一種高鈥含量的鎂基合金及其製備方法
2023-05-31 23:44:56 2
專利名稱：一種高鈥含量的鎂基合金及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鎂基合金，具體涉及一種高鈥含量的鎂基合金及其製備方法。
背景技術：
高稀土含量的鎂基合金在軍事工業中有著重要的應用。諸如35年前發明的稀土 總含量為9wt%、牌號為WEM的鎂基合金(其中稀土 Y為5wt%、其餘為富釹混合稀土)，其在 各國戰鬥機和飛彈零部件中應用一直延續至今。近年來，在高稀土含量的鎂基合金方面，各國研究者更為關注的是高釓(Gd)含量 的稀土鎂基合金，這類合金在150°C—300°C的高溫下、比傳統的WEM合金有更好的強度， 其典型代表為含9wt% Gd和Y，稀土總量為13wt%&Mg—9 Gd—4Y體系。各國研究 者關注該高稀土釓含量的鎂合金原因，不僅在於其比傳統的WEM合金有更好的高溫強度， 同等重要的原因在於幾十年來，稀土釓一直沒有找到量大面廣的應用出口，導致大量稀土 釓成為無人過問的庫存積壓品，釓這種稀土資源沒用能合理和高效利用，高稀土釓含量的 鎂合金研究和儘快應用，無疑對於稀土資源高效利用和將中國的稀土資源優勢轉變為經濟 優勢有重要意義。稀土鈥(Ho)目前主要應用仍停留在雷射晶體和磁鋼(Nd-Fe-B)添加劑上，諸如醫 學上治療青光眼和白內障所使用的含鈥雷射手術刀中的雷射晶體。然而，這種添加劑使用 消耗鈥數量很少，隨著稀土分離技術提升，稀土鈥產量越來越大，大量的稀土鈥也成為無人 問津庫存積壓品，至今這一矛盾越來越突出，這成為稀土資源高效利用的難題之一。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高鈥含量的鎂基合金及其製備方法，可以有效解決現 有技術中稀土鈥不能用於高溫高強稀土鎂基合金的缺陷，達到鈥這種稀土資源能夠合理和 高效利用之目的。本發明採用以下技術方案
一種高鈥含量的鎂基合金，其中，該高鈥含量的鎂基合金的組成元素及重量百分含量 為8wt%—12wt% 鈥、3wt%—6wt% 釹和 0. 4wt%—0. 6wt% 鋯，雜質元素 Ni、Cu、Fe、Si 和 Al 的總量小於0.05 wt %，餘量為鎂。—種高鈥含量的鎂基合金的製備方法，包括如下步驟 第一步，選料
以市售純度為99. 95 wt %的Mg錠、99. 5 wt %的Mg-Ho和Mg-Nd中間合金錠和99. 5 wt %的中間合金錠為原料；其中Mg-Ho和Mg-Nd中間合金錠中的Ho和Nd佔合金重 量百分比的20% 30%，中間合金錠中的rLx佔合金重量百分比的30% ； 第二步，配料與熔煉
將第一步選好的原料配料，鈥、釹、鋯、鎂的重量百分含量為8wt%-12wt%鈥、 3 {%-6 丨％釹和0. 4wt%-0. 6wt%鋯，金屬Mg元素為構成所有元素100 wt%的餘量，爐料帶入與加工中不可避免雜質元素Ni、Cu、Fe、Si和Al的總量小於0. 05%，按上述成份進行配料 和熔煉；該熔煉是在熔鹽保護下進行熔煉，熔煉溫度為770 790。C，所用熔鹽為40 60 wt %的KCl和60 40wt %的NaCl所構成二元混合鹽，其中KCl和NaCl的純度為99. 5 1%;熔煉爐為電阻爐；
第三步，靜置合金與熔煉物出爐澆鑄
