专利名称：一种Al、Zn强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金的制作方法
技术领域：
本发明属于轻金属镁合金材料类，涉及镁合金的室温性能和高温性能的改性。
背景技术：
镁合金作为最轻的金属结构材料，在节能减排任务尤重当今社会情况之下，将会有很好的应用前景，因为在航天、军工、汽车及其他很多行业中，减重即可降低能耗。同时， 还因为镁合金具有比重轻、比强度比刚度高、阻尼减振降噪能力强、液态成型性能优越和易于回收利用等优点被誉为21世纪“绿色结构材料”。虽然镁合金有诸多优点，但也有一些限制其应用的不足之处。现有的镁合金塑性和屈服强度普遍较差(如AZ系列和AM系列)， 尤其是镁合金的高温抗蠕变性能差(如Mg-Al系)，使得镁合金不能长期工作在温度超过 120°C的环境中，因此这就限制了镁合金零件不能作为一些耐热部件来使用，大大的限制了镁合金的应用范围。也正是基于这些原因，现在国内外对高强高韧镁合金以及耐热镁合金的研究都倾注了很大的热情。根据现有的专利和文献检索发现，已经有一些专利和文献公开了一些高强度耐热镁合金的制备方法和工艺。如专利CN 101440449A公开了 “一种多元耐热镁合金及其制备方法”，其成分设计为 Sn :3°/Γ5%、Mn :1. 0°/Γ . 5%、Ca :0. 9°/Γ . 8%、Ce :0. 3°/Γθ. 6%、Sc 0. 39ΓΟ. 5%、Sr :0. 089Γ0. 12%，根据所提供实例，合金的经过固溶时效处理后室温抗拉强度为180MPa左右，屈服强度为160MPa左右，延伸率为3% 4%，稳态蠕变速率范围为3X10_8 S-1IXlO-8SA专利CN 101532107A公开了 “一种耐热稀土镁合金及其制备方法”，其成分设计为 Gd :8% 15%、Y :2% 5%、Sm :0. 4% 4. 5%、Zr :0. 3% 0. 7%、Sb :0. 3% 2%，根据所提供实例，合金的经过固溶时效处理后室温抗拉强度为270MPa左右，延伸率为39Γ4%。专利CN 101463441Α公开了 “含稀土高强度耐热镁合金及其制备方法”，其成分设计为Y :39Tl6%、 Gd :0 10%、Ca :0. 3% 5%、Zr :0· 1% 1· 5%以及一种或几种含量范围为0 5%的Nd、Si、Sb、Ti、 Sn、Sr、Bi、Cd，根据所提供实例，合金铸态下室温抗拉强度范围为170MPa 210MPa，延伸率为 5%左右。这些专利提供了具有较高强度的耐热镁合金，然而从这些专利也可看出，目前大多数高强度耐热镁合金也有一些不足之处，首先是这些合金的成分较为复杂，含有的高熔点金属较多，生产工艺不太好控制，其次是合金中含有含量较高的价格较为昂贵的金属元素， 使得合金的经济成本增加较明显，还有一点就是合金的强度虽然较高，但是塑性较差。为了降低耐热镁合金的经济成本，现在也有研发出来的一些不含稀土的耐热镁合金，如Mg-Al-Ca系、Mg-Al-Si系和Mg-Al-Sr系等。但是，根据专利CN 101476072A (一种含Ca和Sr的耐热变形镁合金)、CN 1614064A (一种含Ca和Si的高强度抗蠕变变形镁合 D UR R. NinomiyaActa metal. Mater ±白勺^；· Improved heat resistance of Mg-Al alloys by the Ca addition (Ca对Mg-Al系镁合金蠕变性能的提高)的报道， Mg-Al-Ca系合金中因为容易形成尺寸较为粗大的M&Ca的相和Al2Ca相，恶化合金室温力学性能，同时较高的Ca含量使得合金铸造困难;Mg-Al-Si系合金组织中存在粗大的汉子状的Mg2Si相，严重危害其力学性能，使得其只能在快速冷却的压铸工艺下成型；Mg-Al-Sr系的AJ52、AJ62等合金熔炼及浇注温度要求高，压铸难，而且在普通的重力铸造下为AJ52合金的抗拉强度仅为150MPa左右，延伸率仅为6%左右。综上所述，现在研发出来的耐热镁合金存在经济成本高，成型工艺要求苛刻，特别是室温性能不很理想等不足之处，使得镁合金的应用受到不同程度的限制。因此，开发出经济性高，强度和塑性较好的耐热镁合金，能够在很大程度上扩展镁合金的应用领域，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有耐热镁合金的不足之处，提供一种耐热性能良好，同时又具有较高的室温性能的一种强塑性耐热镁合金。为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是一种Al、Si强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，由以下的质量百分比的组分组成2 8wt. %Sn, 0. 