专利名称：一种低成本耐热镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种耐热镁合金及其制备方法，特别是一种含稀土Gd的低成本耐热 镁合金及其制备方法，属于金属材料及冶金工业领域。
背景技术：
镁合金具有诸多优良性能，使其在航天航空、汽车工业、电子行业等国民经济和国 防领域的应用日益扩大。我国汽车工业正迅速发展，对汽车轻量化和提高燃料经济性的要 求日益迫切，因此镁合金在汽车工业中有巨大的应用潜力，尤其是将镁合金应用于发动机 和动力总成系统。目前汽车上的镁合金零部件大多是压铸件，其中AZ和AM两个系列的 Mg-Al系合金占了压铸镁合金用量的90%以上，但是它们的长期工作温度不能超过120°C， 而汽车自动变速箱和发动机缸体的使用温度一般在20(TC左右，因此其无法用于制造对高 温蠕变性能要求高的汽车零部件。高温性能差已成为镁合金应用的瓶颈，开发低成本耐热 镁合金是目前急需解决的重要课题。中国、美国、加拿大和以色列等国都在大力开展耐热镁 合金的研究，目标是提高镁合金在150-20(TC的高温强度和耐热性能，并且具有良好的铸造 工艺性能(刘金海，李国禄，刘根生.镁合金铸造技术进展.铸造，2001 (9) :522 525.王 渠东，吕宜振，曾小勤.稀土在铸造镁合金中的应用.特种铸造及有色合金，1999(1) :40 43.张静，潘复生.耐热镁合金材料的研究和应用现状[J].铸造2004. 53 (10) :770)。
目前研究表明，在保证镁合金具有良好的铸造性能的前提下，要解决镁合金高温 强度和耐热性能差的问题，对镁进行多元合金化是耐热镁合金的一个重要发展方向。与此 同时，也要控制合金成本，因为高性价比的耐热镁合金在汽车发动机、曲轴箱、电机机架、离 合器活塞乃至航空航天飞机变速箱壳体等零件上才会有广阔的应用前景，才能对促进我国 汽车、信息、军事和航空等应用镁合金产品的工业领域良性发展。 我国有丰富的稀土资源，开发含稀土的高品质镁合金材料在我国有独特的优势。 随着稀土开发应用的进一步发展，通过对混合稀土以及单一稀土与铸造镁合金中其它元素 的相互作用、稀土对合金宏观和微观组织及各种性能影响的机理、以及稀土加入方式和熔 炼质量控制方面的深入研究，稀土在铸造镁合金领域内的应用前景将是广阔的。
目前已投入工业应用的稀土镁合金都是铸造镁合金，如ZM6、 WE54等。已有研 究发现添加稀土元素Gd和其他重稀土元素可极大地改善了镁合金的高温拉伸性能、蠕 变性能和抗腐蚀性能，尤其以添加Gd元素的作用明显。虽然Gd含量导致合金的密度和 成本增加，但研究人员通过协调添加合金化元素，致力于保持含Gd镁合金的力学性能 优势，尽量减少负面影响，研制了一些有发展前途的多元含Mg-Gd合金，如Mg-Gd-Y-Zr、 Mg-Gd-Nd-Zr和Mg-Gd-Y-Mn等。然而，其成本依然偏高，因为以往研究大多是在Mg-RE 系合金，对于在低成本的Mg-Al系中添加Gd的研究甚少(Proc. Conf.MagnesiumAlloys and Their Application[C]. Wolsburg. Germany :Verkstof-InformationsgesellschMt， 1998.277-282. Humble P.Towards ACheap Resistant Magnesium Alloy[J]. Materials Fo進.1997. 21 :45 56。)
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种在Mg-Al-Zn基体合金中添加Gd并适用 于50MPa/20(TC以下使用的低成本的耐热镁合金材料及其制备方法，通过优化制备工艺和 适量添加微量的重稀土Gd，提升了 AZ系镁合金室温、高温及蠕变的力学性能，使其具备在 较高高温下使用的商业价值。 研究表明，Mg17Al12的不连续析出是AZ系镁合金高温力学性能不高的主要原因。 当在Mg-Al系镁合金添加稀土元素或混合稀土时，会形成含稀土的化合物如A14匪(匪为混 合稀土 ) 、AlnRE3或A12RE，这说明当Mg-Al系合金中添加稀土时，稀土元素优先与Al结合。 本发明针对AZ系镁合金高温性能差的原因，利用Al优先与稀土反应在晶界生成高温稳定 相替代M^A1^从而达到提高镁合金室温、高温及蠕变性能的目的。同时为了控制合金成 本和保持合金低密度，本发明优化了合金中重稀土元素Gd的含量。 综上所述，本发明提出的一种低成本耐热镁合金的主要成分及其重量百分比为 Gd 1.0-3.5%，A1 1.8-2.4%，Zn 0. 8_1. 4% ，杂质元素的重量百分比为Si < 0. 015% ， Fe < 0. 005%， Cu < 0. 015%禾口 Ni < 0. 002%，余量为Mg。
