一種鎂合金及其製備方法
2023-05-17 01:21:36 1
專利名稱：一種鎂合金及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鎂合金及其製備方法，特別涉及一種高強度、髙韌性、 耐高溫的稀土鎂合金及其製備方法。
背景技術：
鎂合金密度大約為1.74g/cm3，是鋼的l/4，鋁的2/3，是迄今為止實用 金屬結構材料中密度最小的一種金屬。與鋼和鋁合金相比，鎂合金具有高 的比強度及比剛度、導熱導電性、電磁屏蔽性，良好的阻尼減震性以及環 境相容性好等優點，已在消費性電子產品、汽車、摩託車以及航空航天等 領域得到廣泛應用。但是，普通鎂合金的室溫強度低、韌性差，耐高溫和 耐腐蝕性能差，限制了其在更廣闊領域的推廣和應用。
研製一種高強度、高韌性、耐高溫和密度小的鎂合金就成為本技術領 域急需要解決的難題。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種高強度、高韌性、耐高溫和小密度的鎂
A會
n五o
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案
—種鎂合金，其成份及含量為Gd7 ll重量n/。， 丫2 5重量％， Zr 0.3 0.6重量％， Zn0 1.0重量X，其餘為Mg。
一種優選技術方案，其特徵在於所述鎂合金的雜質的總含量《0.30
重量％。
一種優選技術方案，其特徵在於所述雜質為Fe、 Si、 Ni、 Cu、 Ca、 Na元素中的一種或幾種。
一種優選技術方案，其特徵在於所述雜質Fe和Ni的含量均《0. 004 重量％， Si和Cu的含量均《0.05重量0/0。
一種優選技術方案，其特徵在於所述Gd的含量為8 10重量％， Y 的含量為3 4重量％, Zr的含量為0. 4 0. 6重量％, Zn的最佳含量為0~ 1.0重量％。
本發明的另一個目的是提供上述鎂合金的製備方法。 一種鎂合金的製備方法，該方法包括下述步驟
(1) 、在石墨坩堝內壁及底部均勻地撒上一層鎂合金表面阻燃覆蓋
劑；
(2) 、加入鎂錠，升溫至熔化，當熔液溫度達740 760'C時，按比例 加入Gd、 Y，攪拌5 8min;按比例加入Zr和Mg-Zr中間合金，攪拌5 8min，完全熔化後澆注；
(3) 、將溫度升溫10-20'C，攪拌熔液8 10min，使熔液自下而上翻 滾，不得飛濺，並不斷在熔液的波峰上撒以鎂合金精煉劑；精煉劑的用量 為爐料重量的1. 5% 2. 0%;精煉結束後，將熔液升溫20-30'C,保溫靜置 15 20min，製成鎂合金熔體；
(4) 、將制好的鎂合金熔體澆注到鋼製模具中，製成鎂合金鑄錠；
(5) 、將制好的鎂合金鑄錠放入熱處理爐中進行固溶，加熱溫度480 53(TC,保溫時間10 16h，空氣中冷卻，然後在車床上車去鑄錠表面氧化 層，製成擠壓坯料；
(6) 、將制好的擠壓坯料進行變形加工；
(7) 、對步驟(6)經變形加工後的型材進行人工時效，製得高強度、 高韌性、耐高溫和小密度鎂合金材料。
一種優選技術方案，其特徵在於所述步驟(1)中的所述鎂合金表
面阻燃覆蓋劑包括氯化鎂38 46重量份,氯化鉀32 40重量份，氯化 鋇5 8重量份，氟化鈣3 5重量份。
