb,雜質(zhì)元素 S1、Fe、Cu 和 Ni 總量小于0.02%，余量為Mg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元稀土鎂合金，其特征在于:所述Gd、Y、Nd、Sm的質(zhì)量百分比之和為7% 11%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元稀土鎂合金，其特征在于:該多元稀土鎂合金是由Mg、Sb和中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd, Mg-Sm為原料熔煉而成。
4.一種如權(quán)利要求1所述的多元稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:包括下列步驟: 1)將Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm 預(yù)熱； 2)將Mg和Sb在C02+SF6混合氣體保護(hù)下熔化，持續(xù)攪拌，于720 740°C加入中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm ； 3)當(dāng)中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續(xù)攪拌，將溫度升至770 780°C后保持IOmin得混合液； 4)待步驟3)所得混合液的溫度降至690 730°C后進(jìn)行澆鑄，得鑄態(tài)合金； 5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理，即得所述多元稀土鎂合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多元稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:步驟I)中所述預(yù)熱溫度為150 220°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多元稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:步驟4)中澆鑄時(shí)將澆鑄模具預(yù)熱至180 250°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多元稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:步驟5)中所述熱處理是對(duì)鑄態(tài)合金依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多元稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:所述固溶處理的處理溫度為490 540°C，處理時(shí)間為5 20小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多元稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:所述時(shí)效處理的處理溫度為180 250°C，處理時(shí)間為8 20小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多元稀土鎂合金及其制備方法，該鎂合金由以下質(zhì)量百分比的組分組成2%～6%Gd，2%～3%Y，1%～2.5%Nd，0.5%～1.5%Sm，0.4%～0.8%Sb，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni總量小于0.02%，余量為Mg。本發(fā)明的多元稀土鎂合金，組分為Mg-Gd-Y-Nd-Sm-Sb，具有較高的高溫抗拉強(qiáng)度，高溫性能穩(wěn)定；在室溫到250℃區(qū)間內(nèi)，具有反常溫度效應(yīng)；本發(fā)明的多元稀土鎂合金，與商用耐熱鎂合金WE54合金相比，具有更高高溫抗拉伸強(qiáng)度和使用溫度，在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、武器裝備等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C22C23/06GK103146972SQ20131008188
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者李全安, 付三玲, 張清, 陳君, 劉文健, 陳志 , 宋曉杰 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)