一種變形鎂合金及其製備方法

2023-06-01 21:06:06 2

專利名稱：一種變形鎂合金及其製備方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料技術領域，尤其涉及ー種變形鎂合金及其製備方法。
背景技術：
鎂合金是重量最輕的結構用金屬材料，密度為1.75 1.90g/cm3，僅為鋁合金的2/3，鋼鐵的1/4。與其他金屬結構材料相比，鎂合金具有高比強度、比剛度，減震性、電磁屏蔽性和抗輻射能力強，易切削加工、易回收等一系列有點，在汽車、電子電器 、通訊、航空航天和國防軍事エ業領域具有及其重要的應用價值和廣闊的應用前景，是繼鋼鐵和鋁合金之後發展起來的第三類金屬結構材料。根據加工方式的不同，鎂合金材料主要分為鑄造鎂合金與變形鎂合金兩大類。變形鎂合金是指可用擠壓、軋制、鍛造和衝擊等塑性成形方法加工的鎂合金，其可通過材料組織的控制和熱處理工藝的應用，獲得比鑄造鎂合金材料更高的強度，更好的延展性，更多樣化的力學性能，從而滿足更多結構件的需要。變形鎂合金主要有Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-RE系、Mg-Zr系等合金系，其中最為常見的合金系是Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系合金。Mg-Al-Zn系鎂合金是目前室溫系應用最廣泛的合金系，其主要特點是強度高，能夠進行熱處理強化，並有良好的鋳造性能，但該系鎂合金中的Mg17Al22相在高溫條件下迅速長大，從而導致合金機械性能下降，無法作為高溫結構件使用。Mg-Zn-Zr系合金的晶界處分布著大量的塊狀共晶相Mg7Zn3, MgZn等，共晶相的熔點均低於340°C，其軟化後則無法釘扎晶界，阻礙錯位運動，從而導致Mg-Zn-Zr系合金的高溫性能較差。稀土作為改善變形鎂合金耐熱性能的合金化元素已得到廣泛的應用，大部分稀土元素在鎂中具有較大的固溶度極限，且隨溫度下降，固溶度急劇減少，可以得到較大的過飽和度，從而在隨後的時效過程中析出彌散的、高熔點的稀土化合物相；稀土元素還可以細化晶粒、提高室溫強度，且分布在晶內和晶界的彌散的、高熔點稀土化合物，在高溫時仍能釘扎晶內錯位和晶界滑移，從而提高了鎂合金的高溫強度。其中，WE54是ー種典型的含釹的稀土鎂合金，其成分為Mg-5. 1%Y_3. 2%RE(I. 5% 2%Nd) -O. 5%Zr，是目前已商業化性能較好的鎂合金，耐熱溫度可達300°C，且經熱處理後，耐蝕性能也由於其他高溫鎂合金，但耐熱性能不夠穩定，高溫時強度下降較多，並且其力學性能也有待提聞。

發明內容
有鑑於此，本發明要解決的技術問題在於提供ー種變形鎂合金及其製備方法，該變形鎂合金具有較好的高溫穩定性及較高的力學性能。本發明提供了 ー種變形鎂合金，包括0. lwt% 10wt%的釹，10wt%12wt%的·し，3wt% 5wt%的I乙，O. 5wt% 2wt%的鋅,0. 3wt% O. 8wt%的錯,餘量的鎂以及不可避免的雜質。本發明提供了ー種變形鎂合金的製備方法，包括以下步驟A)將鎂錠、鋅錠、釓源、釹源、釔源和鋯源進行熔融合金化，精煉後得到鎂熔體，所述續溶體包括O. lwt%10wt%的欽，10wt% 12wt%的禮，3wt% 5wt%的乾，O. 5wt% 2wt%的鋒，
