专利名称：高强韧耐热耐蚀稀土镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于轻金属材料技术领域，具体涉及一种高强韧耐热耐蚀稀土镁合金，并 且还涉及其制备方法。
背景技术：
镁，原子序数为12，相对原子质量或称分子量为24. 305，晶体结构为密排六方 (hep结构)，镁的熔点为650°C。镁是地球表面极为丰富的金属之一(位居第六)，是迄今 为止工程上使用的最轻的金属结构材料，具有高的比强度、比刚度、优良的电磁屏蔽性能、 优异的阻尼减震性能及优异的铸造、切割加工性能和易回收等特点，被誉为21世纪具有开 发和应用潜力与前景的绿色工程材料，在航空航天、汽车和3C产业(3C产业电脑、通讯和 消费性电子)中具有十分广泛的应用前景，其中应用最广泛的是Mg-Al系镁合金，约占镁合 金总量的90%左右。然而，目前镁合金的用途远不如铝合金，阻碍镁合金广泛应用的原因主要有以下 两个一是，镁的化学性质活泼，耐蚀性差；二是，耐热性差，当温度超过120°C时，合金的力 学性能和耐热性能较低。稀土元素可以净化合金熔液、改善合金组织、提高合金室温及高温力学性能和增 强合金耐腐蚀性能等，因此稀土元素常常作为主合金元素或微合金元素而被广泛应用在钢 铁及有色金属合金中。在镁合金领域，特别是在高温镁合金领域，稀土优异的净化、强化性 能不断被人们认识和掌握，目前，已开发出一系列含稀土的镁合金，特别是在专利文献中 不乏见诸有关稀土镁合金的技术报导，如CN100383271C(高强耐热稀土镁合金)，成份质 量百分配比为2-10%的钆(Gd)，3-12%的钇(Y)，余为镁；又如CN101532107B (耐热稀土 镁合金)，化学元素质量百分比为8-15的钆(Gd)，2-5%的钇(Y)，0.4-4. 5%的钐(Sm)， 0. 3-0. 7%的锆(Zr)和0. 3-2%的锑(Sb)，余为镁；再如CN11944111C(耐热稀土镁合 金)，成份质量百分配比为4-10%的铝(Α1)，0· 2-2%的的锌(Ζη),0. 1-0. 6%的锰(Mn), 0. 1-3.0%的钙(Ca)，其余为镁，该专利方案的镁合金中不含钕、钍和钇(说明书第1页最后 两行)；还如CN10139762;3B (含铜耐热稀土镁合金及其制备方法)，在镁和铜中加入稀土 Y、 Gd、Sm、Nd、La、Ce、Tb、Dy、Ho、Er、Tm 稀土元系中的至少一种元素；进而如 CN101831581A(高 强高韧稀土镁合金)、CN101532106B(耐热铸造稀土镁合金)、CN101532105A(稀土镁合 金及其制备方法)和CN101643873A(—种耐腐蚀高强度稀土镁全金及其制造工艺)以及 CN1289703C(高强韧性耐热稀土镁合金及其熔铸工艺)，等等，等等。上述除CN1194111C和CN1289703C外配方中均含有稀土钇(Y)，由于Y原子半径 (179.8pm)比镁(159.9pm)大，固溶度高达12. 5% (质量百分数)，Y对镁合金的高温强化 效果远高于普通混合稀土，且提高镁合金耐热耐蚀性能显著，对镁合金综合性能的提升具 有拔萃的效果。但是，稀土在Mg-Al-RE系镁合金组织中容易形成粗大的Al-RE相，它对基体产生 割裂作用，对合金的力学性能产生影响(即，降低合金的力学性能)。本发明人前期研究发现，在Mg-Al-RE系镁合金中添加表面活性元素Sb，消除了合金组织中因条片状RE3Al11相对 基体的割裂作用而引起的力学性能的降低，合金的强韧性和高温抗蠕变能力均高于现有的 AE系镁合金(如前述的CN1289703C<ZL200910038359. 9 。近期研究却发现，在Mg-Al-RE 系镁合金中添加元素Sb却降低了合金的耐蚀性能，因此限制了该合金的使用。综上所述， 开发一种高强韧耐热耐蚀镁合金，对镁合金的应用和研究具有非常重要的意义。下面将要 介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
