专利名称：高强耐热变形镁合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及镁合金，特别是涉及一种具有高强韧性和高蠕变强度的镁合金，它适用常温和高温场合下使用的结构材料。本发明是一种高强耐热变形镁合金。
背景技术：
最近二十年来，世界范围内许多国家都在积极研究开发满足可持续发展战略需求的轻质高性能生态型材料。在众多的轻质材料中，镁合金由于比强度高、比模量高、耐冲击、抗电磁屏蔽性好，容易铸造成型，易于回收再生，加之资源丰富等优势，日益引起许多工业发达国家和发展中国家政府研究人员的重视。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的力学性能和更广阔的应用前景。在一定程度上可以说，变形镁合金的发展与应用程度反映和代表了镁合金的研究与应用水平。目前的变形镁合金(AZ系、ZK系、Mg-Zn-RE系)虽然塑性较好，但室温和高温强度较低和抗蠕变性偏低，很难满足航空、航天、兵器和民用轿车领域对高强韧、高耐热性和高蠕变强度的轻质结构材料的要求。
为了提高形变镁合金材料的强韧性和耐热性，许多科研工作者开展了大量研究工作Kun Yu等人在《Scripta Materialia》2003年第48卷报道了一种新型形变镁合金Mg-2.8％Ce-0.7％Zn-0.7％Zr(wt.％)，该合金在25℃具有抗拉强度257.8MPa、延伸率12％。但该合金的合金元素与本发明相差甚远，且力学性能也不能和本发明相比。L.L. Rokhlin等人在《Magnesium Alloys Containing Rare Earth Metals》报道了几种高强度形变镁合金Mg-10％Gd-0.6Mn(wt.％)，Mg-10％Gd-6Y-0.6Mn(wt.％)Mg-10Gd-5Y-0.5Mn、Mg-10Gd-3Y-0.4Zr，S.M.He等人在《Journalof Alloys and Compounds》报道了一种高强度形变镁合金Mg-10Gd-2Y-0.5Zr，所述合金都不含Zn或不同时含Zn和Mn，与本发明的合金无关。
经在现有的信息系统和网络中检索，尚未发现有与本发明的合金材料和性能完全相同的文献报道。
发明内容
本发明的目的是要克服目前变形镁合金存在的缺点，有效提高材料的室温和高温机械性能，开发一种高强韧、高耐热性、高蠕变强度、易于工业化生产、可在25℃～300℃长期使用的高强耐热变形镁合金。
本发明的实现是该高强耐热变形镁合金，按重量百分比(wt％)该合金的化学成分为在于包括钆、钇、锌、锆和锰，其重量百分比(wt％)为Gd4.5～12.5，Y2.5～5.0，Zn0.2～1.0，Zr0.2～1.0，Mn 0.1～0.5，其余为Mg和不可避免的杂质组成。
本发明中钆是合金主要的强化元素，它通过固溶强化和沉淀强化提高合金的室温强度。并且钆与镁形成耐热性高的β相(Mg5Gd)可以提高合金的高温强度。Y的加入可以改善耐热强化相的形态，提高耐热强化相的热稳定性，从而提高钆的室温和高温强化能力。Zn和Mn的加入可以改善合金的塑性和热加工性。
本发明的实现还在于该高强耐热变形镁合金，其中所述的不可避免的杂质Si、Fe、Ni、Cu每一种的许用重量百分含量为Si＜0.025、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003、Cl＜0.003。对于合金而言，杂质越少越好。
本发明的实现还在于其二次成型采用温挤压或锻造或轧制或剧烈塑性变形，铸造方法为金属型铸造。
本发明的实现还在于其二次成型采用温挤压或锻造或轧制或剧烈塑性变形，其铸造方法为是连续铸造。即铸造方法为是连续铸造，二次成型采用温挤压或锻造或轧制或剧烈塑性变形。
本发明高强耐热合金，不仅可以用普通变形镁合金制备方法制备成铸锭，供随后二次成型使用，也可以用连续铸造方法制成铸锭，温挤压成型材或锻造成锻件，对于航空、航天、兵器和民用车辆领域中要求高强韧、高耐热性、高蠕变强度的轻质材料结构件有广泛的应用需求。
由于本发明在镁合金的化学成份中加入了稀土元素钆、钇和金属元素锌、锆和锰，稀土元素钆和钇增强了镁合金的高温性能，锌、锆和锰的加入提高了镁合金的塑性和热加工性。本发明反复实验调整加入量到适度的比例和配量，采用普通的工艺和设备就可实现生产，所制备的高强耐热变形镁合金既有高强韧、高耐热性、高蠕变强度，同时还具有适当的塑性和热加工性能。其抗拉强度、屈服强度相对于商业形变镁合金均有大幅度的提高，相对于商业形变镁合金，本发明的室温抗拉强度平均提高14％，高温抗拉强度平均提高56％；室温屈服强度平均提高13％，高温屈服强度平均提高74％。
