一种高强度铸造镁合金及其熔制方法

专利名称：一种高强度铸造镁合金及其熔制方法
技术领域：
本发明涉及金属材料和冶金技术领域，特别提供了一种高强度铸造镁合金及其熔
制方法。
背景技术：
镁合金是目前最轻、比强度最高的结构金属材料，在航空航天和汽车制造领域应用越来越广。目前工业化应用的镁合金零件中的绝大部分是用铸造方法成形的。随铸造镁合金应用领域的扩展，对铸造镁合金的常温和高温力学性能提出了更高的要求。现有的铸造镁合金不足之处是绝对强度比较低，例如目前应用很广的铸造镁合金AZ91抗拉强度最高达到280Mpa，强度最高的美国标准牌号铸造镁合金ZK61抗拉强度最高也只能达到310Mpa。高温条件下使用的工件对镁合金有很大需求，目前获得广泛工程应用的高温强度最好的WE系列稀土耐热镁合金，其工作温度可以达250°C。 然而随航空航天和汽车制造业进一步发展，对铸造镁合金的常温和高温力学性能提出了更高的要求，例如发动机气缸盖、缸体、活塞裙和油盘，导弹壳体等。需要发展常温抗拉强度达到320Mpa以上，能够在300°C以上温度下具有比WE系列合金更高强度的新型高强度铸造镁合金。 稀土元素在镁中有很好的固溶强化和析出强化作用，并且能够显著提高镁合金的热强性，因此发展高强度耐高温镁合金主要通过添加稀土元素来实现。现有国外的WE43和WE54以及我国的ZM6等就是Y、Nd等稀土元素强化的耐热镁合金。研究发现许多稀土元素在提高镁合金的强度，特别是耐热性方面作用明显。已有研究表明Gd和Y联合加入镁中，具有良好的强化作用，能明显提高镁合金的强度和热强性。Rkhlin开发了Mg9.3XGd 4.8%Y0.6XM合金，该合金经热挤压后在T5态下常温抗拉强度可达到400Mpa以上，但铸造状态下常温伸长率几乎为零。文献1 :Rkhlin L L，NiKitina N I. Magnesium-gadolinium andmagnesium-yttrium alloys[J] ZMetallkd，1994，85(12) :819 823.
Kamado等开发的Mg-10Gd-3Y_0. 4Zr合金经轧制后在常温抗拉强度可达到460Mpa，但伸长率不足0. 5 % ， 300°C高温抗拉强度达到230Mpa，伸长率为9%。文献2:S. Kamado， Y. Kojima， R. Ninomiya， K. Kubota， in :G. W. Lorimer (Ed. ) ， Proceedings ofthe Third International Magnesi咖ConfeREnce， 1996， Institute of Materials,Manchester, UK，1997， p. 327
张新明等文献3 :中国有色金属学报2006年第16巻第2期219-227页制备了合金Mg-9Gd-4Y-0. 65Mn和Mg-9Gd-4Y_0. 6Zr，并挤压成棒材，获得的最好力学性能是Mg-9Gd-4Y-0. 6Zr合金挤压T5态在室温下的抗拉强度370MPa，伸长率3. 5%，300"时抗拉强度210MPa，没有关于合金铸造态力学性能方面的研究。 童炎等文献4 :轻金属2007年第3期45_49页为了开发高强度高温耐热镁合金，制备了 Mg-13Gd-3Y-0. 4Zr(GW133K)合金，此合金在优化后抗拉强度为300MP，稍高于现有合金WE54，与ZK61A和AZ91的常温强度处于同一水平。
中国专利"高强度抗蠕变镁合金及其制备方法"文献5 :申请号200610141358. 1
提出的镁合金的组分及其重量百分比为6%《Y《12%、l%《Gd《6%、0. 5%《Zn《3%、0《Zr《0. 9%，其余为Mg和不可避免的杂质。该专利合金铸造态经固溶和时效处理后常温最好力学性能数据是抗拉强度291. 95MPa，伸长率2. 46%，常温力学性能不够理想。 中国专利"一种镁合金及其制备方法"文献6 :申请号200610144003. 8提出的镁合金的成份含量为Gd 7 llwt%，Y 2 5wt%，Zr 0. 3 0. 6wt%，Zn 0 1. 0%，其余为Mg和不可避免的杂质元素，该合金的制备方法包括合金熔炼、精炼、铸造铸锭、固溶、挤压变形以及两种人工时效方法，制成高强韧性耐热镁合金挤压棒材，得到的室温拉伸力学性能为抗拉强度o b = 360 480MPa， ， S 5 = 3 21% ;该专利提出的是一种变形合金。
中国专利"高强度耐热镁合金的制备方法"文献7 :专利号200510025251. 6的镁合金的组分及其重量百分比为6 15% Gd、1 6% Y、0. 35 0. 8% Zr，O 1. 5% Ca，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-Gd、 Mg-Y、 Mg-Zr中间合金的形式向镁熔体中添加Gd、Y、Zr，熔炼后得到的镁合金在经450 500°C，6 12小时的固溶处理后，在350 45(TC的温度下进行挤压，对挤压棒进行225°C X 10 16小时的时效处理后其抗拉强度369 459MPa，伸长率5. 1 20. 5% ;专利文件中提到该合金也可以在铸造态下使用。 中国专利"高强耐热稀土镁合金"文献8 :申请号200610031169. 