本发明提出的低成本的耐热镁合金材料的制备方法如下 1)采用商业纯Mg(99. 99wt. % )、纯Al (99. 99wt. % )、纯Zn (99. 7wt. % ) 、 Gd以 Mg-30wt. % Gd中间合金形式加入； 2)合金熔炼工艺为清理熔炼工具和坩锅，刷好涂料，并与合金原料在20(TC烘 干，去除水汽；将坩埚预热至60(TC后取出，在坩埚内依次加入Mg锭、Al锭，在^气和SFJ昆 合气体的保护下加热，其中SFe体积分数为1%，升温至760-78(TC，待炉料完全熔化后，搅 拌1-3分钟加入Zn锭和Mg-Gd中间合金，保温20-30分钟；然后将合金液降温至750-760°C 搅拌2-5分钟，静置15-20分钟，合金液在72(TC下进行捞渣后浇铸至金属模具中冷却成形， 所述模具预热温度为200°C。 本发明的高温蠕变试验结果表明Gd的添加能显著改善Mg-Al-Zn基体合金的蠕 变性能。在200°C /50MPa蠕变条件下，当Gd添加量为3. 5X时，合金70h的蠕变量为1. 2%， 稳态蠕变率比Mg-Al-Zn基体合金下降了 l个数量级。晶界上的含稀土第二相数量逐渐增 多是提高合金的耐热性能的主要原因。在晶界上半连续析出的第二相在低应力的蠕变状态 下能有效地阻碍晶界的滑动，从而能提高基体合金的耐热性能，降低了基体合金的稳态蠕 变速率。
图1实施例2典型的金相组织图； 图2实施例1、2、3、4和Mg-2Al-2Zn合金在150°C /50MPa70小时蠕变曲线；
1-实施例4， 2-实施例3， 3-实施例2， 4-实施例1， 5-Mg-2Al-2Zn合金；
图3实施例1、2、3、4和Mg-2Al-2Zn合金在175°C /50MPa70小时蠕变曲线；
1-实施例4， 2-实施例3， 3-实施例2， 4-实施例1， 5-Mg-2Al-2Zn合金。
具体实施方式
实施例1 :取商业纯Mg(99. 99wt. % )1122克(按20%烧损计算)，取纯Al (99. 99wt. % )24 克(按20%烧损计算)，取纯Zn(99. 7wt. % ) 12克(按20%烧损计算)、取Mg-30wt. % Gd 中间合金44克(按30%烧损计算)。
按以下工艺制备 I.清理熔炼工具和坩锅，刷好涂料，并与合金原料在20(TC烘干，去除水汽；
II.将坩埚预热至60(TC后取出，依次加入Mg锭、Al锭； III.在N2气和SF6混合气体的保护下加热(其中SF6体积分数为1 % )，升温至
780°C ，待炉料完全熔化后，搅拌3分钟加入Zn锭和Mg-Gd中间合金； IV.保温30min ;然后将合金液降温至75(TC搅拌3min，静置15min使夹杂充分上浮； V.在72(TC下进行捞渣、浇铸至金属模具中冷却成形，所述模具预热温度为
200°C。 得到的合金实际成份为(以重量百分比计)All. 8%， ZnO. 8%， Gdl. 0%，杂质元 素的重量百分比为Si = 0. 012%， Fe = 0. 003%， Cu = 0. 013%， Ni = 0. 002%，余量为 Mg。合金的力学性能如下 室温拉伸抗拉强度o b为240MPa，屈服强度o 。 2为122MPa，断后伸长率S为
12. 5% ; 15(TC拉伸抗拉强度o b为126MPa，屈服强度o 。.2为75MPa，断后伸长率S为
23% ; 20(TC拉伸抗拉强度o b为126MPa，屈服强度o 。 2为75MPa，断后伸长率S为
23% ; 150°C /50MPa第二阶段蠕变率为1. 78X 10—8s—1 ;
175°C /50MPa第二阶段蠕变率为6. 2X 10—8s—1 ;