一種優選技術方案，其特徵在於所述步驟(3)中的所述鎂合金精 煉劑包括氯化鉀54 56重量份，氯化鋇14 16重量份，氟化鈣1. 5 2. 5 重量份，氯化鈣27 29重量份。
一種優選技術方案，其特徵在於所述步驟(6)中的變形加工為擠 壓、鍛造或軋制。
一種優選技術方案，其特徵在於所述擠壓步驟為將制好的擠壓坯
料加熱到350 420°C，進行擠壓，擠壓筒溫度280 350°C，擠壓比15 25，製成擠壓棒材。
一種優選技術方案，其特徵在於所述步驟(7)中的人工時效工藝 為溫度220 250'C，保溫10 16h,空氣中冷卻，得鎂合金。
一種優選技術方案，其特徵在於所述步驟(7)中的人工時效工藝
為先將擠壓棒材加熱到150 200'C，保溫6 16h，進行第一級時效；
然後再將擠壓棒材升溫至300 350'C，保溫3 10h，進行第二級時效，
空氣中冷卻，得鎂合金。
本發明製成的高強韌性耐熱鎂合金的密度《1.93g/cm3。
本發明中稀土金屬的加入不僅能夠顯著提高鎂合金的室溫強韌性和 耐熱性，而且還能改善合金的鑄造性能和耐腐蝕性能，同時還能保持鎂合 金密度小的優點，為鎂合金應用領域的擴大創造了條件。
具體實施例方式
以下實施例中所用的％均為重量％。以下實施例包括鎂合金的熔煉、鑄 造、熱處理以及擠壓。但是，本發明的鎂合金並不只限於實施例中的擠壓 的變形加工方法，根據本發明的鎂合金的強韌性高的特點，還可以採用其 它的變形加工方法，如鍛造和軋制等。 實施例1
鎂合金的成份含量為Gd9%， Y4%， ZrO.5%, ZnO.5%,餘量為Mg, 進行備料，其中，Gd、 Y、 Zn採用純稀土金屬，Mg採用鎂錠，Zr採用Mg-Zr 中間合金。
1、鎂合金熔煉
採用中頻爐和石墨坩鍋作為熔煉設備，首先在石墨坩堝內壁及底部均 勻地撒上一層表面阻燃覆蓋劑包括氯化鎂38重量份，氯化鉀40重量份， 氯化鋇8重量份，氟化鈣5重量份，加入鎂錠，升溫至熔化，當熔液溫度 達730 780。C時，按Gd 9%， Y 4%，加入稀土金屬，攪拌5 8min;按照 Zr 0. 5%加入Mg-Zr中間合金；按Zn 0. 5%加入Zn，攪拌5 8rain，完全 熔化後澆注；光譜試樣，進行爐前分析。如果成分不合格，可加料調整， 直至合格。
將溫度調整至720 76(TC，攪拌熔液8 10min，使熔液自下而上翻 滾，不得飛濺，並不斷在熔液的波峰上撒以鎂合金精煉劑氯化鉀54重 量份，氯化鋇16重量份，氟化鈣2. 5重量份，氯化鈣29重量份，精煉劑的 用量一般約為爐料重量的1.5% 2.0%。精煉結束後，將熔液升溫至750 780°C，保溫靜置15 20min，精煉後升溫靜置的目的是減小熔液的密度和 粘度，以加速熔渣的沉析，也使熔渣能有較充分的時間從鎂熔液中沉澱下
來，以得到較純淨的熔體。至此，製成鎂合金熔體。
2、 鎂合金鑄造
首先，將鋼製鑄模預熱到200 300'C,在模具型腔表面噴塗鎂合金金 屬型重力鑄造用塗料，塗料成分為滑石粉30%，水玻璃5%，餘量為水。 然後，再將模具充分預熱至200 300'C，保證塗料完全乾燥。上述鎂合金 熔體經過表面撇渣後，澆注到模具中，澆注過程中，儘量保持液流平穩充 型，儘量避免液流衝刷模具內壁。熔體經自然冷卻凝固成鎂合金鑄錠。
3、 鎂合金的固溶和擠壓
