专利名称：含稀土铸造镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种含稀土铸造镁合金及其制备方法，具体涉及一种通过添加合金元素(Gd，Sm，Zr)及改变熔炼、热处理的工艺条件获得的铸造镁合金及其制备方法，制得的此类镁合金具有比传统商业镁合金优越的室温强度、瞬时高温强度等机械性能。属于金属材料类及冶金领域。
背景技术：
强度不足和耐热性不佳严重阻碍了镁合金在航空航天、军工及其它行业中替代铝合金等材料的步伐。稀土元素，尤其是Y、Nd等，在提高镁合金强度、耐热性等方面作用显著。例如传统的商业耐热镁合金WE43和WE54。根据稀土元素核外电子排布的不同，稀土元素可以分为两组Ce组和Y组。Nd、Sm同属Ce组，Y、Gd同属Y组。Ce组元素在镁基体中固溶度较小；Y组元素在镁基体中固溶度很大。在共晶点温度，Gd在镁中的极限固溶度是23.3wt.％(4.48at.％)，大于Y的12.0wt.％(3.59at.％)；Sm在镁中的极限固溶度为5.8wt.％(0.99at.％)，大于Nd的3.6wt.％(0.63at％)。而且Gd、Sm在镁中的固溶度都随温度的降低显著下降，这意味着Mg-Gd、Mg-Sm二元合金是典型可以通过热处理沉淀强化的镁合金，可能分别产生比Y、Nd更良好的固溶强化和时效强化作用。可见，将WE系列镁合金中的Y、Nd元素分别用Gd、Sm元素代替，由于Gd、Sm较高的固溶度，可能会得到更佳的固溶强化以及时效析出强化效果，得到更佳的综合机械性能。Gd与Sm同属于稀土元素，在Mg固溶体中时效析出纳米级的析出相，这类析出相热稳定性强，不仅可以显著提高合金室温的强度，而且对保持合金的高温强度起到重要作用。
属于不同组的两种或多种稀土元素混合加入镁基体，合金的析出动力学及析出相序列变得更为复杂，而且可以进一步提高镁合金强度。两种不同组稀土元素混合加入镁合金，其复合强化效果比单独加入相同数量的单种稀土元素更明显。传统的铸造WE54合金经T6处理后，室温抗拉强度为250MPa，屈服强度为172MPa，延伸率为2.0％(ASM Specialty HandbookMagnesium andMagnesiumAlloys)。其不足在于较低的室温性能限制了WE54合金的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种优化的铸造镁合金及其制备方法，通过添加合金元素Gd、Sm，并通过适当的熔炼及热处理工艺条件，使得此类镁合金具有比传统商业镁合金优越的室温强度、瞬时高温强度和硬度等力学性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是采用Gd为第一组分，因为Gd在200℃在Mg固溶体中的固溶度为3.82wt.％，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Gd的加入量不低于6wt.％，为避免合金成本和密度增加太多，以及合金过分脆化，Gd的加入量不高于15wt.％；采用Sm为第二组分，Sm可以略微降低Gd在Mg中的固溶度，从而增加Gd的时效析出强化效应，另外Sm的加入也可以提前时效硬度峰值的出现。Sm在200℃在Mg固溶体中的固溶度为0.4wt.％，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Sm的加入量不低于2wt.％，Sm在Mg中的最大固溶度为5.8wt.％，因此Sm的加入量应不高于6wt.％。采用Zr作为晶粒细化剂，以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能。
综上所述，本发明所提供的一种含稀土铸造镁合金，其组分及其重量百分比为6-15％Gd、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
本发明提供的含稀土铸造镁合金制备方法包括熔炼工艺和热处理工艺Mg-Gd-Sm-Zr合金的熔炼工艺为将纯镁、中间合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr预热到180-220℃，然后将纯镁放入有SF6/CO2气体保护的熔炉中熔化；镁锭熔化后在720-760℃，依次加入Mg-Gd、Mg-Sm中间合金，中间合金熔化后在740-760℃保温25-35分钟，升温到760-800℃加入Mg-Zr中间合金，待Mg-Zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌3-6分钟；搅拌后将镁液温度升至770-785℃保温12-15分钟后降温至750-770℃，精炼3-6分钟，精炼后升温至770-800℃，静置10-20分钟；静置后镁液冷却至720-770℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至250-400℃，得到本发明Mg-Gd-Sm-Zr铸造镁合金。
本发明具体的热处理工艺为将得到的Mg-Gd-Sm-Zr合金进行固溶处理，固溶处理温度为500-540℃，时间为4-10小时，淬水；对固溶处理后的合金在175-250℃温度下进行4-50小时的时效处理。
本发明所具有的实质性特点和显著的进步为(1)采用Mg-Gd和Mg-Sm中间合金来间接添加Gd和Sm元素，能够用纯Mg锭稀释中间合金熔炼过程中带来较多的夹杂物，并且显著降低合金的熔炼温度以及减少合金在较高温度下的停留时间；用Zr细化晶粒时，做到了尽量减少在高温段的停留时间，并在较低温度下搅拌精炼，成功实现了在镁合金较低的常规浇注温度下浇注，而不降低晶粒的细化效果；这不仅有效地降低了熔炼后合金的夹杂物数量，而且有效地降低了熔炼时保护的难度，使该系合金的工业化生产成为现实。
(2)对合金在不同温度下的固溶和时效行为进行了全面的研究，得到了优化的固溶处理和时效处理工艺；合金在该处理工艺下可充分发挥其固溶强化和时效强化效果。
(3)本发明的Mg-Gd-Sm-Zr合金的室温强度及高温瞬时拉伸强度相对于WE系列合金得到显著提高。以Mg-6Gd-4Sm-0.4Zr为例，经过热处理后室温抗拉强度为327MPa，延伸率为4.0％，200℃抗拉强度为300MPa，250℃抗拉强度为295MPa；而相同条件下WE54合金的室温抗拉强度为250MPa，延伸率为2.0％，200℃抗拉强度为245MPa，250℃抗拉强度为225MPa。Mg-Gd-Sm-Zr合金的机械性能明显高于WE54合金。
具体实施例方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作详细描述。
实施例1