澆鑄前、被熔煉物，即爐內合金液體，靜置15-25分鐘，降低爐內合金液體溫度到730 °〇作為澆鑄溫度，同時將金屬模具預熱到200-220 ！進行熔煉物出爐澆鑄。進一步，在熔煉物出爐澆鑄前進行出爐合金熱處理熱處理條件為在530°C保溫 8h的固溶處理，固溶處理的出爐合金直接放入60 °C的水中進行冷淬，冷淬後的合金在250 ！進行人工時效，該人工時間為80小時。本發明選擇鈥為主強化元素、釹為輔助強化元素，兩種強化元素其金屬熔點分別 為金屬鈥熔點為1474°C，金屬釹熔點為1021°C，鎂合金基體添入的強化元素的金屬熔點 越高，越有利於提高鎂基合金的高溫強度。而添加0. 4wt%—0. 6襯％鋯主要通過細化晶粒提 高室溫和高溫強度。本發明選擇稀土 -鎂中間合金，其稀土在中間合金濃度為20wt%—25wt% ；而不選 擇氟化物電解獲得的80 wt%Ho—20 wt%Mg和80 wt%Nd — 20 wt%Mg稀土-鎂中間合金直接 添加，其目的和原理在於更加注重金屬(中間合金)的遺傳性，選擇不同稀土 -鎂中間合金濃 度，Mgl2Nd和Mg41Nd5等提高鎂基合金的高溫強度強化相對力學性能貢獻差異巨大，本發 明選擇稀土鈥和釹在中間合金濃度為20wt%—25wt%，利於MgMHo5、Mgl2Nd和Mg41Nd5強 化相在鎂基體合金中合理分布，從而提高力學性能。本發明的有益效果為本發明的高鈥含量的鎂基合金具有優良的綜合力學性 能，特別是溫度在250°c拉伸強度可以達到300MPa。本發明的鎂基合金製備方法簡便，利於 工業化生產。本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並 且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書所特別指 出的結構來實現和獲得。
圖1是本發明Ho-Nd組合的耐熱鎂稀土合金的典型XRD圖； 圖2是本發明Ho-Nd組合的耐熱鎂稀土合金的典型組織； 圖3是本發明Ho-Nd組合的耐熱鎂稀土合金的典型應力-應變圖。
具體實施例方式
實施例一
本實施例的高鈥含量的鎂基合金為Mg-8Ho-5Nd-0. 6Zr，8wt%的Ho、5wt%的Nd、0. 6wt% 的Zr，爐料帶入與加工中不可避免雜質元素Ni、Cu、Fe、Si和Al的總量小於0. 05%,金屬 Mg元素為構成所有元素100 wt%的餘量。如圖1所示，該合金的組成為Mg-8Ho-5Nd-0. 6Zr， 合金由 Mg 相，Mg5RE(RE=Ho/Nd)相和 Mg41RE5 (RE=Ho/Nd)相。本發明的Mg-8%Ho-5%Nd-0. 6%Zr耐熱鎂基合金熱處理後力學性能為室溫抗拉 強度339 MPa ；屈服強度:230 MPa ；伸長率:10. 1%。250°C:抗拉強度:261 MPa ；屈服強度180 MPa ；伸長率16. 1%。本發明的Mg-8%Ho-5%Nd_0. 6%Zr鎂基合金由如下步驟製成 第一步，選料
本發明鎂基合金中鎂的的原料來源為市售純度為99. 9wt%的Mg錠以及所用鎂中間 合金中所帶入的鎂；鈥的原料來源為純度為99. 5 wtHo中間合金錠，構成該Mg-
Ho 二元中間合金錠的合金組成為80 wt %的1%，20 wt %的Ho，該二元中間合金中Mg和 Ho重量百分比總和構成100%。釹的原料來源為純度為99. 5 wtNd中間合金錠，
構成該Mg- Ho中間合金錠二元合金組成為80 wt % Mg，25 wt % Nd，該二元中間合金中Mg 和Nd重量百分比總和構成100%。鋯的原料來源為純度為99. 5 wt %的Mg- Zr中間合金 錠，構成該Mg- ^ 二元中間合金錠的組成為80 wt %的1%，30 wt %的^ ，該二元合金中 Mg和ττ重量百分比總和構成100%。第二步，配料與熔煉