200°C /50MPa第二阶段蠕变率为22. 2X 10—8s—、 在150°C /50MPa 70小时蠕变曲线见图2的4，在175°C /50MPa70小时蠕变曲线见
图3中的4。 实施例2 :取商业纯Mg (99. 99wt. % ) 1090克(按20 %烧损计算)，取纯Al (99. 99wt. % ) 24 克(按20%烧损计算)，取纯Zn(99. 7wt. % ) 12克(按20%烧损计算)、取Mg-30wt. % Gd 中间合金88克(按30%烧损计算)。
按以下工艺制备 I.清理熔炼工具和坩锅，刷好涂料，并与合金原料在20(TC烘干，去除水汽；
II.将坩埚预热至60(TC后取出，依次加入Mg锭、Al锭； III.在N2气和SF6混合气体的保护下加热(其中SF6体积分数为1 % )，升温至 77(TC，待炉料完全熔化后，搅拌2分钟加入Zn锭和2wt^的Mg-Gd中间合金；
IV.保温30min ;然后将合金液降温至76(TC搅拌4min，静置15min使夹杂充分上 浮； V.在72(TC下进行捞渣、浇铸至金属模具中冷却成形，所述模具预热温度为
5200°C。 得到的合金实际成份为(以重量百分比计)A12. 0%， Znl. 2%， Gd2. 2%，杂质元 素的重量百分比为Si = 0. 013%， Fe = 0. 003%， Cu = 0. 014%， Ni = 0. 002%，余量为 Mg。合金的力学性能如下 室温拉伸抗拉强度o b为252MPa，屈服强度o 。 2为135MPa断后伸长率S为 10% ; 15(TC拉伸抗拉强度o b为146MPa，屈服强度o 。 2为85MPa断后伸长率S为
21. 5% ; 20(TC拉伸抗拉强度o b为148MPa，屈服强度o 。 2为90MPa断后伸长率S为 21% ; 150°C /50MPa第二阶段蠕变率为1. 55X 10—8s—1 ;
175°C /50MPa第二阶段蠕变率为4. 9 X 10—S—1 ;
200°C /50MPa第二阶段蠕变率为20. 5X 10—8s—1 ; 在150°C /50MPa 70小时蠕变曲线见图2的3，在175°C /50MPa 70小时蠕变曲线 见图3中的3。
实施例3 :取商业纯Mg(99.99wt. % ) 1060克(按20%烧损计算)，取纯Al (99. 99wt. % ) 24 克(按20%烧损计算)，取纯Zn(99. 7wt. % ) 12克(按20%烧损计算)、取Mg-30wt. % Gd 中间合金132克(按30%烧损计算)。
按以下工艺制备 I.清理熔炼工具和坩锅，刷好涂料，并与合金原料在20(TC烘干，去除水汽；
II.将坩埚预热至60(TC后取出，依次加入Mg锭、Al锭； III.在N2气和SF6混合气体的保护下加热(其中SF6体积分数为1 % )，升温至 76(TC，待炉料完全熔化后，搅拌1分钟加入Zn锭和3wt^的Mg-Gd中间合金；
IV.保温30min ;然后将合金液降温至75(TC搅拌2min，静置15min使夹杂充分上 浮； V.在720。C下进行捞渣、浇铸。 得到的合金实际成份为(以重量百分比计)A12. 2%， Znl. 3%， Gd3. 0%，杂质元 素的重量百分比为Si = 0. 014%， Fe = 0. 004%， Cu = 0. 013%， Ni = 0. 002%，余量为 Mg。合金的力学性能如下 室温拉伸抗拉强度o b为247MPa，屈服强度o 。 2为124MPa，断后伸长率S为 9% ; 15(TC拉伸抗拉强度o b为150MPa，屈服强度o 。 2为92MPa，断后伸长率S为 17% ; 20(TC拉伸抗拉强度o b为132MPa，屈服强度o 。 2为84MPa，断后伸长率S为 18% ;; 150°C /50MPa第二阶段蠕变率为1. 37X 10—8s—1 ;
175°C /50MPa第二阶段蠕变率为4. 3 X 10—S—1 ;
200°C /50MPa第二阶段蠕变率为5X 10—8s—、
在150°C /50MPa70小时蠕变曲线见图2的2，在175°C /50MPa70小时蠕变曲线见