將制好的鎂合金鑄錠放入熱處理爐中進行固溶，加熱溫度510 520 'C，保溫時間12 14h，空氣中冷卻。然後將處理後的鎂合金鑄錠在車床 上加工成直徑為93mm、長度為270mm的圓柱狀擠壓變形坯料。將擠壓變形 坯料加熱到370 40(TC並保溫30分鐘後，將坯料轉移到630噸擠壓機的 擠壓筒中，擠壓筒溫度300 32(TC，擠壓成直徑為20咖的棒材，擠壓比 為21 22。
4、 鎂合金的時效
一種時效工藝制度是將擠壓棒材直接進行人工時效，人工時效制度 是220 250°C，保溫10 16h，空氣中冷卻，得到鎂合金。
按照GB/T228-2002測試鎂合金的室溫拉伸力學性能，所得鎂合金的室 溫拉伸力學性能為抗拉強度o b = 450 480MPa，屈服強度o 。.2 = 390 425MPa，斷裂延伸率55 = 3 5%;按照GB/T4338-1995,測試鎂合金在250 'C下保溫lOmin的拉伸力學性能，其中鎂合金的抗拉強度o b》300MPa。
採用流體靜力稱衡法，測量本發明製成的高強韌性耐熱鎂合金的密度 P《1.93g/cm3。 實施例2
按照實施例1中步驟1、 2、 3所述內容製得小20mm的鎂合金擠壓圓棒。 1、鎂合金熔煉
採用中頻爐和石墨坩鍋作為熔煉設備，首先在石墨坩堝內壁及底部均 勻地撒上一層表面阻燃覆蓋劑包括氯化鎂46重量份,氯化鉀32重量份， 氯化鋇5重量份，氟化鈣3重量份，加入鎂錠，升溫至熔化，當熔液溫度 達730 780。C時，按Gd 9%， Y 4%，加入稀土金屬，攪拌5 8min;按照 Zr 0.5先加入Mg-Zr中間合金；按Zn 0.5X加入Zn，攪拌5 8min，完全
熔化後澆注；光譜試樣，進行爐前分析。如果成分不合格，可加料調整， 直至合格。
將溫度調整至720 76(TC，攪拌熔液8 10min，使熔液自下而上翻 滾，不得飛濺，並不斷在熔液的波峰上撒以鎂合金精煉劑氯化鉀56重 量份，氯化鋇14重量份，氟化鈣1. 5重量份，氯化鈣27重量份，精煉劑的 用量一般約為爐料重量的1. 5% 2. 0%。精煉結束後，將熔液升溫至750 78(TC，保溫靜置15 20min，精煉後升溫靜置的目的是減小熔液的密度和 粘度，以加速熔渣的沉析，也使熔渣能有較充分的時間從鎂熔液中沉澱下 來，以得到較純淨的熔體。至此，製成鎂合金熔體。
2、 鎂合金鑄造
首先，將鋼製鑄模預熱到200 30(TC，在模具型腔表面噴塗鎂合金金 屬型重力鑄造用塗料，塗料成分為滑石粉30%，水玻璃5%，餘量為水。 然後，再將模具充分預熱至200 30(TC，保證塗料完全乾燥。上述鎂合金 熔體經過表面撇渣後，澆注到模具中，澆注過程中，儘量保持液流平穩充 型，儘量避免液流衝刷模具內壁。熔體經自然冷卻凝固成鎂合金鑄錠。
3、 鎂合金的固溶和擠壓
將制好的鎂合金鑄錠放入熱處理爐中進行固溶，加熱溫度510 520 °C，保溫時間12 14h，空氣中冷卻。然後將處理後的鎂合金鑄錠在車床 上加工成直徑為93mm、長度為270mm的圓柱狀擠壓變形坯料。將擠壓變形 坯料加熱到370 40CTC並保溫30分鐘後，將坯料轉移到630噸擠壓機的 擠壓筒中，擠壓筒溫度300 32CTC，擠壓成直徑為20鵬的棒材，擠壓比 為21 22。
4、 鎂合金的雙級時效
先將試樣加熱到150 20(TC，保溫10 16h，進行第一級時效；然後 再將試樣升溫至300 35(TC，保溫5 8h，進行第二級時效，空氣中冷卻， 得到鎂合金。