O.3wt% O. 8wt%的錯,餘量的鎂以及不可避免的雜質；B)將所述鎂熔體澆鑄，擠壓後，得到變形鎂合金。優選的，所述釓源為釓錠和/或鎂釓中間合金錠。優選的,所述釹源為釹錠和/或鎂釹中間合金錠。優選的，所述釔源為釔錠和/或鎂釔中間合金錠。優選的，所述鋯源為鋯錠和/或鎂鋯中間合金錠。 優選的，所述步驟B具體為將所述鎂熔體澆鑄，固溶處理，擠壓，進行時效處理後，得到變形鎂合金。優選的，所述步驟A具體為在保護氣氛下，將鎂錠、鋅錠與覆蓋劑加至熔煉爐，升溫至730°C ^750 °C，加入釓源和釹源，繼續升溫至760°C 780°C，加入釔源、鋯源和精煉劑精煉後得到鎂熔體；所述續溶體包括O. lwt% 10wt%的欽，10wt% 12wt%的禮，3wt% 5wt%的乾，O. 5wt% 2wt%的鋒，
O.3wt% 0. 8wt%的錯,餘量的鎂以及不可避免的雜質。優選的，所述覆蓋劑包含30 40wt%的MgCl2,15 25wt%的KCl/NaCl，15 25wt%的CaF/NaF 和餘量的 BaCl2。優選的，所述精煉劑包含50 60wt%的KCl/NaCl，15 20wt%的BaCl2, 20 30wt%的CaCl2 和餘量的 MgC03/Na2C03。本發明提供了ー種變形鎂合金及其製備方法，該變形鎂合金包括O. Iwt°ri0wt%的欽，10wt% 12wt%的禮，3wt% 5wt%的乾，O. 5wt% 2wt%的鋒,0. 3wt% O. 8wt%的錯，餘量的鎂以及不可避免的雜質。與現有技術WE54相比，本發明在Mg-Zn-Zr三元鎂合金中加入稀土元素釹、釓和釔。首先，加入鋅後合金中晶界處形成大量長條狀的Mg12YZn析出相，可以阻止晶界在高溫條件下的滑移，提高了合金的高溫穩定性，並且該析出相沿擠壓方向統ー排列，能夠阻礙基面位錯滑移，提高了合金的力學性能；其次，添加了釓、乾和釹三種稀土元素，可以利用稀土元素間的交互作用降低釓、釔和釹在鎂基體中的固溶度，促進析出相的形成，提高了合金的力學性能。實驗結果表明，本發明製備的變形鎂合金室溫(25°C)的抗拉強度大於420MPa，屈服強度大於320MPa，200°C時的抗拉強度大於380MPa，屈服強度大於300MPa，250°C時的抗拉強度大於350MPa,屈服強度大於290MPa, 300°C時的抗拉強度大於225MPa,屈服強度大於190MPa。


圖I為本發明實施例2製備的變形鎂合金的擠壓態金相組織圖；圖2為本發明實施例2製備的變形鎂合金的透射電鏡顯微組織圖。
具體實施例方式本發明提供了 ー種變形鎂合金，包括O. lwt% 10wt%的釹，10wt% 12wt%的·し，3wt% 5wt%的I乙，O. 5wt% 2wt%的鋅,0. 3wt% O. 8wt%的錯,餘量的鎂以及不可避免的雜質。其中，所述釹的含量優選為O. 5wt9T8wt%，更優選為O. 5wt°/T6wt%，再優選為O.5wt% 4wt% ;所述禮的含量優選為10wt% ll. 5wt% ;所述乾的含量優選為3. 5wt% 5wt%,更優選為3. 5wt % 4. 5wt% ;所述鋅的含量優選為O. 5wt9Tl. 5wt%，更優選為O. 5wt % lwt% ;所述錯的含量優選為O. 4wt % ^O. 8wt%,更優選為O. 4wtQ/cT0. 6wt%,再優選為
