一种高耐热性镁稀土硼合金及其制备方法
【专利摘要】一种高耐热性镁稀土硼合金，它的化学分子式为Mg-xRE-yB，其中RE代表17种稀土元素中的一种或多种，当多种稀土元素共存时，各稀土元素质量分数均等。x、y为质量分数，7%≤x≤12%，0.05%≤y≤3%；本发明的制备方法主要是对镁稀土合金表面预处理，打磨、抛光、清洗，用冷压机将镁稀土合金用氮化硼粉末包裹，装配成高压试样，放在高压六面顶压机进行高压渗硼，得到含有硼稀土化合物的镁稀土硼合金。本发明方法简单易控，成本低，高压渗硼过程中安全无毒，避免了有害气体对环境的污染，制备的镁稀土硼合金可以在300℃温度下长期使用。
【专利说明】一种高耐热性镁稀土硼合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002]镁合金作为目前最轻质的商用金属工程结构材料，在现代工业中应用越来越广。与其他金属材料相比，镁合金具有密度小、高比强度、高比刚度、优良的导热性和导电性、良好的尺寸稳定性、电磁屏蔽性和易于回收等特性。尽管镁合金具有诸多优点，但是依然存在不耐热、抗腐蚀能力差和室温塑性低等缺点。一般镁合金的耐高温性能差，工作温度不能超过120-150°C，这就极大的限制了它的广泛应用。
[0003]现阶段，通过形变硬化、晶粒细化、合金化、热处理、镁合金与陶瓷相符合等多种方法或这些方法的综合利用来改善镁合金的高温性能，在这些处理方法中合金化为最基本、最常用和最有效的强化处理方法。株式会社丰田自动织机的耐热性镁合金(CN102171374B)，该合金添加了 Al、Ca和Mn元素，这些化合物在镁晶粒的晶界处形成了结晶化合物，使该镁合金在高温下，也不易发生底面滑动，在高温下显示较高的机械性能，但是添加元素过于单一，容易元素过量导致对合金其它性能的影响，同时高温蠕变性能差，月艮役温度不超过230°C。广州有色金属研究院的一种耐热镁合金(CN101818293B)，该合金添加了 Al、Zn、S1、Ca和Sr元素，Al和Zn元素具有强化合金作用，同时形成高熔点的Mg2Si相，Ca和Sr元素起细化晶粒和变质作用，该合金具有良好的组织及性能，150°C的抗拉强度和伸长率大于120MPa和20%，但是在更高温度的力学性能不甚理想。河南科技大学的一种耐热稀土镁合金及其制备方法(CN101532107B)，该合金添加了 Gd、Y、Sm、Zr和Sb元素，具有很高的拉伸强度，300°C时抗拉强度仍高达309MPa，但是稀土元素的质量百分比达到13-18%，合金成本较高，而且高温蠕变性能差，在高温下不能长期使用。综上所述，合金化作用下的沉淀硬化效果由于沉淀相热稳定性差，使其在高温过程中的相粗化，从而导致合金在高温下的强度和抗蠕变性能降`低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、安全无毒的高耐热性镁稀土硼合金及其制备方法。本发明主要是以价格低廉的氮化硼为硼源，通过高压渗硼方法制得含有硼稀土化合物的镁稀土硼合金。
[0005]本发明的高耐热性镁稀土硼合金的化学分子式为Mg-xRE-yB，其中RE代表17种稀土元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu)中的一种或
多种，当多种稀土元素共存时，各稀土元素质量分数均等。x、y为质量分数，7%<x< 12%，
0.5% ≤ y ≤3%。
[0006]本发明的制备方法如下:
[0007]1、镁稀土合金表面预处理:
[0008]首先，将镁稀土合金表面用砂纸打磨干净，依次选用150#、320#、600#、1200#、2000#砂纸对合金表面进行打磨，目测镁稀土合金表面划痕方向一致即可，然后用去离子水冲洗，利用抛光布采用水抛的方式将镁稀土合金材料表面抛光至划痕消失。最后将抛光好的镁稀土合金用超声波清洗机进行超声清洗，以无水乙醇为清洗剂，清洗温度为15°C，清洗时间为10-15min。
[0009]2、装配高压试样
[0010]先用冷压机将步骤I处理的镁稀土合金用氮化硼粉末包裹，然后在石墨管底部先放置一个与其内径相同的圆柱形的叶腊石块，将包裹后的镁稀土合金紧贴底部叶腊石块放入石墨管中，再在顶部放入同样的一个圆柱形叶腊石块，最后用两片直径与石墨管外径相同的石墨片分别将其顶部和底部封住，将封好后的石墨管放入一立方体叶腊石块中间的圆孔内中间位置，石墨管两端再放两个导电钢圈。
