专利名称：含Ca和重稀土Gd的压铸耐热镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种金属材料技术领域的压铸耐热镁合金及其制备方法，具 体是一种含Ca和重稀土 Gd的压铸耐热镁合金及其制备方法。
背景技术：
当前轻量化逐渐成为现代汽车的发展方向，镁合金作为最有前途的轻合金在 汽车工业中将得到更广泛的应用。而目前汽车上的镁合金件，基本上都是压铸件。 现有铸造镁合金中，以AZ91D、 AM50等合金的应用最为广泛，这些镁合金具有优 良的力学性能、耐腐蚀性能和压铸性能。然而，当工作温度超过120'C时，这些 合金的蠕变性能急剧下降，因此不能用于生产汽车动力传动和承载系统等结构 件。目前正在研究和开发的汽车用耐热镁合金主要有Mg-Al-RE、 Mg-Al-Ca、 Mg-Zn-A1-Ca、 Mg-Al_Ca-RE、 Mg-Al-Sr、 Mg-Al-Si等合金系。
经对现有技术的文献检索发现，Ifeanyi A. Anyanwu等人在《Materials Science and Engineering A》，2004， 380:93-99， "Effect of substituting cerium-rich mischmetal with lanthanum on high temperature properties of die-cast Mg-Zn-Al-Ca-RE alloys" 一文中研究了 Mg-5Al_05Zn-lCa-RE合金， 通过向Mg-5A1-05Zn-lCa合金中添加重量百分比为3%的镧，合金中形成了具有 高热稳定性的Al2Ca相和A12RE相，提高合金的蠕变性能，使合金在200°C、 50MPa 条件下，经100小时蠕变量为0. 32%。但是，由于合金中的Al2Ca延晶界呈网状 分布，降低了合金的延伸率，合金的塑性较差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种含Ca和重稀土 Gd的压铸 耐热镁合金及其制备方法，使其通过向Mg—Al基镁合金中添加Ca、 Mg-Gd等中 间合金，以改善合金的力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的本发明所涉及的含Ca和重稀土 Gd的压铸耐热镁合金，包含的组分及其重量 百分比为Al 3. 0-8. 0%， Ca 0. 1-3. 0%， Gd 0. 1-3. 0%， Mn 0-0. 50%，杂质元素 Fe<0. 005%， Cu〈0. 015%， Ni〈0. 002%，余量为Mg。
上述组分及其重量百分比进一步优选为4-6%Al， 1.5-2.5%Ca， 1.8-2.5% Gd， 0. 2-0. 5% Mn杂质元素Fe〈0. 005%， Cu〈0. 015%， Ni〈0. 002%，其余为Mg。
本发明所涉及的含Ca和重稀土 Gd的压铸耐热镁合金的制备方法，包括如下 步骤
第一步，按照上述重量百分比称取原料，原料为镁锭，工业纯铝，工业纯
钙，A1-Mn中间合金，Mg-Gd中间合金；
第二步，将工业纯镁在N2和SFe混合气体的保护下加热，待镁完全熔化后， 在650—680。C加入工业纯铝，工业纯f丐和Al—Mn中间合金，在660—680。C加入 Mg—Gd中间合金，升温至740-760'C并在该温度下保温30分钟，待镁液冷却至 670 690。C后进行压铸。
所述镁锭，其镁含量的质量分数大于99. 9%。
所述N2和SF6混合气体，其中SFe体积分数为0. 2%。
所述保温，其时间为30分钟。