9公开了一种高强耐热稀土镁合金，这种稀土镁合金包括2 10%重量比的钆(Gd)、3 12%重量比的钇(Y)，并且选择加入不大于0. 3%的Cu、 Si、 Sn等元素中的一种，其余为镁，该合金作为变形镁合金使用，又可以作为铸造镁合金使用；该合金不足之处是加入Cu会显著降低合金的耐腐蚀性，加入Si会显著降低铸造态合金的力学性能。 中国专利"高强耐热变形镁合金"文献9 :申请号200710018106. 4提供一种可在25t: 30(TC长期使用的新型高强耐热变形镁合金，其中各组分的重量百分比(wt%)为Gd 4. 5 12. 5、Y 2. 5 5. 0、Zn 0. 2 1. 0、Zr 0. 2 1. 0、Mn 0. 1 0. 5，该高强耐热镁合金中、Si < 0. 025、Fe < 0. 003、Ni < 0. 003、Cu < 0. 003、Cl < 0. 003，其余为镁，该发明合金为变形镁合金。对高合金含量的Gd、Y强化铸造镁合金来说，含Zn量超过0. 2wt^，铸造态合金热处理后的延伸率会降低。 中国专利"抗蠕变镁合金及其制备方法文献10 :申请号200710118287. 8公开一种抗蠕变镁合金，该镁合金的成份及其重量百分比为1. 5 10% Y，O. 15 2. 0% Zr，0. 3 2. 0% Nd，2. 5 8^Gd，及Sm、Dy、Tb、Ho、Er、Tm和Eu中一种或几种，其中，0 1. 5%Sm，O 5% Dy，O 5t% Tb，O 5% Ho，O 5% Er，O 5% Tm，O 5% Eu，其余为Mg，该合金通过变形加工制成型材，也可以铸造成铸件。该合金中没有添加元素Zn和Mn，可添加的稀土元素中也不包括La、 Ce、 Pr、 Yb。 中国专利"一种高强度的耐热镁合金及其熔炼方法"文献11 :申请号200610112622. 9公开一种高强度的耐热镁合金，其成份含量为Y为4. 5 10wt% ， Gd为0 8wt%，Dy为0 5wt%，Tb为0 5wt%，Ho为0 5wt%，Er为0 5wt^，Tm为0 5wt%， Nd为2 4. 5wt%， Sm为0 3. 5wt^，其余为Mg，该合金通过变形加工制成型材，也可以铸造成铸件。金属Y及其合金的价格显著高于金属Gd及其合金，该合金中的Y含量
5高于Gd含量会增加合金成本，该合金没有添加元素Zn和Mn。 中国专禾U "—种耐热镁基稀土合金及其制备方法"文献12 :申请号200610131696. 7公开的合金组成及重量百分比为6 8% Gd， 1 5% R， 0. 3 0. 6% Zr，杂质元素Ni、Cu、Fe、Si和Al的总量不大于0. 05%，其余为Mg ;组成通式为Mg-(6 8% )Gd-(l 5% )R-(0.3 0.6% )Zr。其中，R代表Nd或Sm或MY或Dy或Ho或Er ;该合金中的稀土RE总量范围控制在7X 13%。该合金的Gd的含量偏低，不能充分发挥Gd的强化作用，并且该合金没有添加元素Zn和Mn。 从已有的专利和文献分析可见，现有的高强度耐热镁合金开发主要注重于变形镁合金材料，对铸造镁合金研究开发比较少，已开发的可用于铸造的镁合金综合性能还不够理想。因此开发适合直接生产铸件的新的高强度镁合金及其制备技术是十分必要的。

发明内容
本发明的目的是提供一种以Gd和Y为主要合金元素，以多元稀土 RE和Zn、 Mn为辅助合金化元素和用Zr细化处理的强度高，耐热性能优异，适合用铸造方法制成工件的镁合金及其熔制方法。 本发明一种高强度铸造镁合金，其特征在于其组成成份包括Gd、 Y、 RE、 Zn、 Mn、Zr ;各组成成份所占的质量百分含量是Gd :8. 1 11. 5%，Y :1. 0 4. 5%，RE :0. 01 3. 0%，Zn :0. 01 0. 2%，Mn :0 0. 18%， Zr《1. 0%，且(Gd+Y+RE)《15. 5% ;Mg及不可避免的杂质余量。
本发明合金中的锆Zr是作为合金晶粒细化剂而添加的，锆的适合加入量由其对试样断口的晶粒有否细化作用确定，而不是按最终合金中的含锆量需要确定。Zr可以不添加，但如果添加，最大添加量为合金质量百分含量的1. 0%。 在本发明高强度铸造镁合金的合金成份设计方面采用Gd和Y为主要合金元素联合强化，同时以多元稀土 RE和Zn、Mn为辅助元素，对合金进行进一步强化。
本发明所述高强度铸造镁合金，其特征在于所述高强度铸造镁合金中各组成成份及其所占的质量百分含量具体是以下四种情况之一 l)Gd :8. 1 11. 5%， Y :1. 0 4. 5%， RE :0. 01 3. 0%， Zn :0. 01 0. 2%， Mn :0 0. 18%， Zr《1. 0%， Mg及不可避免的杂质余量；其中(Gd+Y+RE)《15. 5% ;
2)Gd :8. 1 11. 5 %， Y :1. 0 4. 5 %， RE :0. 01 3. 0 %， Zn :0. 01 0. 2 %，Mn :0 0. 18%， Zr《1. 0%， Be :0. 0001 0. 002%， Mg及不可避免的杂质余量；其中(Gd+Y+RE)《15. 5% ; 3)Gd :8. 1 11. 5 %， Y :1. 0 4. 5 %， RE :0. 01 3. 0 %， Zn :0. 01 0. 2 %，Mn :0 0. 18 % ， Zr《1. 0 % ， CaO. 01 0. 2X，Mg及不可避免的杂质余量；其中(Gd+Y+RE)《15. 5% ; 4)Gd :8. 1 11. 5%， Y :1. 0 4. 5%， RE :0. 01 3. 0%， Zn :0. 01 02%， Mn :0 0. 18%， Zr《1. 0%， Be :0. 0001 0. 002%， CaO. 01 0. 2% ， Mg及不可避免的杂质余量；其中(Gd+Y+RE)《15. 5%。 为了进一步增强技术效果，所述高强度铸造镁合金中RE的具体要求为La、Ce、Pr、Nd、 Sm、 Dy、 Er、 Yb、 Ho中的一种或其任意组合。