合金的成分(重量百分比)为6.0％Gd，4.0％Sm，0.4％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为先将纯镁、中间合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃，然后将纯镁放入有SF6/CO2气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在720-740℃加入Mg-Gd中间合金，Mg-Gd熔化后镁液温度回升至720-740℃，再加入Mg-Sm中间合金使之熔化，然后升温到750℃保温30分钟，将镁液温度升至760-780℃后加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，搅拌5分钟，再将镁液温度升至770℃保温15分钟后降温至750℃精炼5分钟，精炼后升温到770-780℃，静置15分钟，待镁液降温至720-750℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至250-300℃，得到Mg-6Gd-4Sm-0.4Zr合金。合金的热处理工艺为535℃固溶处理5.5小时，225℃等温时效4小时。
本实施例所得的合金，其室温抗拉强度为327MPa，屈服强度为208MPa，延伸率为3.7％，200℃的抗拉强度为300MPa，250℃的抗拉强度为295MPa。
实施例2合金的成分(重量百分比)为10.0％Gd，6.0％Sm，0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为先将纯镁、中间合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃，然后将纯镁放入有SF6/CO2气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在730-750℃加入Mg-Gd中间合金，Mg-Gd熔化后镁液温度回升至740-760℃，再加入Mg-Sm中间合金使之熔化，然后升温到760℃保温30分钟，将镁液温度升至780-800℃后加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，搅拌5分钟，再将镁液温度升至780℃保温15分钟后降温至770℃精炼5分钟，精炼后升温到770-790℃，静置20分钟，待镁液降温至750-770℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至350-400℃，得到Mg-10Gd-6Sm-0.8Zr合金。合金的热处理工艺为540℃固溶处理10小时，200℃等温时效24小时。
本实施例所得的合金，其室温抗拉强度为320MPa，屈服强度为230MPa，延伸率为1.8％，200℃的抗拉强度为310MPa，250℃的抗拉强度为300MPa。
实施例3合金的成分(重量百分比)为15.0％Gd，2.0％Sm，0.4％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为先将纯镁、中间合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃，然后将纯镁放入有SF6/CO2气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在740-760℃加入Mg-Gd中间合金，Mg-Gd熔化后镁液温度回升至720-740℃，再加入Mg-Sm中间合金使之熔化，然后升温到750℃保温30分钟，将镁液温度升至760-780℃后加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，搅拌3分钟，再将镁液温度升至770℃保温15分钟后降温至760℃精炼6分钟，精炼后升温到780-800℃，静置20分钟，待镁液降温至750-770℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至350-400℃，得到Mg-15Gd-2Sm-0.4Zr合金。合金的热处理工艺为520℃固溶处理8小时，250℃等温时效16小时。
本实施例所得的合金，其室温抗拉强度为370MPa，屈服强度为250MPa，延伸率为5.2％，200℃的抗拉强度为335MPa，250℃的抗拉强度为305MPa。
权利要求
1.一种含稀土铸造镁合金，其特征在于其组分及重量百分比为6-15％Gd、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
2.一种权利要求1的含稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于(1)将纯镁、中间合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr预热到180-220℃，然后将纯镁放入有SF6/CO2气体保护的熔炉中熔化；(2)镁锭熔化后在720-760℃，依次加入Mg-Gd、Mg-Sm中间合金，中间合金熔化后在740-760℃保温25-35分钟，升温到760-800℃加入Mg-Zr中间合金，待Mg-Zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌3-6分钟；(3)搅拌后将镁液温度升至770-785℃保温12-15分钟后降温至750-770℃，精炼3-6分钟，精炼后升温至770-800℃，静置10-20分钟；(4)静置后镁液冷却至720-770℃后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至250-400℃，得到Mg-Gd-Sm-Zr合金。
3.根据权利要求2的含稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于将得到的Mg-Gd-Sm-Zr合金进行固溶处理，温度为500-540℃、时间为4-10小时，淬水。
4.根据权利要求3的含稀土铸造镁合金的制备方法，其特征在于将经固溶处理后的Mg-Gd-Sm-Zr合金在175-250℃的温度下进行4-50小时的时效处理。
全文摘要
本发明涉及一种含稀土铸造镁合金及其制备方法，镁合金的组分及其重量百分比为6－15％Gd、2－6％Sm、0.35－0.8％Zr，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－Sm、Mg－Zr中间合金的形式向镁熔体中添加Gd、Sm、Zr，熔炼后得到的镁合金经过500－540℃、4－10小时，淬水的固溶处理后，进行175－250℃×4－50小时时效处理提高其强度。本发明通过添加合金元素Gd、Sm代替WE系列合金中的Y、Nd，并通过熔炼及热处理工艺条件，获得高强度耐热镁合金，此类镁合金具有比传统WE系列商业镁合金优越的室温强度、瞬时高温强度等力学性能。
文档编号C22C1/03GK1962914SQ20061011926
公开日2007年5月16日 申请日期2006年12月7日 优先权日2006年12月7日
发明者章桢彦, 彭立明, 丁文江, 曾小勤 申请人:上海交通大学