专利名称：一种耐热铸造稀土镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种耐热铸造稀土镁合金，同时还涉及了一种该镁合金的制 备方法。
背景技术：
镁是最轻的金属结构材料，在汽车上应用日益增多。汽车每减重100Kg， 则100Km节油0.5L，同时减少了尾气排放，因此进行镁合金的研究开发对于 节约能源、抑制环境污染有着重要意义。但是，镁合金的强度和耐热性不佳 严重阻碍其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的应用，因此提高镁合 金的强度和耐热是发展镁合金材料的重要课题。
现有的耐热铸造稀土镁合金主要从限制位错运动和强化晶界入手，通 过适当的合金化，通过引入热稳定性高的第二相、降低元素在镁基体中的 扩散速率或者改善晶界结构状态和组织形态等手段来实现提高镁合金热强 性和高温蠕变抗力的目的。目前，在所有合金元素中，稀土 (RE)是提高镁 合金耐热性能最有效的合金元素，稀土元素在镁合金中除了具有除气、除杂、 提高铸造流动性、耐蚀性能以外，同时大部分稀土元素在镁中具有较大的 固溶度极限；而且随温度下降，固溶度急剧减少，可以得到较大的过饱和 度，从而在随后的时效过程中析出弥散的、高熔点的稀土化合物相；稀土 元素还可以细化晶粒、提高室温强度，而且分布在晶内和晶界(主要是晶 界)的弥散的、高熔点稀土化合物，在高温时仍能钉扎晶内位错和晶界滑 移，从而提高了镁合金的高温强度，同时RE元素在镁基体中的扩散速率较 慢，这使得Mg-RE合金适于在较高温度环境下长期工作。Mg-RE (如Mg-Gd 系)合金是重要的耐热合金系，具有较高的高温强度和优良的蠕变性能。当 前于200 300'C下长期工作的镁合金零部件均为Mg-RE系合金，由于稀土 特殊的电子结构及在镁合金中的显著的强化效果，使Mg-RE系成为发展高强 度耐热铸造稀土镁合金的一个重要合金系。
作为稀土资源第一大国，中国关于Mg-RE系合金的研究近年来不断增多 和深入，镁稀土合金的成功研发将有助于我们利用这一优势。目前的商业耐热镁合金如WE54，其主要存在的不足是高温时强度下降仍较多，还不能完 全满足其在航空航天、军工、汽车及其它行业中高温下使用时对强度的更高 的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度的耐热铸造稀土镁合金。 本发明的另一目的是提供一种该耐热铸造稀土镁合金的制备方法。 为了实现以上目的，本发明耐热铸造稀土镁合金所采用的技术方案是 一种耐热铸造稀土镁合金，由以下的质量百分比的组分组成7 14%Gd， 2
5% Y， 0.3 5°/。 Sm， 0.2 0.6% Zr，杂质元素Si、 Fe、 Cu和Ni总量小于 0.02%，余量为Mg。
所述的Gd， Y， Sm的质量百分比之和为13 18%。
所述耐热铸造稀土镁合金是由镁和中间合金Mg-Gd， Mg-Y， Mg-Sm， Mg-Zr为原料熔炼而成。
本发明耐热铸造稀土镁合金的制备方法包括如下步骤
① 将镁、中间合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr预热；
② 将镁在SF6+C02混合气体保护下熔化，于720 74(TC加入中间合金 Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm，将温度升至740 76(TC加入Mg-Zr中间合金；
③ 当Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，将温度升至770 78(TC后停止升温；
④ 将温度降至690 73(TC后进行浇铸，得到铸态合金；
⑤ 对铸态合金进行热处理后得到耐热铸造稀土镁合金。 步骤①所述的预热温度为150 220°C。 所述的热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。 所述固溶处理的处理温度为490 540°C，处理时间为4 15小时。 所述的时效处理的处理温度为180 230°C，处理时间为6 40小时。 所述浇铸时将浇铸模具预热至180 250°C。