按照鎂基體合金中添加8wt%鈥、5wt%釹和0. 6wt%鋯，金屬Mg元素為構成所有元素100 wt%的餘量，爐料帶入與加工中不可避免雜質元素Ni、Cu、Fe、Si和Al的總量小於0. 05%, 按上述成份進行配料和分別熔煉；該熔煉是在熔鹽保護下進行熔煉，熔煉溫度為780。C, 所用熔鹽為50wt %的KCl和50wt %的NaCl所構成二元混合鹽，其中KCl和NaCl的純度 為99. 5 wt% ；熔煉爐為電阻爐。第3步，靜置合金與熔煉物出爐澆鑄
澆鑄前、被熔煉物，即爐內合金液體，靜置20分鐘；利用此20分鐘時間降低爐內合金 液體溫度到730 °C作為澆鑄溫度，同時將金屬模具預熱到220 ！進行熔煉物出爐澆鑄。第4步，出爐合金熱處理
用於鑄態組織和性能測定的出爐合金不必進行熱處理；反之，其餘和出爐合金全部進 行熱處理，並且熱處理條件為在530°C保溫他的固溶處理，固溶處理的出爐合金直接放入 60 °C的水中進行冷淬，冷淬後的合金在250 ！進行人工時效，該人工時間為80小時。實施例二
本實施例的高鈥含量的鎂基合金為Mg-9%Ho-4%Nd-0. 4%Zr，9wt%的Ho3wt%的Nd、 0. #{%的&，爐料帶入與加工中不可避免雜質元素附、01丄6、5丨和Al的總量小於0. 05%, 金屬Mg元素為構成所有元素100 wt%的餘量。本實施例的Mg-9%Ho-4%Nd -0. 4%Zr鎂基合金熱處理後的力學性能為室溫抗 拉強度:347 MPa ；屈服強度:270 MPa ；伸長率8. 7%。250°C抗拉強度290 MPa ；屈服強度 215 MPa ；伸長率12. 9%。本實施例的Mg-9%Ho_4%Nd -0. 4%Zr鎂基合金的製備方法除添加Ho、Nd和rLr的重 量百分含量為9%Ho，4%Nd和0. 4%Zr，第二步的熔煉溫度為770°C，所用熔鹽為40 wt %的 KCl和60wt %的NaCl所構成二元混合鹽，其中KCl和NaCl的純度為99. 5 wt%，其餘同實 施例一。實施例三
本實施例的高鈥含量的鎂基合金為Mg-10%Ho-3%Nd -0. 4%Zr，10wt%的Ho、3wt%的Nd、 0. #{%的&，爐料帶入與加工中不可避免雜質元素附、01丄6、5丨和Al的總量小於0. 05%, 金屬Mg元素為構成所有元素100 wt%的餘量。
本實施例的Mg-10%Ho-3%Nd -0. 4%Zr鎂基合金熱處理後的力學性能為室溫抗 拉強度:375 MPa ；屈服強度:310 MPa ；伸長率7. 48%。250"C 抗拉強度:305 MPa ；屈服強度:265 MPa ；伸長率11. 46%。本實施例的Mg-10%Ho_3%Nd -0. 4%Zr鎂基合金的製備方法除添加Ho、Nd和Zr的 重量百分含量為10%Ho，3%Nd和0. 4%Zr，第二步的熔煉溫度為790°C，所用熔鹽為60 wt % 的KCl和40wt %的NaCl所構成二元混合鹽，其中KCl和NaCl的純度為99. 5 wt%,其餘同 實施例一。實施例四
如圖2所示，本實施例的高鈥含量的鎂基合金為Mg-9Ho-4Nd-0. 5Zr,9wt%的Ho3wt% 的Nd、0. 5wt%的Zr，爐料帶入與加工中不可避免雜質元素Ni、Cu、Fe、Si和Al的總量小於 0.05%，金屬Mg元素為構成所有元素100襯％的餘量。從圖2中可以看出，合金由等軸晶 組成，晶界細小，晶粒內部有第二相。本實施例的Mg-9Ho-4Nd_0. 5Zr鎂基合金的製備方法除添加Ho、Nd和rLr的重量百 分含量為9%Ho，4%Nd和0. 5%Zr，第二步的熔煉溫度為775°C，所用熔鹽為45 wt %的KCl和 55wt %的NaCl所構成二元混合鹽，其中KCl和NaCl的純度為99. 5 wt%，其餘同實施例一。實施例五