按照GB/T228-2002測試鎂合金的室溫拉伸力學性能，所得鎂合金的室 溫拉伸力學性能為抗拉強度Ob二380 395MPa，屈服強度o 。.2=280 290MPa，斷裂延伸率65=15 21%;按照GB/T4338-1995,測試鎂合金在 25(TC下保溫10min的拉伸力學性能，其中鎂合金的抗拉強度o b》 260MPa。
採用流體靜力稱衡法，測量本發明製成的髙強韌性耐熱鎂合金的密度
P《1.93g/cm3。 實施例3
製備方法與實施例1相同，只是鎂合金的成份含量為Gd7%， Y5%， Zr 0.6%, Zn 1.0%，餘量為Mg,進行備料，其中，Gd、 Y、 Zn採用純稀 土金屬，Mg採用鎂錠，Zr採用Mg-Zr中間合金。表面阻燃覆蓋劑包括 氯化鎂42重量份，氯化鉀36重量份，氯化鋇6重量份，氟化鈣4重量份。 鎂合金精煉劑氯化鉀55重量份，氯化鋇15重量份,氟化鈣2. 0重量份， 氯化鈣28重量份。
按照GB/T228-2002測試鎂合金的室溫拉伸力學性能，所得鎂合金的室 溫拉伸力學性能為抗拉強度Ob^360 400MPa,屈服強度o G.2=280 325MPa，斷裂延伸率S5 = 8 15%;按照GB/T4338-1995,測試鎂合金在 250'C下保溫lOmin的拉伸力學性能，其中鎂合金的抗拉強度o b》 200MPa。
採用流體靜力稱衡法，測量本發明製成的高強韌性耐熱鎂合金的密度 P《1.92g/cm30 實施例4
製備方法與實施例l相同，只是鎂合金的成份含量為Gdll%， Y2%， Zr 0.3%, Zn 0%，餘量為Mg，進行備料，其中，Gd、 Y採用純稀土金屬， Mg採用鎂錠，Zr採用Mg-Zr中間合金。
按照GB/T228-2002測試鎂合金的室溫拉伸力學性能，所得鎂合金的室 溫拉伸力學性能為抗拉強度Ob-400 455MPa，屈服強度o Q.2=320 380MPa，斷裂延伸率55=5 8%;按照GB/T4338-1995,測試鎂合金在250 。C下保溫lOmin的拉伸力學性能，其中鎂合金的抗拉強度o b》250MPa。
採用流體靜力稱衡法，測量本發明製成的高強韌性耐熱鎂合金的密度 P《1.93g/cm3。
權利要求
1、一種鎂合金，其成份及含量為Gd7～11重量％，Y2～5重量％，Zr0.3～0.6重量％，Zn0～1.0重量％，其餘為Mg。
2、 根據權利要求1所述的鎂合金，其特徵在於所述鎂合金的雜質的總含量《0. 30重量％。
3、 根據權利要求2所述的鎂合金，其特徵在於所述雜質為Fe、 Si、 Ni、 Cu、 Ca、 Na元素中的一種或幾種。
4、 根據權利要求3所述的鎂合金，其特徵在於所述雜質Fe和Ni 的含量均《0. 004重量％， Si和Cu的含量均《0. 05重量％。
5、 根據權利要求4所述的鎂合金，其特徵在於所述Gd的含量為8 10重量％， Y的含量為3 4重量％， Zr的含量為0. 4 0. 6重量％， Zn的最 佳含量為0 1.0重量％。