O.5wt°/T0. 6wt% ;所述雜質的含量小於O. 02%，所述雜質為本領域技術人員熟知的不可避免的雜質，通常包括元素矽、鐵、銅和鎳。本發明還提供了ー種變形鎂合金的製備方法，包括以下步驟:A)將鎂錠、鋅錠、釓源、釹源、釔源和鋯源進行熔融合金化，精煉後得到鎂熔體，所述鎂熔體包括O. Iwt0^lOwt%的欽，10wt% 12wt%的禮，3wt% 5wt%的乾，O. 5wt% 2wt%的鋒,0. 3wt% O. 8wt%的錯，餘量的鎂以及不可避免的雜質，所述所述雜質的含量小於O. 02% ；B)將所述鎂熔體澆鑄，擠壓後，得到變形鎂合金。為了清楚說明本發明，以下分別對步驟A和步驟B的實驗過程進行詳細描述。按照本發明所述步驟A具體為在保護氣氛下，將鎂錠、鋅錠與覆蓋劑加至 熔煉爐，升溫至730°C 750 °C，優選為730°C 740°C，加入釓源和釹源，繼續升溫至760 0C "780 0C,優選為770 V 780°C，加入釔源和鋯源，降溫至730 °C 750 °C，優選為7300C 740°C，加入精煉劑，精煉後得到鎂熔體，所述鎂熔體包括上述鎂合金所述的各種元素及含量，在此不再贅述。按照此加料順序，可減少不同元素之間相互作用形成化合物的可能，從而保證合金成分的準確性，提高了合金的質量。所述保護氣氛為本領域技術人員熟知的保護氣氛，優選為體積分數為99%的ニ氧化碳與1%的六氟化硫的混合氣體。六氟化硫對鎂合金具有良好的保護效果，可在鎂熔體表面形成一厚層較穩定的具有良好保護作用的MgF2化合物保護膜。其中，所述釓源為釓錠和/或鎂釓中間合金錠，優選為含20wt%鎂的鎂釓中間合金錠；所述釹源為釹錠和/或鎂釹中間合金錠，優選為含20wt%鎂的鎂釹中間合金錠；所述釔源為釔錠和/或鎂釔中間合金錠，優選為含20wt%鎂的鎂釔中間合金錠；所述鋯源為鋯錠和/或鎂鋯中間合金錠，優選為含30wt%鎂的鎂鋯中間合金錠。按照本發明，所述鎂錠、鋅錠及各種中間合金錠優選經過分割、去除氧化皮、除油和乾燥等步驟進行處理。所述鎂錠優選為含鎂99. 9wt%以上的純鎂錠，所述鋅錠優選為含鋅99. 9wt%以上的純鋅錠。所述覆蓋劑為本領域技術人員熟知的覆蓋劑，優選為包含3(T40wt%的MgCl2,優選為35 40wt%，15 25wt %的KCl或NaCl，優選為18 22wt%，15 25wt%的CaF或NaF，優選為18 22wt%和餘量的BaCl2。所述覆蓋劑的質量為合金原料總重量的2% 5%，優選為2% 3%，其主要作用是保護熔體不被氧化，同吋，由於鎂易燃其也可作為滅火劑而使用。所述精煉劑為本領域技術人員熟知的精煉劑，優選包含5(T60wt%的KCl或NaCl，優選為 52 56wt%，15 20wt% 的 BaCl2,優選為 16 19wt%，20 30wt% 的 CaCl2，優選為 22 26wt%及餘量的MgCO3或Na2CO315所述精煉劑的質量為合金原料總重量的2°/Γ5%，優選為2°/Γ3%，在本發明中其主要作用是提高合金的熔煉質量。熔煉過程中，合金元素採用中間合金的方式加入，同時加入覆蓋劑和精煉劑，能夠降低合金的熔煉溫度，井能去除夾雜、氣體等，提高熔體的純淨度。按照本發明，所述步驟A中精煉具體為加入精煉劑後，攪拌l(Tl5min，優選為12 14min，吹入氬氣l(T20min，優選為15 18min，升溫至750 V 780で，優選為755 V 770 V，保溫2(T30min，優選為25 30min，降溫至730 V 750で，優選為730V 740°C，保溫l(T20min，優選為15 18min。通入氬氣可以排除熔體中的其他有害氣體如氯氣和氧氣等，並且也可以達到攪拌熔體的作用使得熔體中溶質分布更加均勻，避免偏析等鑄造缺陷的產生。所述步驟B具體為將所述鎂熔體進行扒渣處理，在690°C 730 °C優選為710°C 730°C，通過事先預熱至200°C 300°C的水模具澆鑄成圓棒，優選為200°C 250°C，車削後，固溶處理，擠壓成型，進行時效處理後，得到變形鎂合金。水模具能夠加速鑄錠冷卻速率，細化晶粒，有利於大規模的エ業化生產。