图1本发明实施例1合金的铸态金相组织照片；图2本发明实施例1合金的挤压后时效处理的金相组织照片；图3本发明实施例2合金的铸态金相组织照片；图4本发明实施例2合金的挤压后时效处理的金相组织照片；图5本发明实施例3合金的铸态金相组织照片；图6本发明实施例3合金的挤压后时效处理的金相组织照片；图7实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例11和商用变形镁合金ZK60的力学性能对照表，图中ZK60的数据均为同样条件下制备的试样，并在同样测试条件下获得的数据。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细说明实施例1采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为普通温挤压制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd12.5，Y3.0，Zn0.5Zr0.5，Mn 0.2，其余为Mg和不可避免的杂质组成。不可避免的杂质Si、Fe、Ni、Cu、Cl每一种的许用重量百分含量为Si＜0.025、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003、Cl＜0.003。经熔配，热挤压、热处理后制备镁合金型材。通常采用普通变形镁合金制备方法就可以达到如上杂质量的要求。图1是该合金的铸态金相组织照片，图2是该合金的挤压后热处理的金相组织照片。从图2照片可见，该合金挤压后热处理的组织为均匀的动态再结晶晶粒(平均尺寸为5μm)和第二相组成。从图7表明，该合金具有很高的室温和高温力学性能，比商业形变镁合金ZK60的室温抗拉强度提高了28％，高温抗拉强度提高95％；室温屈服强度平均提高了近27％，高温屈服强度平均提高了117％。
实施例2采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为轧制制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd8.5，Y5.0，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，其余为Mg和不可避免的杂质组成。不可避免的杂质Si、Fe、Ni、Cu、Cl每一种的许用重量百分含量为Si＜0.025、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003、Cl＜0.003。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。图3是该合金的铸态金相组织照片，图4是该合金的挤压后热处理的金相组织照片。可以看出该合金的挤压后热处理的组织为均匀的动态再结晶晶粒(平均尺寸为10μm)和第二相组成。参见图7，可见本实施例制备的高强耐热形变镁合金相对于商业形变镁合金ZK60的室温抗拉强度提高了13％，高温抗拉强度提高47％；室温屈服强度的提高为18％，高温屈服强度提高了66％。
实施例3采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为轧制制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd4.5，Y5.0，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材，图5是该合金的铸态金相组织照片，图6是该合金的挤压后热处理的金相组织照片。可以看出该合金的挤压后热处理的组织为均匀的动态再结晶晶粒(平均尺寸为8μm)和第二相组成。参见图7，可见本实施例制备的高强耐热形变镁合金相对于商业形变镁合金ZK60的室温抗拉强度与ZK60的室温抗拉强度相同，高温抗拉强度提高20％；室温屈服强度降低了4％，高温屈服强度平均提高25.7％。
实施例4采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为普通温挤压制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y4.0，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。该合金具有较高的室温和高温力学性能、良好的塑性。参见图7，本实施例的高强耐热形变镁合金相对于商业形变镁合金ZK60，其室温抗拉强度平均提高8％，高温抗拉强度平均提高56.8％；室温屈服强度平均提高7.9％，高温屈服强度平均提高77％。
实施例5采用铸造方法为连续铸造，二次成型为普通温挤压制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y2.5，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。该合金具有较高的室温和高温力学性能、良好的塑性。
实施例6采用铸造方法为连续铸造，二次成型为轧制制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr1.0，Mn 0.5，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。
实施例7采用铸造方法为连续铸造，二次成型为剧烈塑性变形制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.2，Zr1.0，Mn 0.5，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。剧烈塑性变形就是等通道温挤压。