6、 根據權利要求1-5中任一項所述的鎂合金的製備方法，該方法包括 下述步驟(1) 、在石墨坩堝內壁及底部均勻地撒上一層表面阻燃覆蓋劑；(2) 、加入鎂錠，升溫至熔化，當熔液溫度達740 76(TC時，按比例 加入G、Y，攪拌5 8min;按比例加入Zr和Mg-Zr中間合金，攪拌5 8min， 完全熔化後澆注；(3) 、將溫度升溫10-20°C，進行精煉。攪拌熔液8 10min，使熔液 自下而上翻滾，不得飛濺，並不斷在熔液的波峰上撒以鎂合金精煉劑；精 煉劑的用量為爐料重量的1.5% 2.0%;精煉結束後，將熔液升溫20-30'C， 保溫靜置15 20min，製成鎂合金熔體；(4) 、將制好的鎂合金熔體澆注到鋼製模具中，製成鎂合金鑄錠；(5) 、將制好的鎂合金鑄錠放入熱處理爐中進行固溶，加熱溫度480 530°C，保溫時間10 16h，空氣中冷卻，然後在車床上車去鑄錠表面氧化 層，製成擠壓坯料；(6) 、將制好的擠壓坯料進行擠壓；(7) 、對步驟(6)經變形加工後的型材進行人工時效，製得高強度、 高韌性、耐高溫和小密度鎂合金材料。
7、 根據權利要求6所述的鎂合金的製備方法，其特徵在於所述步 驟(1)中的所述鎂合金表面阻燃覆蓋劑包括氯化鎂38 46重量份，氯 化鉀32 40重量份，氯化鋇5 8重量份，氟化鈣3 5重量份。
8、 根據權利要求7所述的鎂合金的製備方法，，其特徵在於所述步 驟(3)中的所述鎂合金精煉劑包括氯化鉀54 56重量份，氯化鋇14 16重量份,氟化鈣1. 5 2. 5重量份，氯化鈣27 29重量份。
9、 根據權利要求8所述的鎂合金的製備方法，其特徵在於所述步 驟(6)中的變形加工為擠壓。
10、 根據權利要求9所述的鎂合金的製備方法，其特徵在於所述擠 壓步驟為將制好的擠壓坯料加熱到350 42(TC，進行擠壓，擠壓筒溫度 280 350°C，擠壓比15 25,製成擠壓棒材。
11、 根據權利要求10所述的鎂合金的製備方法，其特徵在於所述步 驟(7)中的人工時效工藝為溫度220 250°C，保溫10 16h，空氣中 冷卻，得鎂合金。
12、 根據權利要求11所述的鎂合金的製備方法，其特徵在於所述 步驟(7)中的人工時效工藝為先將擠壓棒材加熱到150 200°C，保溫 6 16h，進行第一級時效；然後再將擠壓棒材升溫至300 350°C，保溫3 10h，進行第二級時效，空氣中冷卻，得鎂合金。
全文摘要
一種鎂合金及其製備方法。該鎂合金的成份含量為Gd 7～11wt％，Y2～5wt％，Zr 0.3～0.6wt％，Zn 0～1.0％，其餘為Mg和不可避免的雜質元素。該合金的製備方法包括合金熔煉、精煉、鑄造、固溶、擠壓變形以及兩種人工時效方法，製成高強韌性耐熱鎂合金擠壓棒材。採用直接人工時效的方法製得鎂合金的室溫拉伸力學性能為抗拉強度σb＝450～480MPa，σ0.2＝390～425MPa，δ5＝3～5％；將試樣加熱到250℃保溫10min，抗拉強度σb≥300MPa。採用雙級人工時效的方法製得鎂合金的室溫拉伸力學性能為抗拉強度σb＝380～395MPa，σ0.2＝280～290MPa，δ5＝15～21％；將試樣加熱到250℃保溫10min，抗拉強度σb≥260MPa。本發明製成的高強韌性耐熱鎂合金的密度≤1.93g/cm3，能夠滿足特殊領域對金屬材料密度、強韌性以及耐高溫性能的要求。
文檔編號C22C23/00GK101191168SQ20061014400
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月23日 優先權日2006年11月23日
發明者張家振, 李彥利, 李德富, 馬志新 申請人:北京有色金屬研究總院