专利名称：有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系镁合金及制备方法
技术领域：
本发明涉及有效利用稀土元素Y强化,M^金的方法及其制皿术，特别是一 种具有低密度、高强度、较好塑性的变形Mg-Zn-Y-Zr系镁合金材料~~ i晶相 强化齢金及制备该合金材料的方法。
背景技术：
镁合金作为一种新型的金属材料，具有密度低、比强度禾吡刚度高靴点， 这使得g金在航空航天和汽车等高新技术领域有着潜在的广泛应用前景。与其 它g金相比，由于Mg-Zn-Y-Zr变形g金在室温和高温下具有较高的屈服和 抗拉强度，所以关于其力学性能的研究报道有很多。5开究结果表明，Mg-Zn-Y-Zr 镁合金主要魏过准晶相I-]VfeZn6Y的形成来提高其力学性能的。因此，可以预 观!l，通过增加合金中准晶相的体积百始量可以使Mg-Zn-Y-Zr齢金的力学性 能得到显著的提高。迄今为止关于准晶相体积百M量对合金力学性能影响的文 献 隨只有一篇。文献(Mater. Sci. Eng. A (材料科学与工程)449-451 (2007) 987) 报道了在緒比为5的鹏下，通过增加合金元素辨Zn)和稀土元素柳，使 Mg-Zn-Y-Zr合金中准晶相的体积百分含量增加，从而使合金的强度得到显著的提 高。然而，该工作没有深入认识到准晶相的形成与Zn/Y比的关系，仅仅通过增 加銜Zn)和锐(Y)的重量百始量来提高合金的力学性能，这将使稀土元素Y X寸镁 合金的强化作用得不到有效的发挥。因此，为了充分发挥稀土元素Y对 Mg-Zn-Y-Zr g金的强化作用，提出一种新的准晶相形成与Zn/Y比的关系是目 前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于^f共一种有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系g金 及其制备方法，解决f給金准晶相强化等问题。在一定Y含量的鹏下，通过合 理选择合金中Zn/Y比，使弓l入到f鈴金基体中准晶相的体积百分含駄到最大， 制备出具剤氐密度、高强度、较好塑性的Mg-Zn-Y-Zr齢金。本发明的技术方案是
本发明的高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金材料其组分及其含量为锌(Zn)含量 为5 30%;钇(Y)含量为0.5~5%;锆(Zr)含量为0.3^0.8。/。和余量的镁(Mg)组成， 所有百分数为重量百分数；为使合金中准晶相的体积百分含皿到最大，锌和钇 的重量比值(Zn/Y)为6~15。
本发明的高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金材料，其抗拉强度为cr^290 360MPa， 屈月艮强度为cJofl75 260MPa，延伸率为5=10 18%，密度为1.8^2.73 g/cm3。
本发明最重要的发现在于通过选取合理的锌钇比(Zn/Y^6 15)，将引入到 Mg-Zn-Y-Zr g金材料的基体中准晶相的体积百分含Ki到最大(准晶相的体积 百力A量在6%~35%范围内)，使合金获得了较高的强度且保留着^i子的塑性。
本发明的内在机Sife要为准晶相的形成与Zn/Y比有关。在一定稀土元素Y 含量的鹏下，通过确定准晶相形成对应的最大Zn/Y比值，使合金中准晶相的 体积百^^駄到最大，从而有效地提高合金的力学性能。本发明合金成分是这 样确定的
本发明辨Zn)和忆(Y)含量分别为5~30%和0.5 5%，由于准晶相的引入与锌， 钇含量密切有关。在稀土元素Y含量一定时，当锌和钇的重量比值(Zn/Y)为6~15 时，锌和钇将以准晶相形式存在于合金基体中，而且随着Zn/Y比的增加准晶相 的体积百M量显著增加。因此，本发明通过合理控制Zn/Y比值，充分保证引 入到合金基体中的准晶相体积百^^Ki到最大，起到显著强化合金的目的。 本发明锆(Zr)含量为0.3~0.8%，可以使合金的晶粒得到有效细化。 本发明一种有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系^金的方法，包括控 制Zn/Y比，向合金基体中引入较多的准晶相和后续的热挤压加工。其具体冶炼 铸造和后续热挤压加工过程的具体步骤如下