本发明合金组分为Mg-Gd-Y-Sm-Zr。本发明采用Gd为第一组分，Gd在 Mg固溶体中的最大固溶度为20.3wtM，20(TC在Mg固溶体中的固溶度为3.8wt %，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7wt。/。，而又为了避免合金密度增加太多，以及合金过分脆化，因此本发明 的Gd加入量不高于14wt%;采用Y为第二组分，采用Sm为第三组分，Y、Sm可以降低Gd在Mg中的固溶度，从而增加Gd的时效析出强化效应；Sm 在Mg中的最大固溶度为5.7wt%，因此本发明的Sm加入量不高于5wt%;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。
在综合考虑合金元素的析出强化和固溶强化的前提下，辅助强化元素Zr 不会明显影响主强化稀土元素强化作用的发挥，Zr的含量控制在0.2% 0.6%， 主要起细化晶粒的作用。重稀土 Gd和Y在镁中的最大固溶度分别是20.3 wt% 和11.5 wt%， Gd和Y是稀土元素中固溶度较大的元素。在镁-稀土二元合金 中，Mg-Gd的高温强度与蠕变性能表现最显著，其次是Mg-Y。两种合金的析 出平衡相分别是Mg5Gd和MgMY5，具有较高的熔点，对合金的室温及高温力 学性能产生较好的强化效果。Sm在镁中能产生良好的固溶强化和时效强化 效果，Sm在镁中固溶度变化为540°C， 5.7wt%， 200°C、 0.4wt%。 Sm与镁 生成的平衡相为Mg41Sm5，对基体的强化作用可以保持到较高的温度。Y、 Gd在镁中固溶度变化为Y(550°C， 11.5wt%， 200°C、 2.2wt%)， Gd (540°C， 20.3wt%， 200°C、 3.8wt%)。因此，少量Sm在镁合金中具有高于与其等量 的Y、 Gd所能达到的析出强化效果，相应降低合金的重量与成本，同时主 强化元素的析出物对提高合金使用温度的贡献高于辅强化元素。
本发明的耐热铸造稀土镁合金在力学性能上具有一个突出特点，在室 温到25(TC范围内，合金的抗拉强度具有反常温度效应，即随着拉伸温度的 提高，抗拉强度也随之提高，在250"C时，抗拉强度最高可达到330MPa。 本发明的耐热铸造稀土镁合金以Mg-14Gd-2Y-0.5Sm-0.6Zr为例，经固溶处 理和时效处理后其抗拉强度为291MPa，延伸率为3.4%， 200"C抗拉强度为 309MPa， 25(TC抗拉强度为318Mpa， 300。C抗拉强度为286Mpa。而在相同 条件下WE54镁合金的室温抗拉强度为280MPa，延伸率为4.0%， 200"C抗 拉强度为241MPa， 250'C抗拉强度为230MPa。本发明的耐热铸造稀土镁合 金与商业镁合金WE54相比，具有更加优异的室温强度和瞬时高温强度等力 学性能。因此在航空航天、汽车、武器装备等方面有着非常好的应用前景。
具体实施例方式
本发明实施例中涉及的原料Mg， Mg-Gd， Mg-Sm， Mg-Y均为市售产品。 所述市售原料的纯度为99.9%的Mg， 99.5%的Mg-25.26%Gd， 99.5%的 Mg-24.54%Y， 99.5%的Mg-25.11%Sm， 99.5%的Mg-30.00%Zr。实施例1
本实施例的耐热铸造稀土镁合金是由以下的质量百分比的组分组成7%
Gd， 5%Y， 5%Sm， 0.2°/。 Zr，杂质元素Si、 Fe、 Cu和Ni总量小于0.02%， 余量为Mg。其中稀土总含量为17%。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼。 先将镁、中间合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr预热到20(TC，然后将 镁放入预热到50(TC的坩埚中，在C02+SF6混合气体保护下，大功率快速加 热熔化，待镁熔化后，在74(TC加入Mg-Gd、 Mg-Y中间合金，小功率缓慢 加热，待其熔化后且镁液温度回升至74(TC时再加入Mg-Sm中间合金；升 温到760'C加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，再将温度升至 770°C，关闭主控电路、静置；待镁液降温至71(TC进行浇铸，浇铸时所用 的钢制模具预先加热至20(TC，得到Mg-7Gd-5Y-5Sm-0.2Zr铸态镁合金。铸 态镁合金的热处理515'C固溶处理8小时，21(TC等温时效处理20小时。