优选的进一步要求是考虑到各稀土元素在镁合金中的溶解度和存在形式，依据这些确定加入各元素的质量分数。所述高强度铸造镁合金中RE的具体组成包含有La、Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Dy、 Er、 Yb、 Ho中的至少一种，上述各元素的含量要求分别是La :0. 01 0. 3 %、 Ce :0. 01 0. 3 %、 Yb :0. 01 0. 3 %、 Pr :0. 01 3. 0 %、 Nd :0. 01 3. 0 %、Sm :0. 01 3. 0 %、 Dy :0. 01 3. 0 %、 Er :0. 01 3. 0 %、 Ho :0. 01 3. 0 %，并且其中(La+Ce+Yb)《0. 5%。 La、Ce和Yb在镁合金中的固态溶解度很低，因此要很好控制其在镁合金中的上限加入量。本发明高强度铸造镁合金的合金成份中稀土元素加入量上限的设计原则是在合金
固溶处理时，所有的稀土元素都能够固溶到合金基体中，或者有很少量稀土和镁的金属间化合物呈粒状或短条状，以不连续的方式残存于晶界或晶粒内，这种断续分布的粒状或短条状析出相对合金有一定的强化作用；严格避免固溶处理后在晶界还存有连续网状未溶解相。因此不但要限制每个元素上限加入量，还要限制各个稀土元素的联合加入量。稀土量超过规定上限会显著降低合金的力学性能，特别是合金韧性。 合金中加入0. 01 % 0. 20%的Zn可以提高合金的高温抗蠕变性能(见附图2)，过高的锌对合金韧性不利。合金中加入少量Mn的主要作用是在对合金液进行细化处理之前，加入的Mn会与合金液中的Fe及其他重金属元素结合，去除合金液中的部分Fe及其他重金属元素，提高合金的耐腐蚀性能，同时可以节省合金液进行细化处理时锆的加入量(参见附图1)。 镁合金液中还可以进一步加入0.0001 0. 002wt^的Be，或0. 01 0. 2wt^的Ca，或者可以把两者同时加入，其的作用是减少镁合金的氧化，改善镁合金液表面氧化膜的致密性，在后来向合金液中添加稀土元素时可以减少稀土的烧损，提高稀土元素吸收率，同时也可以降低铸件铸造过程中的氧化，减少铸件氧化夹渣倾向。 另外的优选要求是所述高强度铸造镁合金中所包含的杂质元素的质量分数要求为Fe < 0. 006%、Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、A1 < 0. 01%、Si < 0. 01%。其中Fe、Cu和Ni高于此限量会明显降低合金耐腐蚀性能，Si和Fe过高会降低合金力学性能，特别是合金韧性，A1高于此限会降低锆对合金的组织细化作用，使合金组织粗化，铸件的强度和韧性降低。 如上所述高强度铸造镁合金的熔制方法，其特征在于所述高强度铸造镁合金的熔制方法如下 1)首先在坩埚预热后加入回炉料和镁锭；
2)把熔体升温至700 740°C，加入锌和锰； 3)继续升温至760 800°C ，先加入RE或Mg-RE中间合金，并搅拌，待溶清后再加入Y和Gd或Mg-Y和Mg-Gd中间合金； 4)把熔体温度调整至785 830°C ，加入Mg-Zr中间合金进行晶粒细化处理；
5)熔体降温至750 78(TC进行精炼处理； 6)精炼处理后升温至780 80(TC静置，再降温至浇注温度浇注铸件。
所述高强度铸造镁合金的熔制方法优选如下 1)首先在坩埚预热并清洗干净后加入回炉料和镁锭，快速加热熔化，在熔化过程中使用镁合金专用保护性气体或溶剂对镁液面进行保护；
2)把熔体升温至700 74(TC加入锌和锰，并适当搅拌； 3)继续升温至780 800°C ，先加入RE或Mg-RE中间合金，并搅拌，待溶清后再加入Y和Gd或Mg-Y和Mg-Gd中间合金，并搅拌均匀； 4)把熔体温度调整至790 830°C ，加入Mg-Zr中间合金进行晶粒细化处理，过程
中进行搅拌直至试样细化程度合格； 5)熔体降温至750 78(TC进行精炼处理； 6)精炼处理后升温至780 80(TC，静置20分钟以上，再降温至浇注温度浇注铸件。 在本发明所述高强度铸造镁合金的熔制方法中，在将坩埚预热并清洗干净后加入回炉料和镁锭，快速加热熔化达到熔清之后；和向熔体中加入锌和锰之前，还进行如下操作 把熔体升温到670 700°C ，向熔体中加入称量好并经预热的Mg-Be合金，或加入
称量好并经预热的纯金属钙，或同时加入以上两种。 本发明的显著特点和实质性技术进步有 1、本发明高强度铸造镁合金的合金成份设计方面同时以多元稀土 RE和Zn、 Mn为
辅助强化元素，对Gd和Y为主要合金元素的镁合金合金进行进一步强化； 2、本发明限量加入的多元稀土 RE不但包括重稀土，还包括La、 Ce、 Pr、 Nd等轻稀