[0011]3、高压渗硼
[0012]将步骤2装配好的高压试样放在高压六面顶压机的腔体位置，锤头对正后进行高压渗硼，将压力升高至6GPa，以10°C /min的升温速率将温度升高至1000-1400°C，保温30-120min,然后关闭电源停止加热，空冷至室温，卸压后取出高压试样，得到含有硼稀土化合物的镁稀土硼合金。
[0013]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0014]1、以价格低廉的氮化硼粉作为单一硼源，减少了渗硼剂的种类，易于制备，降低了生产成本，避免了有害气体对环境的污染。
[0015]2、渗硼工 艺简单，无需添加催化剂和保护气体，在空气中即可渗氮；
[0016]3、渗氮层的厚度理想，且生成的硼稀土化合物作为析出相溶入镁基体中，与镁基体结合紧密；
[0017]4、生成的硼稀土化合物具有良好的热稳定性，有效的提高了镁稀土合金的高温强度和蠕变性能，可以在300°C温度下长期使用。
【具体实施方式】:
[0018]实施例1
[0019]将Mg-8wt.%Gd镁钆合金切割成Φ6.5mmX8mm的圆柱体试样，依次用150#、320#、600#、1200#、2000#砂纸把镁钆合金表面打磨干净，目测镁钆合金表面划痕方向一致即可，然后用去离子水冲洗，利用抛光布采用水抛的方式将镁钆合金表面抛光至划痕消失。最后将抛光好的镁钆合金用超声波清洗机进行超声清洗，以无水乙醇为清洗剂，清洗温度为15°C，清洗时间为lOmin。
[0020]先用冷压机将上述镁钆合金用价格低廉的氮化硼粉末包裹，然后在石墨管底部先放置一个与其内径相同的圆柱形的叶腊石块，将包裹后的镁钆合金紧贴底部叶腊石块放入石墨管中，再在石墨管顶部放入同样的一个圆柱形叶腊石块，最后用两片直径与石墨管外径相同的石墨片分别将石墨管顶部和底部封住。将封好的石墨管放入一立方体叶腊石快中间的圆孔内中间位置，石墨管两端再放两个导电钢圈，完成高压试样的装配。
[0021]将上述装配好的高压试样放在高压六面顶的腔体位置，锤头对正后进行高压渗硼将压力升高至6GPa，以10°C /min的升温速率将温度升高至1200°C，在1200°C保温30min，然后关闭电源停止加热，空冷至室温，卸压后取出试样，得到含有GdB12析出相的镁钆硼(Mg-Gd-B)合金。经检测该合金成分为Mg-7Gd-0.5B合金，其在300°C的拉伸强度为314MPa，延伸率达到43.6% (见表1)。
[0022]实施例2
[0023]将Mg_5wt.%La-5wt.%Ce镁镧铈合金切割成Φ6.5mmX8mm的圆柱体试样，依次用150#、320#、600#、1200#、2000#砂纸把镁钆合金表面打磨干净，目测镁镧铈合金表面划痕方向一致即可，然后用去离子水冲洗，利用抛光布采用水抛的方式将镁镧铈合金表面抛光至划痕消失。最后将抛光好的镁镧铈合金用超声波清洗机进行超声清洗，以无水乙醇为清洗剂，清洗温度为15°C，清洗时间为15min。
[0024]先用冷压机将上述镁镧铈合金用价格低廉的氮化硼粉末包裹，然后在石墨管底部先放置一个与其内径相同的圆柱形的叶腊石块，将包裹后的镁镧铈合金紧贴底部叶腊石块放入石墨管中，再在石墨管顶部放入同样的一个圆柱形叶腊石块，最后用两片直径与石墨管外径相同的石墨片分别将石墨管顶部和底部封住。将封好的石墨管放入一立方体叶腊石快中间的圆孔内中间位置，石墨管两端再放两个导电钢圈，完成高压试样的装配。
[0025]将上述装配好的高压试样放在高压六面顶压机的腔体位置，锤头对正后进行高压渗硼将压力升高至6GPa，以10°C /min的升温速率将温度升高至1400°C，在1400°C温度保温50min，然后关闭电源停止加热，空冷至室温，卸压后取出试样，得到含有LaB6、CeB6析出相的镁镧铈硼(Mg-LaCe-B)合金。经检测该合金成分为Mg-4La4Ce_l.8B合金，其在300°C的拉伸强度为300MPa，延伸率达到38.1% (见表1)。
[0026]实施例3