本实施例耐热铸造稀土镁合金的拉伸试验方法经固溶时效处理后的试 样，按照国家标准GB6397—86《金属拉伸实验试样》加工成5倍标准拉伸试 样。在高温下的拉伸试样需要在试样两端加工螺纹以满足高温拉伸试样的夹 持装置的要求。电子拉伸在日本岛津AG-I250kN精密万能实验机上进行，拉 伸速度为lmm/min。高温拉伸时，在相应温度下对拉伸试样保温15分钟，温
度波动irc，然后进行拉伸。
本实施例所得的耐热铸造稀土镁合金，其室温抗拉强度为300MPa，延 伸率为3.4%， 20(TC的抗拉强度为312MPa， 250°C的抗拉强度为313Mpa， 300。C抗拉强度为316MPa。本实例耐热铸造稀土镁合金的抗拉强度在室温 至300°C内随着拉伸温度的升高而提高，在300'C高温下仍具有很高的抗拉 强度，满足了其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。
实施例2
本实施例的耐热铸造稀土镁合金是由以下的质量百分比的组分组成 10% Gd， 2.0% Y， 1.5% Sm， 0.4% Zr，杂质元素Si、 Fe、 Cu和Ni总量小 于0.02%，余量为Mg。其中稀土总含量为13.5%。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼。 先将镁、中间合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr预热到150°C，然后将镁放入预热到50(TC的坩埚中，在C02+SF6混合气体保护下，大功率快速加 热熔化，待镁熔化后，在720。C加入Mg-Gd、 Mg-Y中间合金，小功率缓慢 加热，待其熔化后且镁液温度回升至72(TC时再加入Mg-Sm中间合金；升 温到74(TC加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，再将温度升至 7S(TC，关闭主控电路、静置；待镁液降温至73(TC进行浇铸，浇铸用钢制 模具预先加热至250°C。最后得到Mg-10Gd-2Y-1.5Sm-0.4Zr铸态镁合金。 铸态镁合金的热处理54(TC固溶处理4小时，23(TC等温时效处理6小时。 本实施例耐热铸造稀土镁合金的拉伸试验方法同实施例1。 本实施例所得的耐热铸造稀土镁合金，其室温抗拉强度为278MPa，延 伸率为2.8%， 200。C的抗拉强度为304MPa， 250°C的抗拉强度为330MPa， 30(TC抗拉强度为296MPa。本实例耐热铸造稀土镁合金的抗拉强度在室温 至250°C内随着拉伸温度的升高而提高，在30(TC的温高下仍具有非常高的 抗拉强度，满足了其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。 实施例3
本实施例的耐热铸造稀土镁合金是由以下的质量百分比的组分组成 14.0% Gd， 2.0% Y， 0.5% Sm， 0.6% Zr，杂质元素Si、 Fe、 Cu和Ni的总 量小于0.02%，余量为Mg。其中稀土总含量为16.5%。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼。 先将镁、中间合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr预热到220°C，然后将 镁放入预热到500。C的坩埚中，在C02+SF6混合气体保护下，大功率快速加 热熔化，待镁熔化后，在73(TC加入Mg-Gd、 Mg-Y中间合金，小功率缓慢 加热，待其熔化后且镁液温度回升至730。C时再加入Mg-Sm中间合金；升 温到75(TC加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，再将温度升至 775°C，关闭主控电路、静置；待镁液降温至69(TC进行浇铸，浇铸时所用 的钢制模具预先加热至18(TC，最后得到Mg-14Gd-2Y-0.5Sm-0.6Zr铸态镁 合金。铸态镁合金的热处理49(TC固溶处理15小时，18(TC等温时效处理 40小时。