如圖3所示，本實施例的高鈥含量的鎂基合金為Mg-10Ho-3Nd-0. 5Zr, 10wt%的Ho、3wt% 的Nd、0. 5wt%的Zr，爐料帶入與加工中不可避免雜質元素Ni、Cu、Fe、Si和Al的總量小於 0. 05%，金屬Mg元素為構成所有元素100 wt%的餘量。本實施例的Mg-10Ho-3Nd_0. 5Zr鎂基合金的製備方法除添加Ho、Nd和rLr的重量 百分含量為10%Ho，3%Nd和0. 5%Zr，其餘同實施例一。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通 技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案 的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種高鈥含量的鎂基合金，其特徵在於該高鈥含量的鎂基合金的組成元素及重量 百分含量為8wt%-12wt% 鈥、3wt%-6wt% 釹和 0. 4wt%-0. 6wt% 鋯，雜質元素 Ni、Cu、Fe、Si 和 Al的總量小於0.05 wt %，餘量為鎂。
2.一種高鈥含量的鎂基合金的製備方法，其特徵在於包括如下步驟第一步，選料以市售純度為99. 95 wt %的Mg錠、99. 5 wt %的Mg-Ho和Mg-Nd中間合金錠和99. 5 wt %的中間合金錠為原料；其中Mg-Ho和Mg-Nd中間合金錠中的Ho和Nd佔合金重 量百分比的20% 30%，中間合金錠中的rLx佔合金重量百分比的30% ；第二步，配料與熔煉將第一步選好的原料配料，鈥、釹、鋯、鎂的重量百分含量為8wt%-12wt%鈥、 3 {%-6 丨％釹和0. 4wt%-0. 6wt%鋯，金屬Mg元素為構成所有元素100 wt%的餘量，爐料帶入 與加工中不可避免雜質元素Ni、Cu、Fe、Si和Al的總量小於0. 05%，按上述成份進行配料 和熔煉；該熔煉是在熔鹽保護下進行熔煉，熔煉溫度為770 790。C，所用熔鹽為40 60 wt %的KCl和60 40wt %的NaCl所構成二元混合鹽，其中KCl和NaCl的純度為99. 5 1%;熔煉爐為電阻爐；第三步，靜置合金與熔煉物出爐澆鑄澆鑄前、被熔煉物，即爐內合金液體，靜置15-25分鐘，降低爐內合金液體溫度到730 °〇作為澆鑄溫度，同時將金屬模具預熱到200-220 ！進行熔煉物出爐澆鑄。
3.如權利要求2所述的一種高鈥含量的鎂基合金的製備方法，其特徵在於在熔煉物 出爐澆鑄前進行出爐合金熱處理熱處理條件為在530°C保溫他的固溶處理，固溶處理的 出爐合金直接放入60 °C的水中進行冷淬，冷淬後的合金在250 ！進行人工時效，該人工 時間為80小時。
全文摘要
本發明公開了一種高鈥含量的鎂基合金及其製備方法，該高鈥含量的鎂基合金的組成元素及重量百分含量為8wt%-12wt%鈥、3wt%-6wt%釹和0.4wt%-0.6wt%鋯，雜質元素Ni、Cu、Fe、Si和Al的總量小於0.05wt%，餘量為鎂。本發明有助於解決現有技術中稀土鈥不能用於高溫高強稀土鎂基合金的缺陷，以期達到鈥這種稀土資源能夠合理和高效利用之目的，本發明的高鈥含量的鎂基合金具有優良的綜合力學性能，特別是溫度在250℃拉伸強度可以達到300MPa。
文檔編號C22C1/03GK102146544SQ201110074120
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月25日 優先權日2011年3月25日
發明者劉寶忠, 張寶慶, 張志 , 李強, 李雷, 範燕平 申請人:河南理工大學