本发明中，由于Ca的添加可细化晶粒，并在合金的晶界以及晶内形成具有 高热稳定性的Al2Ca相，晶界上层片状的Al2Ca相可有效阻碍晶界滑移，同时晶 内细小的颗粒状的Al2Ca相有定扎位错的作用；此外Ca的添加抑制了 MgnAl^相 的析出，提高合金的抗蠕变性能。同时Gd元素的加入可以细化合金晶粒，有细 晶强化的作用；Gd元素在镁合金中有较大的固溶度，而且扩散速度低，对合金 起固溶强化作用；同时在合金的晶界附件生成稳定的粒状Al2Gd相，起到析出强 化的作用，并抑制了 MgnAL相的析出，有效提高了合金的高温性能；此外，Gd 的加入使延晶界程网状分布的Al2Ca相变得不连续，提高了合金的塑性。Gd的加 入可以去除合金中的夹杂，提高了合金的流动性，并能在20(TC-25(TC的温度范 围内，50MPa条件下稳定工作，使其在汽车工业中的广泛应用成为可能。
与现有压铸耐热镁合金相比，本发明工艺简单，成本相对较低，通过加入少 量的Ca元素和Gd重稀土元素，合金晶粒小于50ura，改善了抑制了 MgnAL的 形成，改善了Al2Ca相的形貌和分布，使合金的抗拉强度达到231MPa，延伸率达 到6. 0%;在200°C， 50MPa条件下，100小时的蠕变量为0. 16%，在150°C， 50MPa 条件下，100小时的蠕变量为0.05%;同时合金的压铸性能与AM50相当，解决了 压铸镁合金抗蠕变性能较差的问题。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
实例l:
合金成分(重量百分比)为3. 5%A1、 2. 8%Ca、 0. 2%Gd、 0. l%Mn，杂质元素 含量小于0.02%，其余为Mg。合金的熔炼工艺为按照上述成分配置合金，在电 阻坩锅炉中加入工业纯镁100公斤，同时采用N2+0.2MSF6混合气体保护，待镁完 全熔化后，在660。C加入工业纯铝1. OOKg，工业纯钙3. 00公斤和Al — 10Mn中间 合金1. 1Kg，在670"C加入Mg—Gd中间合金，升温至752'C并在该温度下保温30 分钟，降温至68(TC的浇注温度，然后通过定量浇注系统浇入压铸机进行压铸。 本实例合金的室温抗拉强度为225MPa、屈服强度为162MPa、延伸率为5. 1%;在 200。C下的抗拉强度为183MPa、屈服强度为147MPa、延伸率为9. 5%;在200。C， 50MPa条件下，100小时的蠕变量是0. 18%，在150°C， 50MPa条件下，100小时 的蠕变量是0. 03%。
实例2:
合金成分(重量百分比)为8. 0%A1、 l.l%Ca、 2.9 %Gd、 0. 4%Mn，杂质元 素成分小于0.02%，其余为Mg。合金的熔炼工艺为按照上述成分配置合金，在 电阻坩锅炉中加入工业纯镁100公斤，加热熔炼，同时撒少量的覆盖剂保护，待 镁完全熔化后，在655。C加入工业纯铝4. 50Kg，工业纯钙1. 3Kg和Al — 10Mn中 间合金4. 5Kg，在67(TC加入Mg—Gd中间合金，升温至758"并在该温度下保温 30分钟，降温至682'C，然后通过定量浇注系统浇入压铸机进行压铸。本实例合 金的室温抗拉强度为234MPa、屈服强度为176MPa、延伸率为6. 3%;在200'C下 的抗拉强度为189MPa、屈服强度为161MPa、延伸率为11.6%;在200。C， 50MPa
条件下，100小时的蠕变量是0.20%，在15(TC， 50MPa条件下，100小时的蠕变 量是0. 04%。 实例3:
合金成分(重量百分比)为:4. 7%A1、 2. l°/。Ca、 2. 3%Gd、 0. 3%Mn，杂质元素 含量小于0.02%，其余为Mg。合金的熔炼工艺为按照上述成分配置合金，在电 阻坩锅炉中加入工业纯镁100公斤，同时采用N2+0.2y。SF6混合气体保护，待镁完 全熔化后，在660。C加入工业纯铝2. OKg，工业纯钙2. 3Kg和Al — 10Mn中间合金 3. 3Kg，在675r加入Mg—Gd中间合金，升温至755'C并在该温度下保温30分钟， 降温至68(TC，然后通过定量浇注系统浇入压铸机进行压铸。本实例合金的室温 抗拉强度为245MPa、屈服强度为168MPa、延伸率为5. 1%;在200。C下的抗拉强 度为205MPa、屈服强度为183MPa、延伸率为10. 6%;在200。C， 50MPa条件下， 100小时的蠕变量是0. 09%，在150°C， 50MPa条件下，100小时的蠕变量是0. 02%。