土，多元稀土元素共同增加合金的固溶强化和晶界效果，同时还为灵活运用稀土资源，尽量
降低合金原料成本创造了条件，例如可以大幅降低对Gd和Y的纯度要求，有的情况下可用
混合稀土代替纯稀土，从而降低合金原料成本。 本发明相对于现有技术而言，具有晶粒更微细化均匀，铸造性能显著提高(见图3)，合金其它性能参数也明显优于现有技术。


下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明
图1为本发明所述高强度铸造镁合金中含Zr量与含Mn量的关系原理 图2为在350°C 、50Mpa恒压应力、100h条件下发明合金的压縮蠕变率与含Zn量的关系原理图； 图2中的a组试验是实施例1合金与同样配料成份但没有加Zn和加0. 32wt % Zn两种合金的压縮蠕变率对比，b组试验是实施例4合金与同样配料成份但没有加Zn合金的压縮蠕变率对比，c组试验是实施例8合金与同样配料成份但没有加Zn合金的压縮蠕变率对比； 图3为本发明合金与同类合金MglO. 2Gd3. 1Y和Mg9. 0Gd3. 9Y的铸造流动性对比；图3中本发明合金试验号1对应实施例l，试验号2对应实施例5，试验号3对应实施例9合金浇注的螺旋流动性试样，MglO. 2Gd3. 1Y和Mg9. 0Gd3. 9Y两种对比合金都是用一炉合金液浇注出3箱螺旋流动性试样。
具体实施方式
实施例1
用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Nd中间合金，金属Zn和Mn配 料，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配制化学成份与质量百分比含量为Gd 8. 15%、 Y 2.95%、Nd 2.72%、Zn 0.06%、Mn 0. 03 % ，杂质Fe < 0. 006 % 、 Cu < 0. 005 % 、 Ni < 0. 002%、A1 < 0. 01%、 Si < 0. 01%，余为Mg。
该合金的熔铸工艺为 1)坩埚预热并清洗干净，然后根据配料计算，首先加入本合金回炉料和镁锭，快速 加热熔化，在熔化过程中使用镁合金专用保护性气体或溶剂对镁液面进行保护；
2)把熔体升温至700 74(TC加入称量好并经预热的锌和锰，并适当搅拌，
3)继续升温至780 80(TC，先加入Mg-Nd中间合金，并搅拌，待溶清后再加入 Mg-Y中间合金和Mg-Gd中间合金，并搅拌均匀； 4)把熔体温度调整至790 830°C ，加入Mg-Zr中间合金进行晶粒细化处理，搅拌 3 5分钟后观察试样细化效果，试样细化不合格可酌量补加Mg-Zr中间合金，至试样细化 程度合格； 5)熔体降温至750 78(TC进行精炼处理； 6)精炼处理后升温至780 80(TC静置20分钟以上，再降温至浇注温度760°C ，浇 注砂型试样。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm = 370MPa，屈服强度Rp。.2 = 330MPa，延伸率A = 5. 5% ;30(TC短时抗拉强度Rm = 220MPa，屈服强度Rp。.2 = 180MPa，延 伸率A = 18% ;35(TC和50MPa恒定压縮应力条件下100h的总压縮蠕变率为0. 05%。
实施例2 用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Sm中间合金，金属Zn和Mn配料， 加入质量百分比含量为0. 0001 %的Be防氧化，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配制 化学成份与质量百分比含量为:Gd 8. 41%、Y 3. 25%、Sm 1.62%、Zn 0. 12%、Mn 0.16%， 杂质Fe < 0. 006%、 Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、Al < 0.01%、 Si < 0. 01X，余为Mg。
该合金的熔铸工艺为 1)坩埚预热并清洗干净，然后根据配料计算，首先加入本合金回炉料和镁锭，快速 加热熔化，在熔化过程中使用镁合金专用保护性气体或溶剂对镁液面进行保护；
2)熔清后把熔体升温到670 700°C，向熔体中加入称量好并经预热的Mg-Be合 金，适当搅拌，以利加入物的溶解吸收； 3)把熔体升温至700 74(TC加入称量好并经预热的锌和锰，并适当搅拌，
4)继续升温至780 80(TC，先加入Mg-Nd中间合金，并搅拌，待溶清后再加入 Mg-Y中间合金和Mg-Gd中间合金，并搅拌均匀； 5)把熔体温度调整至790 830°C ，加入Mg-Zr中间合金进行晶粒细化处理，搅拌 3 5分钟后观察试样细化效果，试样细化不合格可酌量补加Mg-Zr中间合金，至试样细化 程度合格； 6)熔体降温至750 78(TC进行精炼处理； 7)精炼处理后升温至780 80(TC静置20分钟以上，再降温至浇注温度760°C ，浇 注砂型试样。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm = 377MPa，屈服强度Rp。.2 =
9340MPa，延伸率A = 5. 0% ;30(TC短时抗拉强度Rm = 225MPa，屈服强度Rp。.2185MPa，延伸率
