专利名称：高强度耐热镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料技术领域的合金及其制备方法，具体的说，涉及的是一种高强度耐热镁合金及其制备方法。
背景技术：
强度不足和耐热性不佳严重阻碍了镁合金在航空航天、军工及其它行业中替代铝合金等材料的步伐。稀土元素，尤其是Y、Nd等，在提高镁合金强度、耐热性等方面作用显著。Sm与Nd同属于Ce组稀土元素。Sm原子序数62，在镁中的最大固溶度为5.8mass％(0.99at％)，与镁生成的平衡相为Mg41Sm5，共晶温度为815K。Sm在镁中的最大固溶度比Nd在镁中的最大固溶度3.6mass％(0.63at％)大，因此，可能产生比Nd更良好的固溶强化和时效强化作用。而Y组重稀土元素从Gd到Lu由于在Mg中的固溶度很大，需要10wt％以上的的含量才能够达到同样的强化效果。可见，将WE系列镁合金中的Nd元素用Sm代替，由于Sm高的固溶度，可能会得到更佳的固溶强化以及时效析出强化效果，得到更佳的综合机械性能。同时可以限制合金的重量与成本在一个可以接受的范围内。Y与Sm同属于稀土元素，在Mg固溶体中时效析出纳米级的析出相，这类析出相热稳定性强，不仅可以显著提高合金室温的强度，而且对保持合金的高温强度起到重要作用。
经对现有技术的文献检索发现，L.L.Rokhlin等在《Magnesium AlloysContaining Rare Earth Metals》(《稀土镁合金》)(Taylor and Francis Group，2003)一书中指出，根据稀土元素核外电子排布的不同，稀土元素可以分为两组Ce组和Y组。Ce组稀土元素包括La、Ce、Pr、Nd、Sm。Ce组稀土元素在镁基体中固溶度较小；Y组稀土元素包括Y、Gd、Tb、Dy、Er、Ho、Tm、Lu。Y组稀土元素在镁基体中固溶度很大，强化效果非常明显。属于不同组的两种或多种稀土元素混合加入镁基体，合金的析出动力学及析出相序列变得更为复杂，而且可以进一步提高镁合金强度。两种不同组稀土元素混合加入镁合金，其复合强化效果比单独加入相同数量的单种稀土元素更明显。该书中同时表明，传统的铸造WE54合金经T6处理后，室温抗拉强度为255MPa，屈服强度为179MPa，延伸率为2.0％。其不足在于较低的室温性能限制了WE54合金的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高强度耐热镁合金及其制备方法，通过添加合金元素Sm代替WE系列合金中的Nd，并通过适当的熔炼及热处理工艺条件，获得高强度耐热镁合金，使得此类镁合金具有比传统WE系列商业镁合金优越的室温强度、高温强度等力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的高强度耐热镁合金，其组分及重量百分比为3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
本发明采用Y为第一组分，因为Y在200℃在Mg固溶体中的固溶度为2.2wt％，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Y的加入量不低于3wt％，而Y在Mg固溶体中的最大固溶度为12.4wt％，又为了避免合金成分和密度增加太多，以及合金过分脆化，Y的加入量不高于12wt％。采用Sm为第二组分，Sm可以降低Y在Mg中的固溶度，从而增加Y的时效析出强化效应，另外Sm的加入也可以提前时效硬度峰值的出现。Sm在Mg中的最大固溶度为5.8wt％，因此Sm的加入量应不高于6wt％，又为了充分发挥Sm的固溶强化及时效析出强化作用，Sm的加入量应不低于2wt％。采用Zr作为晶粒细化剂，以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能。
本发明还提供上述的高强度耐热镁合金的制备方法，具体为将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到180-220℃，然后将纯镁放入有气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在720-740℃加入Mg-Y、Mg-Sm中间合金，升温到750-770℃加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣、搅拌、精炼，精炼后静置，待镁液降温至720-740℃后进行浇铸，浇铸用刚制模具预先加热至180-220℃，得到本发明Mg-Y-Sm-Zr高强度耐热镁合金。
本发明还可以通过以下的热处理工艺进一步提高合金的力学性能。热处理工艺包括固溶处理和时效处理，具体为将得到的Mg-Y-Sm-Zr合金在经500-550℃、6-12小时的固溶处理后，在175-250℃的温度下进行6-50小时时效处理。
本发明的Mg-Y-Sm-Zr镁合金的室温强度及高温瞬时拉伸强度相对于WE系列合金得到显著提高。以Mg-4Y-3.5Sm-0.5Zr为例，经过热处理后室温抗拉强度为350MPa，延伸率为7.0％，200℃抗拉强度为318MPa，250℃抗拉强度为274MPa；而相同条件下WE54合金的室温抗拉强度为280MPa，延伸率为4.0％，200℃抗拉强度为241MPa，250℃抗拉强度为230MPa。Mg-Y-Sm-Zr合金的机械性能明显高于WE54合金。
具体实施例方式
结合本发明技术方案的内容提供以下实施例实施例1合金的成分(重量百分比)为3.0％Y，4.0％Sm，0.5％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃，然后将纯镁放入有CO2/SF6气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在730℃加入Mg-Y中间合金，Mg-Y熔化后镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Sm中间合金，升温到760℃保温30分钟，然后加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，搅拌3分钟，再将镁液温度升至760℃保温20分钟后760℃精炼6分钟，精炼后升温到770℃以上，静置30分钟，待镁液降温至730℃后进行浇铸，浇铸用刚制模具预先加热至200℃，得到Mg-3Y-4Sm-0.5Zr合金。合金的热处理工艺为500℃固溶处理6小时，175℃等温时效6小时。
