本发明涉及一种砂型铸造稀土镁合金及其制备方法，属于金属结构材料技术领域。
背景技术：
作为最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度、比刚度高，减震性好等优点，广泛应用于航空航天、交通、3c领域等。mg-gd-y系由于具有良好室温强度和耐热性能，近年来在航空航天领域获得了广泛的应用，如2016版的国家标准中的vw103z合金：mg-10gd-3y-zr(wt.％)合金。但这类合金在熔铸过程中容易形成氧化皮，氧化皮的存在显著降低了vw103z合金铸件的力学性能和锻件的成品率，严重限制了mg-gd-y合金的广泛应用。这类合金包括，《高强度耐热镁合金及其制备方法》(专利号：cn200510025251.6)公开的：mg-(6～15)gd-(1～6)y-(0.35～0.8)zr-(0～1.5)ca镁稀土合金，《高强耐热稀土镁合金》(专利号：cn200610031169.9)公开的：mg-(2～10)gd-(3～12)y镁稀土合金，《一种镁合金及其制备方法》(专利号：cn200610144003.8)公开的：mg-(7～11)gd-(2～5)y-(0～1.0)zn-(0.3～0.6)zr镁稀土合金等。这些合金中都含有稀土元素y，y元素在铸造成型过程中容易富集在镁合金熔体表面，形成富y的氧化层，熔铸过程中一旦出现两股镁合金熔体交汇，就会将富y的氧化层卷入到铸件中形成氧化物夹杂。这类氧化皮缺陷是mg-gd-y系合金铸件和锻件的成品率较低的主要原因之一，也是含y镁合金we43(mg-4y-2nd-1re,wt.％)、we54铸造成品率低下的主要原因之一。
除了容易形成氧化皮之外，mg-gd-y系合金塑性较低是其应用受限的另外一个主要原因。vw103z镁稀土合金铸件的室温延伸率在2.5～3.0％之间，满足不了高品质镁合金部件对塑性的要求。
技术实现要素：
针对上述mg-gd-y-zr镁稀土合金的两个主要问题，本发明通过少量的zn元素代替y元素实现在不降低合金强度的情况下，提高材料的塑性，降低其铸造过程中氧化皮生成倾向。
本发明是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种砂型铸造稀土镁合金，其包含按重量百分数计的如下组分：
gd：8.0～14.0％，
zn：0.01～0.85％，
zr：0.3～0.7％，
余量为镁和不可避免的杂质，所述杂质的重量百分数总和不超过0.2％。
本发明采用gd(钆)为第一组分，研究表明，当gd<8％时，材料的强度较低；当gd>14％时，材料的塑性较低。根据实验研究结果，gd元素的含量为8～14wt.％。
本发明采用zn(锌)为第二组分，研究表明，微量的zn元素加入mg-gd合金体系时，zn以固溶原子的形式存在于镁基体和mg-gd析出相中，可以显著激发镁合金室温变形时的非基面滑移系，显著提高材料的塑性；微量zn元素加入mg-gd合金体系时，除了上述对非基面滑移系的影响外，zn与gd、mg元素形成基面析出相或者lpso结构，可以同时提高材料的强度和改善材料的塑性；进一步提高zn元素的含量时，>1wt.％，zn与gd在凝固过程中即会形成mg-gd-zn三元相，这类相在随后的固溶处理中难以完全固溶到基体中，在提高材料强度同时会损伤材料的塑性。因此，根据zn元素对合金强度与塑性的综合影响，zn元素的含量为0.01～0.85wt.％。
本发明采用zr(锆)为第三组分，与常规含zr镁合金类似，zr在mg-gd-zn合金中的作用主要为晶粒细化，zr元素的含量为0.3～0.7wt.％。
作为优选方案，所述杂质元素包含硅、铁、铜、镍中的至少一种，且硅元素的含量不超过0.01％、铁元素的含量不超过0.01％、铜元素的含量不超过0.03％、镍元素的含量不超过0.005％。
第二方面，本发明还提供了一种如前述的砂型铸造稀土镁合金的制备方法，其包括如下步骤：
利用砂型铸造的方法制备合金锭；
将所述合金锭在480～530℃下进行固溶处理后，在水中进行淬火：研究表明，固溶温度低于480℃时，合金中第二相不能够完全固溶，会降低时效处理时的强化效果；固溶温度高于530℃时，合金中存在过烧和晶粒异常粗化的风险，会严重降低材料的强塑性。
在200～225℃下进行单级时效处理，得到所述砂型铸造镁稀土合金：研究表明，时效温度低于200℃或者高于225℃时材料的屈服强度较低，200～225℃温度段时效处理可以获得最佳的屈服强度。
作为优选方案，所述合金锭的制备方法包括如下步骤：
将纯镁、纯锌、mg-gd中间合金和mg-zr中间合金分别在200℃下预热3h以上；
将预热后的纯镁在保护气氛中进行熔化，至720℃后，加入预热后的纯锌以及mg-gd中间合金；
待mg-gd中间合金熔化后，升温至760～780℃，加入预热后的mg-zr中间合金，待mg-zr中间合金熔化后撇去浮渣，搅拌后降温至750～755℃，精炼后在780℃进行静置；
冷却至690～740℃后再次撇去浮渣，进行砂型重力浇铸，得到合金锭。
作为优选方案，所述淬火的温度为25～80℃。
作为优选方案，所述保护气氛为sf6和co2的混合气体。
作为优选方案，所述固溶处理的时间为8～16h。
作为优选方案，所述单级时效处理的时间为16～128h。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过去除y元素，显著降低了合金熔铸过程中的氧化倾向，可以减少合金熔铸过程中氧化皮的卷入从而减少铸造缺陷的发生概率，同时，y元素的去除，显著降低了稀土元素在熔铸过程中的烧损，降低材料成分控制的难度，合金成分更加稳定；