A = 16%。 实施例3 用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金，金属Pr、 Zn和Mn配料，加入质量 百分比含量为0. 0008%的Be防氧化，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配制化学成 份与质量百分比含量为:Gd 9. 06%、 Y2. 04%、 Pr 2. 68%、 Zn 0. 08%、 Mn 0. 18X，杂质Fe
< 0. 006%、 Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、A1 < 0.01%、 Si < 0.01X，余为Mg。
该合金的熔铸工艺与实施例2相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm = 370MPa，屈服强度Rp。.2 = 325MPa，延伸率A = 5. 5%。
实施例4 用纯镁锭、高Y混合稀土金属、Mg-Gd中间合金、金属Zn和Mn配料，加入质量百 分比含量为0. 002 %的Be防氧化，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配制化学成份 与质量百分比含量为:Gd 9. 60% 、Y 2. 81%、 La 0. 07%、CeO. 01%、PrO. 04%、Nd 0. 26%、 Sm 0. 13%、 Dy 0. 37%、 Er 0. 22%、 YbO. 20%、 HoO. 08%、 Zn 0. 03%、 Mn 0. 12%，杂质Fe
< 0. 006%、Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、A1 < 0. 01%、Si < 0. 01%，余为Mg。
该合金的熔铸工艺与实施例2相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm = 375MPa，屈服强度Rp。.2 = 325MPa，延伸率A = 6. 0% ;30(TC短时抗拉强度Rm = 210MPa，屈服强度Rp。2 = 175MPa，延 伸率A = 17% ;35(TC和50MPa恒定压縮应力条件下lOOh的总压縮蠕变率为0. 04%。
实施例5 用实施例4合金回炉料、纯镁锭、高Y混合稀土金属、Mg-Gd中间合金、金属Zn和Mn 配料，加入质量百分比含量为0. 01 %的Ca防氧化，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配 制化学成份与质量百分比含量为:Gd 9. 20%、Y 1.90%、La 0. 05%、PrO. 03%、Nd 0. 18%、 Sm 0. 09%、 Dy 0. 27%、 Er 0. 16%、 YbO. 15%、 HoO. 06%、 Zn 0. 08%、 Mn 0. 15X，杂质Fe
< 0. 006%、 Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、Al < 0.01%、Si < 0.01X，余为Mg。
该合金的熔铸工艺为 1)坩埚预热并清洗干净，然后根据配料计算，首先加入本合金回炉料和镁锭，快速 加热熔化，在熔化过程中使用镁合金专用保护性气体或溶剂对镁液面进行保护；
2)熔清后把熔体升温到670 700°C ，向熔体中加入称量好并经预热的金属钙，适 当搅拌，以利加入物的溶解吸收； 3)把熔体升温至700 74(TC加入称量好并经预热的锌和锰，并适当搅拌，
4)继续升温至780 80(TC，先加入Mg-Nd中间合金，并搅拌，待溶清后再加入 Mg-Y中间合金和Mg-Gd中间合金，并搅拌均匀； 5)把熔体温度调整至790 830°C ，加入Mg-Zr中间合金进行晶粒细化处理，搅拌 3 5分钟后观察试样细化效果，试样细化不合格可酌量补加Mg-Zr中间合金，至试样细化 程度合格； 6)熔体降温至750 78(TC进行精炼处理； 7)精炼处理后升温至780 80(TC静置20分钟以上，再降温至浇注温度760°C ，浇注砂型试样。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm = 347MPa，屈服强度Rp。.2 = 300MPa，延伸率A = 7. 0%。
实施例6 用实施例5合金回炉料、纯镁锭、高Y混合稀土金属、Mg-Gd中间合金、金属Zn 和Mn配料，加入质量百分比含量为0. 2%的Ca防氧化，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。 合金配制化学成份与质量百分比含量为Gd 8. 20%、Y 4. 21%、 La 0. 10%、 CeO. 015%、 PrO. 06%、Nd 0. 39%、Sm 0. 20%、Dy 0. 55%、Er 0. 32%、YbO. 29%、HoO. 12%、Zn 0. 16%、 Mn 0. 04X，杂质Fe < 0. 006%、Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、A1 < 0. 01%、Si < 0. 01%， 余为Mg。 该合金的熔铸工艺与实施例5相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm二 385MPa，屈服强度Rp。^二 320MPa，延伸率A = 5. 0%。