[0027]将Mg_5wt .%Nd-5wt.%Tb_5wt.%Tm续钦铺钱合金切割成Φ6.5mmX8mm的圆柱体试样，依次用150#、320#、600#、1200#、2000#砂纸把镁钕铽铥合金表面打磨干净，目测镁钕铽铥合金表面划痕方向一致即可，然后用去离子水冲洗，利用抛光布采用水抛的方式将镁钕铽铥合金表面抛光至划痕消失。最后将抛光好的镁钕铽铥合金用超声波清洗机进行超声清洗，以无水乙醇为清洗剂，清洗温度为15°C，清洗时间为12min。
[0028]先用冷压机将上述镁钕铽铥合金用价格低廉的氮化硼粉末包裹，然后在石墨管底部先放置一个与其内径相同的圆柱形的叶腊石块，将包裹后的镁钕铽铥合金紧贴底部叶腊石块放入石墨管中，再在石墨管顶部放入同样的一个圆柱形叶腊石块，最后用两片直径与石墨管外径相同的石墨片分别将石墨管顶部和底部封住。将封好的石墨管放入一立方体叶腊石快中间的圆孔内中间位置，石墨管两端再放两个导电钢圈，完成高压试样的装配。
[0029]将上述装配好的高压试样放在高压六面顶压机的腔体位置，锤头对正后进行高压渗硼将压力升高至6GPa，以10°C /min的升温速率将温度升高至1300°C，在1300°C保温lOOmin，然后关闭电源停止加热，空冷至室温，卸压后取出试样，得到含有NdB6、TbB12和TmB12析出相的镁钕铽铥硼(Mg-NdTbTm-B)合金。经检测该合金成分为Mg-4Nd4Tb4Tm_3B合金，其在300°C的拉伸强度为310MPa，延伸率达到42.3% (见表1)。
[0030]实施例4
[0031]将Mg_4wt.%Y-4wt.%Eu-4wt.%Lu续乾铕镥合金切割成Φ6.5mmX8mm的圆柱体试样，依次用150#、320#、600#、1200#、2000#砂纸把镁钇铕镥合金表面打磨干净，目测镁钇铕镥合金表面划痕方向一致即可，然后用去离子水冲洗，利用抛光布采用水抛的方式将镁钇铕镥合金表面抛光至划痕消失。最后将抛光好的镁钇铕镥合金用超声波清洗机进行超声清洗，以无水乙醇为清洗剂，清洗温度为15°C，清洗时间为llmin。
[0032]先用冷压机将上述镁钇铕镥合金用价格低廉的氮化硼粉末包裹，然后在石墨管底部先放置一个与其内径相同的圆柱形的叶腊石块，将包裹后的镁钇铕镥合金紧贴底部叶腊石块放入石墨管中，再在石墨管顶部放入同样的一个圆柱形叶腊石块，最后用两片直径与石墨管外径相同的石墨片分别将石墨管顶部和底部封住。将封好的石墨管放入一立方体叶腊石快中间的圆孔内中间位置，石墨管两端再放两个导电钢圈，完成高压试样的装配。
[0033]将上述装配好的高压试样放在高压六面顶压机的腔体位置，锤头对正后进行高压渗硼将压力升高至6GPa，以10°C /min的升温速率将温度升高至1400°C，在1400°C保温80min，然后关闭电源停止加热，空冷至室温，卸压后取出试样，得到含有YB12、EuB6和LuB12析出相的镁钇铕镥硼(Mg-YEuLu-B)合金。经检测该合金成分为Mg-3Y3Eu3Lu-l.8B合金，其在300°C的拉伸强度为304MPa，延伸率达到38.7% (见表1)。
[0034]实施例5
[0035]将Mg_4wt.%Yb-4wt.%Pr-4wt.%Ho_4wt.%Sc 续镱镨钦坑合金切割成 Φ6.5mmX 8mm的圆柱体试样，依次用150#、320#、600#、1200#、2000#砂纸把镁镱镨钦钪合金表面打磨干净，目测镁镱镨钦钪合金表面划痕方向一致即可，然后用去离子水冲洗，利用抛光布采用水抛的方式将镁镱镨钦钪合金表面抛光至划痕消失。最后将抛光好的镁镱镨钦钪合金用超声波清洗机进行超声清洗，以无水乙醇为清洗剂，清洗温度为15°C，清洗时间为15min。
[0036]先用冷压机将上述镁镱镨钦钪合金用价格低廉的氮化硼粉末包裹，然后在石墨管底部先放置一个与其内径相同的圆柱形的叶腊石块，将包裹后的镁镱镨钦钪合金紧贴底部叶腊石块放入石墨管中，再在石墨管顶部放入同样的一个圆柱形叶腊石块，最后用两片直径与石墨管外径相同的石墨片分别将石墨管顶部和底部封住。将封好的石墨管放入一立方体叶腊石快中间的圆孔内中间位置，石墨管两端再放两个导电钢圈，完成高压试样的装配。