2、本发明引入少量的zn元素，通过zn元素激活室温变形时的非基面滑移系和形成mg-gd-zn基面析出相的方式，在不降低合金强度的同时，显著的提高了材料的室温塑性和室温强度，合金最优的室温强度可以与含ag元素的mg-gd-ag-zr合金媲美。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种砂型铸造镁稀土合金，所述镁合金的组分及其质量百分比为：14.0wt.％gd、0.8wt.％zn、0.5wt.％zr，杂质元素si、fe、cu和ni的含量小于0.2wt.％，余量为mg(wt.％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比，总质量为mg、zn和各种中间合金的质量和)。
本实施例涉及常规镁稀土合金的熔铸方法和本发明中的合金热处理方法：
其中，熔铸工序在sf6和co2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯锌、mg-gd/mg-zr中间合金在200℃预热3小时以上；
(2)熔镁：将烘干后的纯镁放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化；
(3)加zn和gd：当镁液温度达到720℃后，往镁液中直接加入纯锌和mg-25wt.％gd中间合金，使zn元素在制备的镁合金总质量中占0.8wt.％，gd元素占14.0wt.％；
(4)待mg-gd中间合金熔化后，熔体温度升至760～780℃时加入mg-30wt.％zr中间合金，待mg-zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌2～3分钟。降温至750～755℃，不断电精炼，精炼后升温到780℃静置，静置时间为25～40分钟。
(5)静置后镁液冷却至690～740℃后撇去表面浮渣进行砂型重力浇铸，得到mg-14gd-0.8zn-0.5zr镁稀土合金。
热处理工序为：
将熔炼得到的mg-14gd-0.8zn-0.5zr合金锭在530℃温度中进行8小时的固溶处理，并在80℃水中淬火，随后在200℃温度中进行128小时的单级时效处理，最后得到mg-14gd-0.8zn-0.5zr砂型铸造镁稀土合金。
实施效果：本实施例得到的mg-gd-zn-zr砂型铸造镁稀土合金t6态的室温力学性能为：抗拉强度380～400mpa，屈服强度270～290mpa，延伸率2.2～2.8％。
实施例2
本实施例涉及一种砂型铸造镁稀土合金，所述镁合金的组分及其质量百分比为：8.0wt.％gd、0.8wt.％zn、0.5wt.％zr，杂质元素si、fe、cu和ni的含量小于0.2wt.％，余量为mg(wt.％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比，总质量为mg、zn和各种中间合金的质量和)。
本实施例涉及常规镁稀土合金的熔铸方法和本发明中的合金热处理方法：
其中，熔铸工序在sf6和co2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯锌、mg-gd/mg-zr中间合金在200℃预热3小时以上；
(2)熔镁：将烘干后的纯镁放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化；
(3)加zn和gd：当镁液温度达到720℃后，往镁液中直接加入纯锌和mg-25wt.％gd中间合金，使zn元素在制备的镁合金总质量中占0.8wt.％，gd元素占8.0wt.％；
(4)待mg-gd中间合金熔化后，熔体温度升至760～780℃时加入mg-30wt.％zr中间合金，待mg-zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌2～3分钟。降温至750～755℃，不断电精炼，精炼后升温到780℃静置，静置时间为25～40分钟。
(5)静置后镁液冷却至690～740℃后撇去表面浮渣进行砂型重力浇铸，得到mg-8.0gd-0.8zn-0.5zr镁稀土合金。
热处理工序为：
将熔炼得到的mg-8.0gd-0.8zn-0.5zr合金锭在520℃温度中进行8小时的固溶处理，并在25℃水中淬火，随后在200℃温度中进行64小时的单级时效处理，最后得到mg-8.0gd-0.8zn-0.5zr砂型铸造镁稀土合金。
实施效果：本实施例得到的mg-gd-zn-zr砂型铸造镁稀土合金t6态的室温力学性能为：抗拉强度310～330mpa，屈服强度200～220mpa，延伸率7～9％。
实施例3
本实施例涉及一种砂型铸造镁稀土合金，所述镁合金的组分及其质量百分比为：14.0wt.％gd、0.1wt.％zn、0.5wt.％zr，杂质元素si、fe、cu和ni的含量小于0.2wt.％，余量为mg(wt.％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比，总质量为mg、zn和各种中间合金的质量和)。
本实施例涉及常规镁稀土合金的熔铸方法和本发明中的合金热处理方法：
其中，熔铸工序在sf6和co2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯锌、mg-gd/mg-zr中间合金在200℃预热3小时以上；
(2)熔镁：将烘干后的纯镁放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化；