实施例7 用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金，金属La、 Zn和Mn配料，加入质量 百分比含量为0. 08%的Ca防氧化，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配制化学成份 与质量百分比含量为Gd 10. 30%、 Y2. 96%、 La 0. 285%、Zn 0. 05% 、 MnO. 02% ，杂质Fe < 0. 006%、Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、A1 < 0. 01%、Si < 0. 01%，余为Mg。
该合金的熔铸工艺与实施例5相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm = 390MPa，屈服强度Rp。.2 = 335MPa，延伸率A = 4. 5%。
实施例8 用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金，金属Ce、Zn和Mn配料，加入质量百分 比含量为0. 0001 %的Be和0. 2%的Ca防氧化，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配制 化学成份与质量百分比含量为:Gd 10. 15%、Y 3. 08%、Ce 0. 30%、Zn 0. 05%、Mn 0.05%， 杂质Fe < 0. 006% 、Cu < 0. 005% 、Ni < 0. 002% 、A1 < 0.01%、 Si < 0. 01X，余为Mg。
该合金的熔铸工艺为 1)坩埚预热并清洗干净，然后根据配料计算，首先加入本合金回炉料和镁锭，快速 加热熔化，在熔化过程中使用镁合金专用保护性气体或溶剂对镁液面进行保护；
2)熔清后把熔体升温到670 700°C，向熔体中加入称量好并经预热的Mg-Be合 金和金属钙，适当搅拌，以利加入物的溶解吸收； 3)把熔体升温至700 74(TC加入称量好并经预热的锌和锰，并适当搅拌，
4)继续升温至780 80(TC，先加入Mg-Nd中间合金，并搅拌，待溶清后再加入 Mg-Y中间合金和Mg-Gd中间合金，并搅拌均匀； 5)把熔体温度调整至790 830°C ，加入Mg-Zr中间合金进行晶粒细化处理，搅拌 3 5分钟后观察试样细化效果，试样细化不合格可酌量补加Mg-Zr中间合金，至试样细化 程度合格； 6)熔体降温至750 78(TC进行精炼处理； 7)精炼处理后升温至780 80(TC静置20分钟以上，再降温至浇注温度76(rC，浇注砂型试样。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm = 377MPa，屈服强度Rp。.2 = 333MPa，延伸率A = 5%。 30(TC短时抗拉强度Rm = 215MPa，屈服强度Rp。2 = 175MPa，延伸 率A = 17% ;35(TC和50MPa恒定压縮应力条件下100h的总压縮蠕变率为0. 03%。
实施例9 用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金、富Ce混合稀土金属、金属Zn和Mn 配料，加入质量百分比含量为0. 002%的Be和0. 01 %的Ca防氧化，晶粒细化处理用Mg-Zr 中间合金。合金配制化学成份与质量百分比含量为Gd 11. 10%、Y 1.83%、 La 0.09%、 CeO. 19%、PrO. 02%、Nd 0. 06%、Zn 0. 07%、Mn 0. 13X，杂质Fe〈0. 006%、Cu<0. 005%、 Ni < 0. 002%、A1 < 0.01%、 Si < 0. 01X，余为Mg。
该合金的熔铸工艺与实施例8相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm二 395MPa，屈服强度Rp。.2二 360MPa，延伸率A = 3. 0%。
实施例10 用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金，金属Dy、Zn和Mn配料，加入质量百分 比含量为0. 0006%的Be和0. 05%的Ca防氧化，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配制 化学成份与质量百分比含量为:Gd 8. 69%、Y 2. 10%、Dy 1.92%、Zn 0. 12%、Mn 0.14%， 杂质Fe < 0. 006%、 Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、A1 < 0.01%、 Si < 0. 01X，余为Mg。
该合金的熔铸工艺与实施例8相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm二 355MPa，屈服强度Rp。.2二 310MPa，延伸率A = 6. 0%。