实施例8采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为剧烈塑性变形制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.5，Mn 0.5，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。该合金具有较高的室温和高温力学性能、良好的塑性。
实施例9采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为普通温挤压制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.2，Mn 0.5，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。
实施例10采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为轧制制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.5，Mn 0.3，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。该合金具有较高的室温和高温力学性能、良好的塑性。
实施例11采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为普通温挤压制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.5，Mn 0.1，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。参见图7，本实施例制备的高强耐热形变镁合金相对于商业形变镁合金ZK60，其室温抗拉强度提高22％，高温抗拉强度提高63％；室温屈服强度平均提高17％，高温屈服强度平均提高85％。图中ZK60的数据均为同样条件下制备的试样，并在同样测试条件下获得的数据。
实施例12采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为锻造制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.2，Mn 0.5，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。
实施例13采用铸造方法为连续铸造，二次成型为锻造制备本发明合金，其化学成分(wt％)如下Gd9.0，Y2.5，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，杂质含量同实施例1，其余为Mg。经熔配，挤压、热处理后制备镁合金型材。该合金具有较高的室温和高温力学性能、良好的塑性。
本发明采用普通变形镁合金制备方法制备的合金的25℃抗拉强度360～462MPa、延伸率9％～13.7％，250℃抗拉强度270～439MPa、延伸率15％～18％，密度1.78～1.85g/cm3。本发明的合金可以作为轻质高强耐热的结构材料，也可满足航空、航天、兵器以及民用车辆等对于轻质高强耐热新材料的需求。
权利要求
1.一种高强耐热变形镁合金，其特征在于包括钆、钇、锌、锆、锰和镁，其重量百分比(wt％)为Gd4.5～12.5，Y2.5～5.0，Zn0.2～1.0，Zr0.2～1.0，Mn 0.1～0.5，其余为Mg和不可避免的杂质组成。
2.根据权利要求1中的高强耐热镁合金，其特征在于其中所述的不可避免的杂质Si、Fe、Ni、Cu、Cl每一种的许用重量百分含量为Si＜0.025、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003、Cl＜0.003。
3.根据权利要求1或2中的高强耐热镁合金，其特征在于其二次成型采用温挤压或锻造或轧制或剧烈塑性变形，铸造方法为金属型铸造。
4.根据权利要求3的高强耐热镁合金，其特征在于其铸造方法为是连续铸造。
全文摘要
本发明提供一种可在25℃～300℃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。稀土元素钆和钇增强了镁合金的室温和高温性能，锌、锆和锰的加入提高了镁合金的塑性和热加工性。采用普通变形镁合金制备方法就可制备。该合金经过普通热挤压和时效处理后的25℃抗拉强度360～462MPa、延伸率9％～13.7％，250℃抗拉强度270～439MPa、延伸率15％～18％，密度1.78～1.85g/cm
文档编号C22F1/06GK101078079SQ20071001810
公开日2007年11月28日 申请日期2007年6月22日 优先权日2007年6月22日
发明者李建平, 杨忠, 郭永春, 夏峰 申请人:西安工业大学