实例4:
合金成分(重量百分比)为5.8%A1、 0. 6%Ca、 1. 9%Gd、 0. 3°/。Mn，杂质元素 含量小于0.02%，其余为Mg合金的熔炼工艺为按照上述成分配置合金，在电 阻坩锅炉中加入工业纯镁100公斤，同时采用N2+0.2。/。SFe混合气体保护，待镁完 全熔化后，在650。C加入工业纯铝3. 70Kg，工业纯钙0. 8Kg和Al — 10Mn中间合 金3. OKg，在66(TC加入Mg—Gd中间合金，升温至750'C并在该温度下保温30 分钟，降温至68(TC然后通过定量浇注系统浇入压铸机进行压铸。本实例合金的 室温抗拉强度为247MPa、屈服强度为181MPa、延伸率为5. 9%;在200。C下的抗 拉强度为198MPa、屈服强度为175MPa、延伸率为12. 5%;在200。C， 50MPa条件 下，100小时的蠕变量是O. 19%，在150。C， 50MPa条件下，100小时的蠕变量是 0. 03%。
权利要求
1、一种含Ca和重稀土Gd的压铸耐热镁合金，其特征在于，包含的成分及其重量百分比为3-8％Al、0.1-3.0％Ca、0.1-3.0％Gd、0-0.5％Mn，杂质元素Fe＜0.005％、Cu＜0.015％、Ni＜0.002％，其余为Mg。
2、 根据权利要求1所述的含Ca和重稀土Gd的压铸耐热镁合金，其特征是， 包含的成分及其重量百分比为4-6%A1、 1.5-2. 5%Ca、 1,8-2. 5% Gd、 0.2-0.5% Mn，杂质元素Fe〈0. 005%、 Cu〈0. 015%、 Ni<0. 002%,其余为Mg。
3、 一种如权利要求1所述的含Ca和重稀土 Gd的压铸耐热镁合金的制备方 法，其特征在于，包括如下步骤第一步，按照上述重量百分比称取原料，原料为镁锭，工业纯铝，工业纯 f丐，Al-Mn中间合金，Mg-Gd中间合金；第二步，将工业纯镁在N2和SFe混合气体的保护下加热，待镁完全熔化后，在650 — 680。C加入工业纯铝，工业纯钙和Al—Mn中间合金，在660 — 680。C加入 Mg—Gd中间合金，升温至740-760'C并在该温度下保温30分钟，待镁液冷却至 670 690。C后进行压铸。
4、 根据权利要求3所述的含Ca和重稀土 Gd的压铸耐热镁合金的制备方法， 其特征是，所述镁锭，其镁含量的质量分数大于99.9%。
5、 根据权利要求3所述的含Ca和重稀土 Gd的压铸耐热镁合金的制备方法， 其特征是，所述N2和SFe混合气体，其中SF6体积分数为0.2呢。
6、 根据权利要求3所述的含Ca和重稀土 Gd的压铸耐热镁合金的制备方法， 其特征是，所述保温，其时间为30分钟。
全文摘要
本发明涉及的是一种金属材料技术领域的含Ca和重稀土Gd的压铸耐热镁合金及其制备方法。所述合金组分及重量百分比为3.0-8.0％Al，0.1-3.0％Ca，0.1-3.0％Gd，0-0.5％Mn，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。制备方法为称取原料后，将工业纯镁在N<sub>2</sub>+0.2％SF<sub>6</sub>混合气体的保护下加热，待镁完全熔化后，在650-680℃加入工业纯铝，工业纯钙和Al-Mn中间合金，在660-680℃加入Mg-Gd中间合金，升温至740-760℃并在该温度下，待镁液冷却至670～690℃后进行压铸。本发明成本低廉，生产效率高，明显提高了合金的室温抗拉强度、屈服强度、延伸率和抗蠕变性能，并且具有优良的压铸性能。
文档编号C22C23/02GK101353746SQ20081004278
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者王渠东, 江 郑, 金正力, 顾金海 申请人:上海交通大学