本实施例耐热铸造稀土镁合金的拉伸试验方法同实施例1。 本实施例所得的耐热铸造稀土镁合金，其室温抗拉强度为291MPa，延 伸率为3.4%， 200。C抗拉强度为309MPa， 250。C抗拉强度为318Mpa， 300°C抗拉强度为286Mpa。本实例耐热铸造稀土镁合金的抗拉强度在室温至 25(TC内随着拉伸温度的升高而提高，在30(TC的温高下仍具有很高的抗拉 强度。
最后所应说明的是，以上实例仅用于说明而非限制本发明的技术方案， 尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当 理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和 范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种耐热铸造稀土镁合金，其特征在于由以下的质量百分比的组分组成7～14％Gd，2～5％Y，0.3～5％Sm，0.2～0.6％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02％，余量为Mg。
2、 根据权利要求1所述的耐热铸造稀土镁合金，其特征在于所述的 Gd， Y， Sm的质量百分比之和为13 18%。
3、 根据权利要求1或2所述的耐热铸造稀土镁合金，其特征在于:.该耐 热铸造稀土镁合金是由镁和中间合金Mg-Gd， Mg-Y， Mg-Sm， Mg-Zr为原料 熔炼而成。
4、 一种如权利要求1所述耐热铸造稀土镁合金的制备方法，其特征在于:包括如下步骤① 将镁、中间合金Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm和Mg-Zr预热；② 将镁在SF6+C02混合气体保护下熔化，于720 74(TC加入中间合金 Mg-Gd、 Mg-Y、 Mg-Sm，将温度升至740 760"C加入Mg-Zr中间合金；③ 当Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，将温度升至770 78(TC后停止升温；④ 将温度降至690 730'C后进行浇铸，得到铸态合金；⑤ 对铸态合金进行热处理后得到耐热铸造稀土镁合金。
5、 根据权利要求4所述耐热铸造稀土镁合金的制备方法，其特征在于 步骤①所述的预热温度为150 220°C。
6、 根据权利要求4所述耐热铸造稀土镁合金的制备方法，其特征在于 所述的热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。
7、 根据权利要求6所述耐热铸造稀土镁合金的制备方法，其特征在于 所述固溶处理的处理温度为490 540°C，处理时间为4 15小时。
8、 根据权利要求6所述耐热铸造稀土镁合金的制备方法，其特征在于 所述的时效处理的处理温度为180 230°C，处理时间为6 40小时。
9、 根据权利要求4所述耐热铸造稀土镁合金的制备方法，其特征在于 所述浇铸时将浇铸模具预热至1S0 25(TC。
全文摘要
本发明公开了一种耐热铸造稀土镁合金，特别是组分为Mg-Gd-Y-Sm-Zr的镁合金，是由以下的质量百分比的组分组成7～14％Gd，2～5％Y，0.3～5％Sm，0.2～0.6％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.02％，余量为Mg。同时还公开了该耐热铸造稀土镁合金的制备方法。本发明的耐热铸造稀土镁合金在较高温度具有很高的拉伸强度，在室温到250℃范围内，合金的抗拉强度具有反常温度效应，即随着拉伸温度的提高，抗拉强度也随之提高。本发明的耐热铸造稀土镁合金在250℃时的抗拉强度最高可达到330MPa，与WE系商用镁合金相比，具有更加优异的室温强度和瞬时高温强度等力学性能，在航空航天、汽车工业、武器装备等方面将有着非常好的应用前景。
文档编号B22D27/04GK101532106SQ20091006462
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月13日 优先权日2009年4月13日
发明者清 张, 张兴渊, 文九巴, 李克杰, 李全安, 李向宇, 君 陈 申请人:河南科技大学