所述固溶處理的溫度為500°C 550°C，優選為520°C 540°C，時間為2 32h，優選為2(T32h。所述擠壓成型的條件為380°C 480°C優選為400°C 460°C，預熱3(Tl20min後擠 壓，優選為6(Tl00min。在擠壓成型前進行固溶處理並預熱，有利於擠壓過程的順利進行，避免「擠不動」現象的產生，同時也能降低擠壓溫度。加入鋅後合金中晶界處形成大量長條狀的Mg12YZn析出相，可以阻止晶界在高溫條件下的滑移，提高了合金的高溫穩定性；並且該析出相沿擠壓方向統ー排列，而變形鎂合金的晶體結構為六方結構，室溫主要滑移係為(0001)基面滑移系，因此有序排列的Mg12YZn析出相能夠在擠壓方向起到強化作用，阻礙基面位錯滑移，提高了合金的力學性能。所述時效處理優選為人工時效，所述人工時效的時效溫度為185°C 250°C，優選為200°C 240°C，時效時間為2 100h，優選為6(T80h。人工時效後，鎂基體中會產生大量均勻分布的納米尺寸的Mg-RE相，其能夠阻礙基面位錯滑移，降低合金變形的能力，提高合金的力學性能。本發明採用多種稀土元素釓、釔和釹作為添加稀土元素，可以利用稀土元素間的相互作用，降低此三種元素在鎂基體中的固溶度，提高時效硬化特徵，峰值時時效樣品的硬度達到130Hv，井能促進Mg-RE析出相的形成，提高合金的室溫及高溫的力學性能。為了進ー步說明本發明，以下結合實施例對本發明提供的ー種變形鎂合金及其製備方法進行詳細描述。以下實施例中所用的試劑均為市售。實施例II. I將純Mg錠、純Zn錠、20%Mg_Gd中間合金、20%Mg_Y中間合金、20%Mg_Nd中間合金和30%Mg-Zr中間合金進行分割、去除氧化皮、除油和乾燥，按元素含量Gd 10wt%, Y4wt%, Zn lwt%, Nd O. 5wt%, Zr 0. 4wt%,餘量為Mg的配比取料。配製覆蓋劑將40wt%的MgCl2, 20wt%的KC1，20wt%的CaF與20wt%的BaCl2混合得到覆蓋劑；配製精煉劑將54wt%的KC1，18wt%的BaCl2, 24wt%的Cacl2與4wt%的MgCO3混合得到精煉劑。I. 2在99% ニ氧化碳與1%六氟化硫混合氣體保護的條件下，將2wt%合金原料的
I.I中配製的覆蓋劑、I. I中稱取的純Mg錠與純Zn錠加至熔煉爐中，升溫至750°C，加入
I.I中稱取的Mg-Gd中間合金和Mg-Nd中間合金，攪拌2min，升溫至780°C，加入Mg-Y中間合金和Mg-Zr中間合金,攪拌2min,降溫至750°C,加入2wt%合金原料的I. I中配製的精煉齊U，攪拌12min後，吹入氬氣精煉15min，升溫至750°C，保溫靜置25min，降溫至730°C保溫靜置15min，對鎂熔體進行扒渣後，在730°C通過預熱至200°C的水模具澆鑄成圓棒，車削後535°C固溶處理24h，420°C預熱60min後擠壓成型，擠壓溫度為420°C，擠壓比為13，擠壓速率恆定。對擠壓後的合金進行人工時效處理，時效溫度為200°C，時效時間為72h，得到變形鎂合金，包含 Gd 10wt%, Y 4wt%, Zn lwt%, Nd O. 5wt%, Zr 0. 4wt%，雜質元素 Si、Fe、Cu 和 Ni的總量小於O. 02%，餘量為Mg。對I. 2中得到的變形鎂合金進行力學性能測試，得到其測試結果，見表I。表I實施例I中變形鎂合金的室溫及高溫力學性能
權利要求
1.ー種變形鎂合金，其特徵在於，包括O. lwt%10wt%的釹，IOwt % 12wt%的 し，3wt% 5wt%的I乙，O. 5wt% 2wt%的鋅,0. 3wt% O. 8wt%的錯,餘量的鎂以及不可避免的雜質。