1) 烘干及预热常规辅料(覆盖剂/RJ-5)的烘干温度为120~180°C;各种配 料与浇铸模具的预热温度为150~300°C;常用工具(搅拌器、掏渣勺、浇铸用料 勺等)在700 74(TC的熔融态洗像熔剂中清洗及预热。
2) 镁锭的熔化设定温度680 720。C，升温；当坩埚预热至暗红色(400~500 °C)时，清理柑埚内残渣，在坩埚内ia底部均匀地iLL一层覆盖剂/RJ-5;加入 已预热的镁锭，并在炉料上撒上一层覆盖剂/RJ-5;此过程中覆盖剂/RJ-5用量占
炉料重量的0.1 1.0%:继续升温。3) 锌的加入当辦#^达到720 74(TC时，在覆盖剂/RJ-5保护下加入 锌块，配料全部熔化后，搅动5 10^H中，使成分均匀。
4) 锆和稀土元素乾的加入:当合金熔ffijt达到780 800。C时，在覆盖剂/RJ-5 保护下加入纯紀和镁锆中间合金(Mg-33。/。Zr)，配料全部熔化后，搅动5 10分钟， 舰分均匀。
5) 熔体的精炼待温度为76(K780。C时，搅拌熔体7~10併中，使烙体自下 而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔体的波峰上撒以覆盖剂/RJ-5(避免燃烧或氧化)， 其用量为炉料总重的0.5~2.5%。
6) 熔体的保温静置精炼结束后，清除合金液表面、坩埚壁等处的熔渣，然 后在熔体表面撒以覆盖剂/RJ-5，用量以熔体表面不燃烧为准；将熔体升温至 800 820°C，保温静置3(M0辦中。
7) 浇铸成型将熔体降MM760 780。C，在0.6:1-1.4:1 (重量比)的硫磺 和硼酸混合粉糊尉户下进行浇铸，硫磺和硼酸的加入量占合金总重量的0.5~1%。
8) 挤压成型工序将铸锭在38042(TC下进行6~10小时的均匀化处理后， 进行剥皮。将剥皮后的#^定在鹏为38(M2(TC下进行变形加工成制品。
本发明的特点是
1、 本发明M合理控制合金元素中锌忆比(Zn/Y)，使引入到Mg-Zn-Y-Zr镁
合金基体中准晶相的体积百分含Ki到最大，充分发挥了稀土元素对^金强化 作用。
2、 本发明采用本发明方法获得了具有低密度、高强度、较好塑性的 Mg-Zn-Y-Zrg金，特别适合于轻质、高强、高韧的用材需求。
3、 本发明加工工艺操作简单、方便。
图1高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金(实施例1 、实施例3)的X-射线衍射谱。
图2 (a)画(c)高Zn/Y比Mg画Zn画Y画Zr齢金(实施例1、实施例3)的微 观组织扫描电镜照片。
图3高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr g金(实施例1 、实施例2、实施例3)的室温 下力学性能。
具体实施例方式
下面i!31实施例详述本发明。实施例1
I )、合金组成
按下列配比配制40千克高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr g金材料所称取出的各元 素为辨Zn) 2.4千克、钇(Y) 0.4千克、镁锆中间合金(Mg-33y。Zr) 1千克和余量 的镁(Mg)。按重量百分比计，合金成分为Mg-6%Zn-l%Y-0.4%Zn，合金中Zn/Y 比为6。
11)、合金冶炼及铸造
合金的冶炼在一个80千克容量的埘埚和电阻炉中进行。钳埚和铸造用模具采 用低碳钢材质。下面以实施例1为例，详细阐述合金的冶炼和铸造工艺。
1) 设定坩埚目标MS为68(TC，开始加热；然后将纯镁、纯锌、纯忆、镁锆 中间合金(Mg-33o/oZr)等各种配料放在烘箱中预热至150。C，同时将覆盖剂/RJ-5放 入烘箱中烘烤；将浇铸用模具在另外的箱式炉中预热至30(TC。
2) 当坩埚升驢40(TC时，清理坩埚内残渣，在柑埚内舰底部均匀地撒上 一层覆盖剂/RJ-5;然后将预热好的纯镁配料方iA埘埚内，并在炉料上l[Jl一层覆 盖剂/RJ-5;此过程中覆盖剂/^-5用量占炉料重量的0.6%，继续升温。