图3中的2。 实施例4 :取商业纯Mg (99. 99wt. % ) 1045克(按20 %烧损计算)，取纯Al (99. 99wt. % ) 24 克(按20%烧损计算)，取纯Zn(99. 7wt. % ) 12克(按20%烧损计算)、取Mg-30wt. % Gd 中间合金154克(按30%烧损计算)。
按以下工艺制备 I.清理熔炼工具和坩锅，刷好涂料，并与合金原料在20(TC烘干，去除水汽；
II.将坩埚预热至60(TC后取出，依次加入Mg锭、Al锭； III.在N2气和SF6混合气体的保护下加热(其中SF6体积分数为1 % )，升温至 78(TC，待炉料完全熔化后，搅拌1分钟加入Zn锭和3. 5wt^的Mg-Gd中间合金；
IV.保温30min ;然后将合金液降温至75(TC搅拌2min，静置15min使夹杂充分上 浮； V.在72(TC下进行捞渣、浇铸。 得到的合金实际成份为(以重量百分比计)A12. 4%， Znl. 4%， Gd3. 5%，杂质元 素的重量百分比为Si = 0. 013%， Fe = 0. 004%， Cu = 0. 012%， Ni = 0. 002%，余量为 Mg。合金的力学性能如下 室温拉伸抗拉强度o b为242MPa，屈服强度o 。.2为121MPa，断后伸长率S为 7% ; 15(TC拉伸抗拉强度o b为137MPa，屈服强度o 。 2为84MPa，断后伸长率S为 14% ; 20(TC拉伸抗拉强度o b为119MPa，屈服强度o 。.2为73MPa，断后伸长率S为 16% ; 150°C /50MPa第二阶段蠕变率为1. 07X 10—8s—1 ;
175°C /50MPa第二阶段蠕变率为2. 2 X 10—S—1 ;
200°C /50MPa第二阶段蠕变率为1. 25X 10—8s—、 在150°C /50MPa 70小时蠕变曲线见图2的l，在175°C /50MPa 70小时蠕变曲线 见图3中的1。
权利要求
一种低成本耐热镁合金，其特征在于，主要成分及其重量百分比为Gd1.0-3.5％，Al 1.8-2.4％，Zn 0.8-1.4％，杂质元素的重量百分比为Si＜0.015％，Fe＜0.005％，Cu＜0.015％和Ni＜0.002％，余量为Mg。
2. 权利要求1的一种低成本的耐热镁合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤1) 采用商业纯Mg (99. 99wt. % )、纯Al (99. 99wt. % )、纯Zn (99. 7wt. % ) 、 Gd以 Mg-30wt. % Gd中间合金形式加入；2) 合金熔炼工艺为清理熔炼工具和坩锅，刷好涂料，并与合金原料在20(TC烘干，去 除水汽；将坩埚预热至60(TC后取出，在坩埚内依次加入Mg锭、A1锭，在N2气和SF6混合气 体的保护下加热，其中SF6体积分数为1 % ，升温至760-780°C ，待炉料完全熔化后，搅拌1_3 分钟加入Zn锭和Mg-Gd中间合金，保温20-30分钟；然后将合金液降温至750-76(TC搅拌 2-5分钟，静置15-20分钟，合金液在72(TC下进行捞渣后浇铸至金属模具中冷却成形，所述 模具预热温度为200°C。
全文摘要
本发明公开了一种低成本耐热镁合金及其制备方法。合金的主要成分及其重量百分比为Gd 1.0-3.5％，Al 1.8-2.4％，Zn 0.8-1.4％，杂质元素的重量百分比为Si＜0.015％，Fe＜0.005％，Cu＜0.015％和Ni＜0.002％，余量为Mg。制备方法包括将坩埚预热至600℃后，在坩埚内依次加入Mg锭、Al锭，在N2气和SF6混合气体的保护下加热，待炉料完全熔化后，搅拌1-3分钟加入Zn锭和Mg-Gd中间合金，保温20-30分钟；然后将合金液降温至750-760℃搅拌2-5分钟，静置15-20分钟，合金液在720℃下进行捞渣后浇铸至金属模具中冷却成形。提升了AZ系镁合金室温、高温及蠕变的力学性能，使其具备在较高高温下使用的商业价值。
文档编号C22C23/02GK101781730SQ20101013060
公开日2010年7月21日 申请日期2010年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者李淑波, 杜文博, 王旭东, 王朝辉 申请人:北京工业大学