2.ー種變形鎂合金的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟A)將鎂錠、鋅錠、釓源、釹源、釔源和鋯源進行熔融合金化，精煉後得到鎂熔體，所述續溶體包括O. lwt%10wt%的欽，10wt% 12wt%的禮，3wt% 5wt%的乾，O. 5wt% 2wt%的鋒，O. 3wt% ^0. 8wt%的錯，餘量的鎂以及不可避免的雜質；B)將所述鎂熔體澆鑄，擠壓後，得到變形鎂合金。
3.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述釓源為釓錠和/或鎂釓中間合金錠。
4.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述釹源為釹錠和/或鎂釹中間合金錠。
5.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述釔源為釔錠和/或鎂釔中間合金錠。
6.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述鋯源為鋯錠和/或鎂鋯中間合金錠。
7.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟B具體為將所述鎂熔體澆鑄，固溶處理，擠壓，進行時效處理後，得到變形鎂合金。
8.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟A具體為在保護氣氛下，將鎂錠、鋅錠與覆蓋劑加至熔煉爐，升溫至730°C ^750 °C，加入釓源和釹源，繼續升溫至760°C 780°C，加入釔源、鋯源和精煉劑精煉後得到鎂熔體；所述鎂熔體包括 O. lwt% 10wt% 的欽，10wt% 12wt% 的禮，3wt% 5wt% 的I乙，O. 5wt% 2wt% 的鋒，0. 3wt % O. 8wt%的鋯，餘量的鎂以及不可避免的雜質。
9.根據權利要求8所述的製備方法，其特徵在於，所述覆蓋劑包含3(T40wt%的MgCl2,15 25wt% 的 KCl/NaCl，15 25wt% 的 CaF/NaF 和餘量的 BaCl2。
10.根據權利要求8所述的製備方法，其特徵在於，所述精煉劑包含5(T60wt%的KCl/NaCl，15 20wt% 的 BaCl2, 20 30wt% 的 CaCl2 和餘量的 MgC03/Na2C03。
全文摘要
本發明提供了一種變形鎂合金及其製備方法，以質量百分數計，變形鎂合金包括0.1%~10%的釹，10%~12%的釓，3%~5%的釔，0.5%~2%的鋅，0.3%~0.8%的鋯，餘量的鎂及不可避免的雜質。與現有技術WE54相比，本發明在Mg-Zn-Zr鎂合金中加入稀土元素釹、釓和釔。首先，加入鋅後合金晶界處形成大量長條Mg12YZn析出相，可以阻止晶界高溫下的滑移，提高了合金的高溫穩定性，並且該析出相沿擠壓方向統一排列，能夠阻礙基面位錯滑移，提高了合金的力學性能；其次，添加了釓、釔和釹三種稀土元素，可以利用稀土元素間的交互作用降低釓、釔和釹在鎂基體中的固溶度，促進析出相的形成，提高了合金的力學性能。
文檔編號C22C23/06GK102828094SQ20121034440
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年9月17日
發明者孟健, 於子健, 邱鑫, 孫偉, 張德平, 張洪傑 申請人:中國科學院長春應用化學研究所