3)等纯镁配料熔化并且坩埚鹏稳定在72(TC后，加入预热的纯锌，然后熔 体进行搅拌约6分钟，此过程中，酌情加入已烘烤的覆盖剂/RJ-5进行保护，以表 面不燃为准。
4) 待坩埚温度升至790"C后，加入纯钇和镁锆中间合金(Mg-33y。Zr)，搅拌6 分钟将其熔化，然后静置3分钟；在此过程中加入覆盖剂/RJ-5进行保护，覆盖剂 /RJ-5的加入量为炉料重量的0.6M。
5) 待坩埚温度降至780。C时，X寸熔体进行精炼，搅拌熔体10分钟，4鹏体自 下而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔体的波峰上(熔微峰指在搅拌熔体时，熔 体自下而上翻滚所引起的液面波动，其中波动较大处为熔#^峰位置)撒以覆盖 齐U/RJ-5，覆盖剂/RJ-5加入量为炉料总重的2y。。
6) 精炼结束后，清除合金液表面、柑埚壁等处的熔渣，然后熔体表面撒以覆 盖剂/RJ-5，用量以熔体表面不燃烧为准；坩埚温度稳定在80(TC后，熔体静置30 分钟。然后，在覆盖剂/RJ-5的保护下进行掏渣。
7) 掏渣完毕后，维持柑埚温度稳定在780。C，在0.8:1 (重量比)的硫磺和硼 酸混合粉料^t户下浇铸成型，硫磺和硼酸的加入量占合金总重量的0.6%。m)、热挤压加工
1) 将剥皮后的铸锭在40(TC下进行8小时的均匀化处理。
2) 将铸锭剥皮。
3) 将均匀化处理后的^f定在42(TC下进行变形加工成制品，挤压比为5。 W)、微见组织表征
组织观察的样品其制备过程如下采用1000号碳化硅水磨砂纸磨平表面；然 后采用油基金刚石研磨膏机,光；合金中主要相经X-射线衍射分析为cx-Mg、 和Mg3Zn6Y (准晶相I-phase)， X-射线图谱列在附图1上；M配有能谱装置的 电子扫描显微镜(Philips XL30 ESEM-FEG/EDAX)上可以确定合金中准晶相的分 布，相应的扫描电镜照片列在附图2(a)上。本实施例中，准晶相的体积百分含量 为6%。
V)、力学性能测试
合金的室温力学拉伸性能样品参考中国国标GB 228-76制备。拉伸样品为圆 棒状，其轴线方向平行于材料的纵向，i辦标准长度为25mm，直径为5mm。拉 伸试验的应变速率为lXl(rV。拉伸i^验在MTS(858.01M)拉扭i纖丰/Lhit行。 该fl^金的材料的抗拉强度为290MPa，屈服强度为175MPa，延伸率为6=17%， 密度为1.84g/cm3，相应的拉伸曲线列在附图3的序号1上。
实施例2 I )、合金组成
按下列配比配置40千克高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr ^金材料所称取出的各元 素为辨Zn)3,2千克、f乙(Y)0.4千克、镁锆中间合金(Mg-33。/。Zr) 1千克和余量 的镁(Mg)。按重量百分比计，合金成分为Mg-8%Zn-l%Y-0.4%Zn，合金中Zn/Y 比为8。
II) 、合金冶炼及铸造
参考实施例1的冶炼及铸造。不同之处在于两者的辨Zn)含量不同。
III) 、热挤压加工 参考实施例1的挤压工序。 W)、微见组织表征
参考实施例1的mH组织表征。合金中主要相为a-Mg和M&ZneY (准晶相I-phase);与实施例l中合金相比，该合金中的准晶相I-phase的体积百分含量明 显增加。本实施例中，准晶相的体积百^^量为10%。 V)、力学性能测试
参考实施例1的力学性能测试。该,給金的材料的抗拉强度为300MPa，屈 服强度为201MPa，延伸率为5=14%，密度为1.91 g/cm3，相应的拉伸曲线列在附 图3的序号2上。
实施例3
I )、合金组成
按下列配比配置40千克高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr ,M^金材料所称取出的各元 素为辨Zn)4千克、钇(Y)0.4千克、镁锆中间合金(Mg-33MZr)l千克和余量的 镁(Mg)。按重量百分比计，合金成分为Mg-10%Zn-l%Y-0.4%Zn，合金中Zn/Y比 为10。
II )、合金冶炼及铸造