本发明的首要任务在于提供一种具有显著优于已有技术中的AE系镁合金的力学 性能、耐热性能和耐蚀性能的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金。本发明的另一任务在于提供一种高强韧耐热耐蚀稀土镁合金的制备方法，该方法 制备要求不苛刻并且能保障镁合金的技术效果的全面体现。本发明的首要任务是这样来完成的，一种高强韧耐热耐蚀稀土镁合金，其成份的 重量百分配比为3-5% 的铝(A1)，0. 1-0. 4% 的锰(Mn)，0.8-2. 5% 的钇(Y)，0. 3-1.0% 的 锑(Sb)，0. 3-1 %的镉(Cd)，其余为镁(Mg)。在本发明的一个具体的实施例中，所述的镁、铝、锰、钇、锑和镉的成份的重量百分 配比分别为5 %的铝(Al) ,0.4%的锰(Mn) ,0.8%的钇(Y) ,0.3%的锑(Sb) ,0.8%的镉 (Cd)，其余为镁(Mg)。在本发明的另一个具体的实施例中，所述的镁、铝、锰、钇、锑和镉的成份的重量百 分配比分别为5 %的铝(Al) ,0. 1%的锰(Mn) ,2.5%的钇(Y) ,1.0%的锑(Sb) ,0.5%的镉 (Cd)，其余为镁(Mg)。在本发明的再一个具体的实施例中，所述的镁、铝、锰、钇、锑和镉的成份的重量百 分配比分别为3%的铝(Al)，0.4%的锰(Μη)，0.8%的钇(Υ)，0. 3%的锑(Sb)，0. 3%的镉 (Cd)，其余为镁(Mg)。在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的镁、铝、锰、钇、锑和镉的成份的重量 百分配比分别为3%的铝(A1)，0. 2%的锰(Mn)，1.2%的钇(Y)，0.6%的锑(Sb)，0. 5%的 镉(Cd)，其余为镁(Mg)。本发明的另一任务是这样来完成的，一种高强韧耐热耐蚀稀土镁合金的制备方 法，按重量百分配比，将3-5%的铝(A1)，0. 1-0. 4%的锰(Μη)，0. 8-2. 5%的钇(Y)，0. 3-1% 的锑(Sb)，0. 3-1%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)配取合金材料，在熔剂或气体保护熔炼条件 下将镁在坩锅中熔化后，在650 670°C，分别以铝、铝锰(Al-Mn)中间合金和镁钇(Mg-Y) 中间合金形式加入合金化元素，待加入的炉料完全溶解成合金熔液后，将温度升至690 710°C，再将锑和镉由钟罩压入合金熔液内，搅拌混合均勻并且继续升温至710 730°C，接 着加入精炼剂精炼镁合金液精炼5 15min，静置后浇注，得到高强韧耐热耐蚀稀土镁合
^^ ο在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的镁为工业纯镁；所述的铝为工业纯 铝；所述的锑为工业纯锑；所述的镉为工业纯镉。在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的静置时间为10-20min。本发明提供的技术方案的优点之一，消除了合金组织中因粗大A12Y相对基体的
4割裂作用而引起的力学性能的降低，充分利用Sb和Y等元素的固溶强化作用、细晶强化作 用和高熔点YSb颗粒相质点的弥散强化作用来提高合金的强韧性和室温及高温力学性能； 之二，利用元素Cd的晶粒细化作用和固溶强化作用，进一步提高合金的力学性能，利用Cd 提高合金基体的电极电位从而提高合金的耐性性能，使合金的强韧性、耐热性能和耐蚀性 能均高于现有的AE系镁合金；之三提供的制备方法的工艺要求不苛刻，能满足工业化放大 生产要求，并且能保障前述的两点技术效果的全面体现。
具体实施例方式本发明的技术思路为(1)采用低熔点和低成本的Mg-Y中间合金实现Y的添加，Y 在镁合金中有较大的固溶度，而且扩散速率较低，对合金起固溶强化作用；Y可以细化合金 晶粒，有细晶强化的作用；同时在合金晶界附近产生高熔点热稳定块状相A12Y，阻碍位错 运动和晶界滑移，并有效抑制了 Mgl7A112相的析出，提高合金耐热性能；(2)表面活性元素 Sb在合金中与Y的电负性最大，将取代Al优先与Y结合形成以YSb为主的高熔点弥散颗粒 相，可作为α -Mg基体的非均质形核的核心细化晶粒，同时可以球化粗大条块状Α12Υ相，使 之更加细化弥散分布，从而提高合金的韧性和耐热性能；C3) Cd能够细化镁合金基体组织， 固溶于基体不形成化合物相，提高了合金的抗拉强度、硬度、冲击韧性及延伸率；同时，Cd 能够提高基体的电极电位，从而提高合金的耐性性能；(4)铝在合金中可通过固溶强化和 时效强化以提高合金的室温强度，但铝含量较大时又损害了合金的韧性，耐热及耐蚀性能， 为此铝含量的质量百分数应限制在5%以下；(5)合金中Mn的作用在于消除熔炼过程中杂 质铁的影响以提高合金的耐蚀性能；此外Mn在一定程度上也能提高合金的耐热性能。