实施例11 用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金，金属Er、 Zn和Mn配料，晶粒细化 处理用Mg-Zr中间合金。合金配制化学成份与质量百分比含量为Gd 8. 12%、 Y 1. 20%、 Er 2.0%、Zn 0.03%、Mn 0. 07% ，杂质Fe < 0. 006% 、 Cu < 0. 005% 、 Ni < 0. 002% 、 Al
< 0. 01%、Si < 0. 01%，余为Mg。 该合金的熔铸工艺与实施例1相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm二 325MPa，屈服强度Rp。.2二 275MPa，延伸率A = 7. 0%。
实施例12 用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金，金属Ho、 Zn和Mn配料，晶粒细化 处理用Mg-Zr中间合金。合金配制化学成份与质量百分比含量为Gd 9. 21%、Y 1.31%、 Ho 2. 56%、 Zn 0. 04%、 Mn 0. 17X，杂质Fe < 0. 006%、 Cu < 0. 005%、 Ni < 0. 002%、 Al
< 0. 01%、 Si < 0. 01%，余为Mg。 该合金的熔铸工艺与实施例1相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm二 365MPa，屈服强度Rp。.2二 310MPa，延伸率A = 6. 0%。
实施例13 用纯镁锭、高Y混合稀土金属、Mg-Gd中间合金、金属Zn和Mn配料，晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配制化学成份与质量百分比含量为Gd 11.38%、Y 1.05%、 La
0. 028%、 PrO. 017%、 Nd 0. 1%、 Sm 0. 05%、 Dy 0. 15%、 Er 0. 09%、 YbO. 08%、 HoO. 03%、 Zn 0. 19%、 Mn 0. 01X，杂质Fe < 0. 006%、 Cu < 0. 005%、 Ni < 0. 002%、 Al < 0. 01%、 Si < 0. 01%，余为Mg。 该合金的熔铸工艺与实施例1相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm二371MPa，屈服强度Rp。.2二 335MPa，延伸率A = 5. 6%。
实施例14 用纯镁锭和Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Nd中间合金，金属Zn和Mn配料， 晶粒细化处理用Mg-Zr中间合金。合金配制化学成份与质量百分比含量为Gd 11. 5%、 Y
1. 0%、Nd 3. 0%、Zn 0. 2%、Mn 0. 08X，杂质Fe < 0. 006%、Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、 Al <0. 01%、Si <0. 01X，余为Mg;合金配制化学成份中的总稀土Gd+Y+RE) =15.5%。
该合金的熔铸工艺与实施例1相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm = 390MPa，屈服强度Rp。.2 = 360MPa，延伸率A = 3. 0%。
实施例15 用纯镁锭、高Y混合稀土金属、Mg-Gd中间合金、金属Sm和Zn配料，晶粒细化处 理用Mg-Zr中间合金。合金配制化学成份与质量百分比含量为Gd 8. 1%、Y 4. 5%、 La 0. ll%、PrO. 06%、Nd 0. 41%、Sm 0. 96%、Dy 0. 57%、Er 0. 35%、YbO. 30%、HoO. 12%、Zn 0. 01X，杂质Fe < 0. 006%、 Cu < 0. 005%、Ni < 0. 002%、Al < 0. 01 %、 Si < 0. 01 %，余 为Mg ;合金配制化学成份中的总稀土Gd+Y+RE) = 15. 5X，并且其中的RE(包括La、Ce、Pr、 Nd、Sm、Dy、Er、Yb、Ho)总和为2.9%， (La+Ce+Yb) =0.43%。
该合金的熔铸工艺与实施例1相同。 该合金试样经T6热处理后力学性能常温抗拉强度Rm = 395MPa，屈服强度Rp。.2 = 340MPa，延伸率A = 4. 0%。
权利要求
一种高强度铸造镁合金，其特征在于其组成成份包括Gd、Y、RE、Zn、Mn、Zr；各组成成份所占的质量百分含量是Gd8.1～11.5％，Y1.0～4.5％，RE0.01～3.0％，Zn0.01～0.2％，Mn0～0.18％，Zr≤1.0％，Mg及不可避免的杂质余量；其中(Gd+Y+RE)≤15.5％。