(3)加zn和gd：当镁液温度达到720℃后，往镁液中直接加入纯锌和mg-25wt.％gd中间合金，使zn元素在制备的镁合金总质量中占0.1wt.％，gd元素占14.0wt.％；
(4)待mg-gd中间合金熔化后，熔体温度升至760～780℃时加入mg-30wt.％zr中间合金，待mg-zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌2～3分钟。降温至750～755℃，不断电精炼，精炼后升温到780℃静置，静置时间为25～40分钟。
(5)静置后镁液冷却至690～740℃后撇去表面浮渣进行砂型重力浇铸，得到mg-14.0gd-0.1zn-0.5zr镁稀土合金。
热处理工序为：
将熔炼得到的mg-14.0gd-0.1zn-0.5zr合金锭在510℃温度中进行8小时的固溶处理，并在25℃水中淬火，随后在225℃温度中进行16小时的单级时效处理，最后得到mg-14.0gd-0.1zn-0.5zr砂型铸造镁稀土合金。
实施效果：本实施例得到的mg-gd-zn-zr砂型铸造镁稀土合金t6态的室温力学性能为：抗拉强度330～350mpa，屈服强度220～240mpa，延伸率3～4％。
实施例4
本实施例涉及一种砂型铸造镁稀土合金，所述镁合金的组分及其质量百分比为：8.0wt.％gd、0.1wt.％zn、0.5wt.％zr，杂质元素si、fe、cu和ni的含量小于0.2wt.％，余量为mg(wt.％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比，总质量为mg、zn和各种中间合金的质量和)。
本实施例涉及常规镁稀土合金的熔铸方法和本发明中的合金热处理方法：
其中，熔铸工序在sf6和co2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯锌、mg-gd/mg-zr中间合金在200℃预热3小时以上；
(2)熔镁：将烘干后的纯镁放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化；
(3)加zn和gd：当镁液温度达到720℃后，往镁液中直接加入纯锌和mg-25wt.％gd中间合金，使zn元素在制备的镁合金总质量中占0.1wt.％，gd元素占8.0wt.％；
(4)待mg-gd中间合金熔化后，熔体温度升至760～780℃时加入mg-30wt.％zr中间合金，待mg-zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌2～3分钟。降温至750～755℃，不断电精炼，精炼后升温到780℃静置，静置时间为25～40分钟。
(5)静置后镁液冷却至690～740℃后撇去表面浮渣进行砂型重力浇铸，得到mg-8.0gd-0.1zn-0.5zr镁稀土合金。
热处理工序为：
将熔炼得到的mg-8.0gd-0.1zn-0.5zr合金锭在490℃温度中进行8小时的固溶处理，并在25℃水中淬火，随后在200℃温度中进行64小时的单级时效处理，最后得到mg-8.0gd-0.1zn-0.5zr砂型铸造镁稀土合金。
实施效果：本实施例得到的mg-gd-zn-zr砂型铸造镁稀土合金t6态的室温力学性能为：抗拉强度310～330mpa，屈服强度180～200mpa，延伸率9～11％。
实施例5
本实施例涉及一种砂型铸造镁稀土合金，所述镁合金的组分及其质量百分比为：12.0wt.％gd、0.8wt.％zn、0.5wt.％zr，杂质元素si、fe、cu和ni的含量小于0.2wt.％，余量为mg(wt.％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比，总质量为mg、zn和各种中间合金的质量和)。
本实施例涉及常规镁稀土合金的熔铸方法和本发明中的合金热处理方法：
其中，熔铸工序在sf6和co2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：将纯镁、纯锌、mg-gd/mg-zr中间合金在200℃预热3小时以上；
(2)熔镁：将烘干后的纯镁放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化；
(3)加zn和gd：当镁液温度达到720℃后，往镁液中直接加入纯锌和mg-25wt.％gd中间合金，使zn元素在制备的镁合金总质量中占0.8wt.％，gd元素占12.0wt.％；
(4)待mg-gd中间合金熔化后，熔体温度升至760～780℃时加入mg-30wt.％zr中间合金，待mg-zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌2～3分钟。降温至750～755℃，不断电精炼，精炼后升温到780℃静置，静置时间为25～40分钟。
(5)静置后镁液冷却至690～740℃后撇去表面浮渣进行砂型重力浇铸，得到mg-12gd-0.8zn-0.5zr镁稀土合金。
热处理工序为：
将熔炼得到的mg-12gd-0.8zn-0.5zr合金锭在530℃温度中进行8小时的固溶处理，并在80℃水中淬火，随后在225℃温度中进行64小时的单级时效处理，最后得到mg-12gd-0.8zn-0.5zr砂型铸造镁稀土合金。
实施效果：本实施例得到的mg-gd-zn-zr砂型铸造镁稀土合金t6态的室温力学性能为：抗拉强度340～360mpa，屈服强度260～280mpa，延伸率3.5～4.5％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。