实施例1 按重量百分配比，将5%的铝(Al)，0.4%的锰(Mn)，0.8%的钇(Y)，0.3%的锑 (Sb)，0.8%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)配取合金材料，在熔剂或气体保护熔炼条件下将工 业纯镁在坩锅中完全熔化后，在660°C，分别以工业纯铝、铝锰(Al-Mn)中间合金和镁钇 (Mg-Y)中间合金形式加入合金化元素，待加入的炉料完全溶解成合金熔液后，将温度升至 710°C，再将工业纯锑和工业纯镉由钟罩压入合金熔液内，搅拌混合均勻并且继续升温至 710°C，接着加入精炼剂精炼镁合金液精炼lOmin，静置20min后浇注，得到由表1所示的具 有优异的物理和耐化学腐蚀性能的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金。实施例2:按重量百分配比，将5%的铝(A1)，0. 的锰(Mn)，2. 5%的钇(Y)，1.0%的锑 (Sb)，0.5%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)配取合金材料，在熔剂或气体保护熔炼条件下将镁在 坩锅中完全熔化后，在650°C，分别以工业纯铝、铝锰(Al-Mn)中间合金和镁钇(Mg-Y)中间 合金形式加入合金化元素，待加入的炉料完全溶解成合金熔液后，将温度升至690°C，再将 工业纯锑和工业纯镉由钟罩压入合金熔液内，搅拌混合均勻并且继续升温至730°C，接着加 入精炼剂精炼镁合金液精炼5min，静置IOmin后浇注，得到由表1所示的具有优异的物理和 耐化学腐蚀性能的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金。实施例3 按重量百分配比，将3%的铝(Al)，0.4%的锰(Mn)，0.8%的钇(Y)，0.3%的锑 (Sb)，0.3%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)配取合金材料，在熔剂或气体保护熔炼条件下将工业纯镁在坩锅中完全熔化后，在670°C，分别以工业纯铝、铝锰(Al-Mn)中间合金和镁钇 (Mg-Y)中间合金形式加入合金化元素，待加入的炉料完全溶解成合金熔液后，将温度升至 695°C，再将工业纯锑和工业纯镉由钟罩压入合金熔液内，搅拌混合均勻并且继续升温至 725°C，接着加入精炼剂精炼镁合金液精炼15min，静置15min后浇注，得到由表1所示的具 有优异的物理和耐化学腐蚀性能的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金。实施例4 按重量百分配比，将3%的铝(Al)，0.2%的锰(Mn)，1.2%的钇(Y)，0.6%的锑 (Sb)，0.5%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)配取合金材料，在熔剂或气体保护熔炼条件下将工 业纯镁在坩锅中完全熔化后，在665°C，分别以工业纯铝、铝锰(Al-Mn)中间合金和镁钇 (Mg-Y)中间合金形式加入合金化元素，待加入的炉料完全溶解成合金熔液后，将温度升至 705°C，再将工业纯锑和工业纯镉由钟罩压入合金熔液内，搅拌混合均勻并且继续升温至 720°C，接着加入精炼剂精炼镁合金液精炼12min，静置ISmin后浇注，得到由表1所示的具 有优异的物理和耐化学腐蚀性能的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金。表1为实施例1至4所得到的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金的物理性能和耐化学腐
蚀性能的实验数据。
权利要求
1.一种高强韧耐热耐蚀稀土镁合金，其特征在于其成份的重量百分配比为3-5%的铝 (Α1)，0· 1-0. 4% 的锰(Μη)，0. 8-2. 5% 的钇(Υ)，0. 3-1. 0% 的锑(Sb)，0. 3-1% 的镉(Cd)，其余 为镁(Mg)。