2. 按照权利要求1所述高强度铸造镁合金，其特征在于所述高强度铸造镁合金中各组成成份及其所占的质量百分含量具体是以下四种情况之一1) Gd :8. 1 11. 5%， Y :1. 0 4. 5%， RE :0. 01 3. 0%， Zn :0. 01 0. 2%， Mn :0 0. 18%，Zr :《1.0^，Mg及不可避免的杂质余量；其中(Gd+Y+RE)《15. 5% ;2) Gd :8. 1 11. 5 %， Y :1. 0 4. 5 %， RE :0. 01 3. 0 %， Zn :0. 01 0. 2 %， Mn :0 0. 18 %， Zr :《1. 0 %， Be :0. 0001 0. 002 %， Mg及不可避免的杂质余量；其中(Gd+Y+RE)《15. 5% ;3) Gd :8. 1 11. 5 %， Y :1. 0 4. 5 %， RE :0. 01 3. 0 %， Zn :0. 01 0. 2 %，Mn :0 0. 18 % ， Zr :《1. 0 % ， CaO. 01 0. 2X，Mg及不可避免的杂质余量；其中(Gd+Y+RE)《15. 5% ;4) Gd :8. 1 11. 5%， Y :1. 0 4. 5%， RE :0. 01 3. 0%， Zn :0. 01 0. 2%， Mn :0 0. 18%， Zr :《1. 0%， Be :0. 0001 0. 002%， CaO. 01 0. 2%， Mg及不可避免的杂质余量；其中(Gd+Y+RE)《15. 5%。
3. 按照权利要求2所述高强度铸造镁合金，其特征在于所述高强度铸造镁合金中RE为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Er、Yb、Ho中的一种或其任意组合。
4. 按照权利要求3所述高强度铸造镁合金，其特征在于所述高强度铸造镁合金中RE的具体组成包含有La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Dy、 Er、 Yb、 Ho中的至少一种，上述各元素的含量要求分别是La :0. 01 0. 3%、 Ce :0. 01 0. 3%、 Yb :0. 01 0. 3%、 Pr :0. 01 3. 0%、 Nd :0. 01 3. 0%、Sm :0. 01 3. 0%、Dy :0. 01 3. 0%、Er :0. 01 3. 0%、Ho :0. 01 3. 0%，并且其中(La+Ce+Yb)《0.5%。
5. 按照权利要求1 4其中之一所述高强度铸造镁合金，其特征在于所述高强度铸造镁合金中所包含的杂质元素的质量分数要求为Fe < 0. 006%、 Cu < 0. 005%、 Ni< 0. 002%、Al < 0. 01%、Si < 0. 01%。
6. 如权利要求1所述高强度铸造镁合金的熔制方法，其特征在于所述高强度铸造镁合金的熔制方法如下1) 首先在坩埚预热后加入回炉料和镁锭；2) 把熔体升温至700 74(TC，加入锌和锰；3) 继续升温至760 800°C ，先加入RE或Mg-RE中间合金，并搅拌，待溶清后再加入Y和Gd或Mg-Y和Mg-Gd中间合金；4) 把熔体温度调整至785 83(TC，加入Mg-Zr中间合金进行晶粒细化处理；5) 熔体降温至750 78(TC进行精炼处理；6) 精炼处理后升温至780 80(TC静置，再降温至浇注温度浇注铸件。
7. 按照权利要求6所述高强度铸造镁合金的熔制方法，其特征在于所述高强度铸造镁合金的熔制方法如下1)首先在坩埚预热并清洗干净后加入回炉料和镁锭，快速加热熔化，在熔化过程中使用镁合金专用保护性气体或溶剂对镁液面进行保护；2) 把熔体升温至700 74(TC加入锌和锰，并适当搅拌；3) 继续升温至780 800°C ，先加入RE或Mg-RE中间合金，并搅拌，待溶清后再加入Y和Gd或Mg-Y和Mg-Gd中间合金，并搅拌均匀；4) 把熔体温度调整至790 830°C ，加入Mg-Zr中间合金进行晶粒细化处理，过程中进行搅拌直至试样细化程度合格；5) 熔体降温至750 78(TC进行精炼处理；6) 精炼处理后升温至780 80(TC，静置20分钟以上，再降温至浇注温度浇注铸件。
8.按照权利要求7所述高强度铸造镁合金的熔制方法，其特征在于所述高强度铸造镁合金的熔制方法中，在将坩埚预热并清洗干净后加入回炉料和镁锭，快速加热熔化达到熔清之后；和向熔体中加入锌和锰之前，还进行如下操作把熔体升温到670 700°C，向熔体中加入称量好并经预热的Mg-Be合金，或加入称量好并经预热的纯金属钙，或同时加入以上两种。
全文摘要
一种高强度铸造镁合金，其各组成成份的质量百分含量分别是Gd8.1～11.5％，Y1.0～4.5％，RE0.01～3.0％，Zn0.01～0.2％，Mn0～0.18％，Zr≤1.0％，且(Gd+Y+RE)≤15.5％；Mg及杂质余量。本发明以Gd和Y为主要合金元素，以多元稀土RE和Zn、Mn为辅助合金化元素，并且用Be、Ca进一步减少合金氧化和用Zr细化处理，合金强度高，耐热性能优异，适合用铸造方法制成工件。本发明同时还要求保护所述高强度铸造镁合金的熔制方法。相对于现有技术而言，本发明晶粒更为细化均匀，铸造性能显著提高，合金其它性能参数也明显优于现有技术。
文档编号C22C23/00GK101760683SQ20081023007
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者冯志军, 李巨文, 林霖, 马志毅 申请人:沈阳铸造研究所