[0037]将上述装配好的 高压试样放在高压六面顶压机的腔体位置，锤头对正后进行高压渗硼将压力升高至6GPa，以10°C /min的升温速率将温度升高至1000°C，在1000°C保温120min，然后关闭电源停止加热，空冷至室温，卸压后取出试样，得到含有YbB12、PrB6,HoB12和ScB12析出相的镁镱镨钦钪硼(Mg-YbPrHoSc-B)合金。经检测该合金成分为Mg-3Yb3Pr3Ho3Sc-2.4B合金，其在300°C的拉伸强度为298MPa，延伸率达到40.1%(见表1)。
[0038]实施例6
[0039]将Mg_3wt.%Dy-3wt.%Pm_3wt.%Er-3wt.%Sm 续镝镨辑衫合金切割成 Φ6.5mmX 8mm的圆柱体试样，依次用150#、320#、600#、1200#、2000#砂纸把镁镝镨铒钐合金表面打磨干净，目测镁镝镨铒钐合金表面划痕方向一致即可，然后用去离子水冲洗，利用抛光布采用水抛的方式将镁镝镨铒钐合金表面抛光至划痕消失。最后将抛光好的镁镝镨铒钐合金用超声波清洗机进行超声清洗，以无水乙醇为清洗剂，清洗温度为15°C，清洗时间为14min。
[0040]先用冷压机将上述镁镝镨铒钐合金用价格低廉的氮化硼粉末包裹，然后在石墨管底部先放置一个与其内径相同的圆柱形的叶腊石块，将包裹后的镁镝镨铒钐合金紧贴底部叶腊石块放入石墨管中，再在石墨管顶部放入同样的一个圆柱形叶腊石块，最后用两片直径与石墨管外径相同的石墨片分别将石墨管顶部和底部封住。将封好的石墨管放入一立方体叶腊石快中间的圆孔内中间位置，石墨管两端再放两个导电钢圈，完成高压试样的装配。
[0041]将上述装配好的高压试样放在高压六面顶压机的腔体位置，锤头对正后进行高压渗硼将压力升高至6GPa，以10°C /min的升温速率将温度升高至1400°C，在1400°C保温60min，然后关闭电源停止加热，空冷至室温，卸压后取出试样，得到含有DyB12、PmB6,ErB12和SmB12析出相的镁镝镨铒钐硼(Mg-DyPmErSm-B)合金。经检测该合金成分为Mg-2Dy2Pm2Er2Sm-2.7B合金，其在300°C的拉伸强度为307MPa，延伸率达到39.1%(见表1 )。
[0042]表1:各实施例中获得的合金在300°C时的拉伸强度和延伸率
[0043]
【权利要求】
1.一种高耐热性镁稀土硼合金，其特征在于:它的化学分子式为Mg-xRE-yB，其中RE代表 17 种稀土元素 Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 中的一种或多种，当多种稀土元素共存时，各稀土元素质量分数均等；x、I为质量分数，7% ^ X ^ 12%，0.5% ^ y ^ 3%。
2.权利要求1所述的一种高耐热性镁稀土硼合金的制备方法，其特征在于: (1)镁稀土合金表面预处理:首先，将镁稀土合金表面用砂纸打磨干净，依次选用150#、320#、600#、1200#、2000#砂纸对合金表面进行打磨，目测镁稀土合金表面划痕方向一致即可，然后用去离子水冲洗，利用抛光布采用水抛的方式将镁稀土合金材料表面抛光至划痕消失。最后将抛光好的镁稀土合金用超声波清洗机进行超声清洗，以无水乙醇为清洗剂，清洗温度为15°C，清洗时间为10_15min ； (2)装配高压试样: 先用冷压机将步骤(1)处理的镁稀土合金用氮化硼粉末包裹，然后在石墨管底部先放置一个与其内径相同的圆柱形的叶腊石块，将包裹后的镁稀土合金紧贴底部叶腊石块放入石墨管中，再在顶部放入同样的一个圆柱形叶腊石块，最后用两片直径与石墨管外径相同的石墨片分别将其顶部和底部封住，将封好后的石墨管放入一立方体叶腊石块中间的圆孔内中间位置，石墨管两端再放两个导电钢圈； (3)高压渗硼: 将步骤(2)装配好的高压试样放在高压六面顶压机的腔体位置，锤头对正后进行高压渗硼，将压力升高至6GPa，以10°C /min的升温速率将温度升高至1000-1400°C，保温30-120min，然后关闭电源停止加热`，空冷至室温，卸压后取出高压试样，得到含有硼稀土化合物的镁稀土硼合金。
【文档编号】C23C8/68GK103849802SQ201410066316
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】彭秋明, 付辉, 李慧 申请人:燕山大学