2.根据权利要求1所述的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金，其特征在于所述的镁、铝、锰、 钇、锑和镉的成份的重量百分配比分别为5%的铝(A1)，0. 4%的锰(Μη)，0. 8%的钇(Y)，0.3%的锑(Sb)，0. 8%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)。
3.根据权利要求1所述的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金，其特征在于所述的镁、铝、锰、 钇、锑和镉的成份的重量百分配比分别为5%的铝(A1)，0. 1 %的锰(Mn)，2. 5%的钇(Y)，1.0%的锑(Sb)，0. 5%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)。
4.根据权利要求1所述的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金，其特征在于所述的镁、铝、锰、 钇、锑和镉的成份的重量百分配比分别为3%的铝(A1)，0. 4%的锰(Μη)，0. 8%的钇(Y)， 0. 3%的锑(Sb)，0. 3%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)。
5.根据权利要求1所述的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金，其特征在于所述的镁、铝、锰、 钇、锑和镉的成份的重量百分配比分别为3%的铝(A1)，0.洲的锰(Mn)，1. 的钇(Y)， 0. 6%的锑(Sb)，0. 5%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)。
6.一种如权利要求1所述的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金的制备方法，其特征在于按重 量百分配比，将 3-5% 的铝(Α1)，0· 1-0. 4% 的锰(Μη)，0· 8-2. 5% 的钇(Υ)，0· 3-1% 的锑(Sb)， 0. 3-1%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)配取合金材料，在熔剂或气体保护熔炼条件下将镁在坩锅 中熔化后，在650 670°C，分别以铝、铝锰(Al-Mn)中间合金和镁钇(Mg-Y)中间合金形式 加入合金化元素，待加入的炉料完全溶解成合金熔液后，将温度升至690 710°C，再将锑 和镉由钟罩压入合金熔液内，搅拌混合均勻并且继续升温至710 730°C，接着加入精炼剂 精炼镁合金液精炼5 15min，静置后浇注，得到高强韧耐热耐蚀稀土镁合金。
7.根据权利要求6所述的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金的制备方法，其特征在于所述的 镁为工业纯镁；所述的铝为工业纯铝；所述的锑为工业纯锑；所述的镉为工业纯镉。
8.根据权利要求6所述的高强韧耐热耐蚀稀土镁合金的制备方法，其特征在于所述的 静置时间为10-20min。
全文摘要
一种高强韧耐热耐蚀稀土镁合金及其制备方法，属于轻金属材料技术领域。其成份的重量百分配比为3-5%的铝(Al)，0.1-0.4%的锰(Mn)，0.8-2.5%的钇(Y)，0.3-1.0%的锑(Sb)，0.3-1%的镉(Cd)，其余为镁(Mg)。优点消除了合金组织中因粗大Al2Y相对基体的割裂作用而引起的力学性能的降低，充分利用Sb和Y等元素的固溶强化作用、细晶强化作用和高熔点YSb颗粒相质点的弥散强化作用来提高合金的强韧性和室温及高温力学性能；利用元素Cd的晶粒细化作用和固溶强化作用，进一步提高合金的力学性能，利用Cd提高合金基体的电极电位从而提高合金的耐性性能，使合金的强韧性、耐热性能和耐蚀性能均高于现有的AE系镁合金；提供的制备方法的工艺要求不苛刻，能满足工业化放大生产要求，并且能保障前述的两点技术效果的全面体现。
文档编号C22C23/02GK102127669SQ20111004482
公开日2011年7月20日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者刘子利, 刘希琴, 周贵斌, 李健, 李娟 申请人:江苏中翼汽车新材料科技有限公司