本实施例所得的合金，其室温抗拉强度为337MPa，屈服强度为215MPa，延伸率为10.0％，200℃的抗拉强度为313MPa，250℃的抗拉强度为271MPa。
实施例2合金的成分(重量百分比)为6.0％Y，6.0％Sm，0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃，然后将纯镁放入有CO2/SF6气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在730℃加入Mg-Y中间合金，Mg-Y熔化后镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Sm中间合金，升温到760℃保温30分钟，然后加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，搅拌3分钟，再将镁液温度升至760℃保温20分钟后760℃精炼6分钟，精炼后升温到770℃以上，静置30分钟，待镁液降温至730℃后进行浇铸，浇铸用刚制模具预先加热至200℃，得到Mg-6Y-6Sm-0.8Zr合金。合金的热处理工艺为525℃固溶处理8小时，200℃等温时效16小时。
本实施例所得的合金，其室温抗拉强度为316MPa，屈服强度为230MPa，延伸率为1.9％，200℃的抗拉强度为308MPa，250℃的抗拉强度为282MPa。
实施例3合金的成分(重量百分比)为12.0％Y，2.0％Sm，0.35％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃，然后将纯镁放入有CO2/SF6气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在730℃加入Mg-Y中间合金，Mg-Y熔化后镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Sm中间合金，升温到760℃保温30分钟，然后加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，搅拌3分钟，再将镁液温度升至760℃保温20分钟后760℃精炼6分钟，精炼后升温到770℃以上，静置30分钟，待镁液降温至730℃后进行浇铸，浇铸用刚制模具预先加热至200℃，得到Mg-12Y-2Sm-0.35Zr合金。合金的热处理工艺为550℃固溶处理12小时，250℃等温时效48小时。
本实施例所得的合金，其室温抗拉强度为365MPa，屈服强度为245MPa，延伸率为3.0％，200℃的抗拉强度为331MPa，250℃的抗拉强度为312MPa。
权利要求
1.一种高强度耐热镁合金，其特征在于组分及重量百分比为3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
2.一种高强度耐热镁合金的制备方法，其特征在于所述的高强度耐热镁合金组分及重量百分比为3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg，制备方法为先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热，然后将纯镁放入有气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后加入Mg-Y、Mg-Sm中间合金，升温加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣、搅拌、精炼，精炼后静置，待镁液降温后进行浇铸，得到Mg-Y-Sm-Zr合金。
3.根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法，其特征是纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热温度为180-220℃。
4.根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法，其特征是待镁锭熔化后在720-740℃加入Mg-Y、Mg-Sm中间合金，升温到750-770℃加入Mg-Zr中间合金。
5.根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法，其特征是待镁液降温至720-740℃后进行浇铸。
6.根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法，其特征是浇铸用刚制模具预先加热至180-220℃。
7.根据权利要求2的高强度耐热镁合金的制备方法，其特征是将Mg-Y-Sm-Zr合金进行500-550℃、6-12小时的固溶处理。
8.根据权利要求3的高强度耐热镁合金的制备方法，其特征是将经固溶处理后的Mg-Y-Sm-Zr合金在175-250℃的温度下进行6-50小时的时效处理。
全文摘要
一种金属材料技术领域的高强度耐热镁合金及其制备方法，镁合金的组分及其重量百分比为3－12％Y、2－6％Sm、0.35－0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg，熔炼时分别以Mg－Y、Mg－Sm、Mg－Zr中间合金的形式向镁熔体中添加Y、Sm、Zr，熔炼后得到的镁合金在经500－550℃、6－12小时的固溶处理后，在175－250℃的温度下进行6－50小时时效处理提高其强度。本发明通过添加合金元素Sm代替WE系列合金中的Nd，并通过熔炼及热处理工艺条件，获得高强度耐热镁合金，此类镁合金具有比传统WE系列商业镁合金优越的室温强度、高温强度等力学性能。
文档编号C22C1/03GK1814837SQ20061002408
公开日2006年8月9日 申请日期2006年2月23日 优先权日2006年2月23日
发明者李大全, 王渠东, 丁文江 申请人:上海交通大学