参考实施例1的冶炼及铸造。不同之处在于两者的辨Zn)含量不同。 III)、热挤压加工 参考实施例1的挤压工序。 W)、微见组织表征
参考实施例1的微观组织表征。合金中主要相为oc-Mg和MgsZneY (准晶相 I-phase)，相应X-射线图谱列在附图1上；与实施例1中的合金相比，该合金中 准晶相I-phase的体积百分含量显著增加，相应的扫描电晶照片列在附图2(b)上， 准晶相的局部放大照片列在附图2(c)上。本实施例中，准晶相的体积百M量为
V)、力学性能测试
参考实施例1的力学性能测试。该^金的材料的抗拉强度为320MPa，屈 服强度为232MPa，延伸率为5=13%，密度为1.98 g/cm3，相应的拉伸曲线列在附 图3的序号3上。
权利要求
1、一种有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系镁合金，其特征在于合金中锌和钇的重量比值Zn/Y为6～15。
2、 按照权利要求1戶诚的有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系齢金， 其特征在于按重量百分比计，合金中锌含量优选范围为5~30%;钇含量优选范 围为0.5 5%;锆含量优选范围为0.3~0.8%;镁余量。
3、 按照权利要求1所述的有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系ff^金， 其特征在于合金的抗拉强度为cj^290 360MPa;合金的屈服强度为 cj0.2=175~260MPa;合金的延伸率为5=10~18%;合金的密度为1.84~2.73g/cm3。
4、 按照权利要求1所述的有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系^*金的 制备方法，其特征在于，合，炼及后续热挤压加工变形过程如下1) 按锌紀重量比Zn/Y+15比称取出合金元素锌和钇；2) 在驢为680 72(TC时，加入合金原料纯镁和覆盖剂，进行熔化；3) 在鹏升至720 740。C时，在覆盖剂的保护下加入合金元素纯锌；4) 在温度升至78(K800。C时，在覆盖剂的保护下加入合金元素纯钇和 Mg-33%Zr镁锆中间合金；5) 在温度为760 78(TC时，对合錢行精炼，在熔体的波峰上撒以鶴剂；6) 在，为800 820。C，在熔体表面撒以S^剂，保温静置3(K40分钟；7) 在^为760 780。C时，进行浇铸；8) 将剥皮后的铸锭在38(M20"C下进行6 10小时的均匀化处理；9) 将辦定剥皮；10) 将均匀化处理后的铸f定在38(K42(TC下进行变形加工成制品。
5、 按照权利要求4所述的有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系镁合金的 制备方法，其特征在于在浇铸时，用重量比0.6:1 1.4:1的硫磺和硼酸混合粉 料进行保护，硫磺和硼酸的加入量占合金总重量的0.5~1%。
全文摘要
本发明涉及有效利用稀土元素Y强化镁合金及其制备技术，特别是一种准晶相强化Mg-Zn-Y-Zr系镁合金及其制备方法，解决了镁合金强化等问题。在Y含量一定的前提下，通过合理选择合金中锌钇比(Zn/Y＝6～15)，使引入到镁合金基体中准晶相的体积百分含量达到最大，制备出具有低密度、高强度、较好塑性的Mg-Zn-Y-Zr镁合金。该镁合金材料的组分及其含量为锌(Zn)含量为5～30％；钇(Y)含量为0.5～5％；锆(Zr)含量为0.3～0.8％和余量的镁(Mg)组成，所有百分数为重量百分数。经合金熔炼及后续热挤压加工变形成制品，其加工工艺操作简单、方便。本发明材料的抗拉强度为σ<sub>b</sub>＝290～360MPa，屈服强度为σ<sub>0.2</sub>＝175～260MPa，延伸率为δ＝10～18％，密度为1.84～2.73g/cm<sup>3</sup>。
文档编号C22C23/00GK101314829SQ20071001150
公开日2008年12月3日 申请日期2007年5月30日 优先权日2007年5月30日
发明者路 刘, 许道奎, 陈荣石, 韩恩厚, 高国忠 申请人:中国科学院金属研究所