5 3wt. %RE,广6wt. %M,其中RE为廉价轻稀土 La和Ce，M为Zn或Al 或Si和Al混合，余量为Mg。所述的强塑性耐热镁合金由镁锭、锡锭、铝锭和中间合金Mg-La和Mg-Ce为原料熔炼而成，不排除加入其它少量合金元素(彡Iwt. %)，如Mn、Zr、Sb、Si、Sr等。本发明的基合金组分为Mg-Sn-RE，其中RE较为廉价轻稀土元素La和Ce。本发明中Sn为第一组分，因为Mg-Sn 二元合金凝固区间小，凝固过程诸如缩孔疏松、热裂等铸造缺陷少。Sn在Mg中的固溶度从在共晶形成温度561°C的14. 85wt%到200°C的0. 45wt%,如此大的固溶度的变化范围，为后续的时效处理以提高机械性能提供了很大的空间，可开发出强韧性能优良的镁合金；析出相Mg2Sn(FCC晶体结构，a=0.676nm，空间群)的熔点高达 771. 5°C，开发以Mg-Sn为基础抗蠕变合金有很好的前景。另外，相对于稀土 Nd、Y、Gd等，加入少量的廉价稀土 La和Ce，在发挥稀土元素所具有的热稳定性、提高室温强度以及净化溶剂、改善铸造工艺性能等作用的同时，又不会明显增加合金的成本。因此，Mg-Sn-La/Ce系列合金具有较好的开发潜力。然而，简单的Mg-Sn-La/Ce三元合金虽然具有较好的高温抗蠕变性能，但其室温强度和塑性并不理想，因此本发明通过加入Al和Si来强化Mg-Sn-La/Ce 系列合金，提高其室温强度的和塑性。同时进一步提高合金的高温性能。因为Al和Si在镁合金中有较高的固溶度，能够发挥固溶强化作用，同时Al和Si在镁合金中有较为明显的晶粒细化作用，根据已有研究同样可知Al和Si既能提高镁合金的强度，又能提高镁合金的韧性。在Mg-Sn-RE系合金中，Al、Si可以和Mg及RE形成热稳定性好的AlnRE3、Al4Ce相、 Mg-Al-RE和Mg-Zn-RE三元相以及Mg-Sn-Al-RE和Mg-Al-Si-RE四元相，从而进一步提高合金的耐热性能。由于Al和Si本身在镁合金中的固溶度以及与Mg、Sn、RE等形成第二相的消耗，在Mg-Sn-RE合金中加入Al以及Si的含量少于6wt%时也不会有明显的非热稳相 Mg17Al12和低熔点相MgSi的析出，不会影响到合金的耐热性能。本发明高强韧耐热铸造镁合金的制备实施方法包括如下步骤。1)将镁锭、锡锭、铝锭和Mg-RE中间合金按照目标合金中组分含量的质量百分比进行配料，并放入烘干箱中预热，如采用至120°C左右的温度预热。2)将坩埚加热至760°C左右，之后放入步骤1)中预热的镁锭，通入队和F6S混合气体的保护。3)待步骤2)中的镁锭熔化后，将温度调至730°C左右，保温5分钟左右后放入放入步骤1)中预热的纯锡、铝锭和Mg-RE中间合金。4)步骤3)保温15分钟左右，保证加入的合金充分熔化后，再充分搅拌广2分钟， 以保证合金液充分混合。5)搅拌后静置15分钟以上后测温，保证合金液温度稳定在720°C左右，撇渣，然后浇注入预热的金属型模具中。即得到目标合金。步骤2)所述的N2和F6S混合保护气体中SF6的体积分数为0. 01°/Γ %。步骤5)所述的金属型模具预热至24(T260°C。本发明的优点及有益效果如下。1、本发明的镁合金铸造工艺简单，只需普通重力铸造完成。2、本发明与现有的高强耐热镁合金相比，所含稀土元素量少价廉，合金经济成本相对较低。3、本发明的镁合金以Mg-Sn-RE为基，通过加入廉价金属Al、Zn来提高强度和塑性，成分范围未见报道。4、本发明的镁合金室温强度和高温抗蠕变能力都有较大提高，本发明的镁合金铸态下抗拉强度可达到270MPa，延伸率可达到15%左右，175°C，55MPa下的稳态蠕变速率可降低至1. 0x10—7% · s左右，远低于同等实验条件下的AJ52x的4. 4 xlO—7% · s。
图1为本发明对比例1 (Mg5Sn2Ce)的SEM照片。图2为本发明实施例1-2 (Mg5Sn2Ce4Al)的SEM照片。图3为本发明实施例2-2 (Mg5Sn2Ce4Zn)的SEM照片。图4为本发明实施例3-2 (Mg5Sn2Ce3A13Zn)的SEM照片。图5为本发明对比例与部分实施例(1-2、2-2、3_2)室温拉伸曲线。图6为本发明对比例与部分实施例(1-2、2-2、3_2)高温蠕变曲线。
具体实施例方式下面将通过两个对比例和三类实例对本发明作进一步说明。对比例和实施例的性能见表1。对比例1 一种Mg-Sn-RE耐热镁合金，所述镁合金中各组分的质量百分比为 5%Sn、2%Ce，余量为Mg和不可避免的杂质。合金铸态室温抗拉强度为200MPa，延伸率为 10. 4% ； 175°C，55MPa 下的稳态蠕变速率为 1. 35 xl(T6/% · s。对比例2 —种不含稀土的AJ系的耐热镁合金AJ52x。合金成分质量百分比为5%A1和^1Sr以及微量元素Mn。合金铸态下室温抗拉强度为145MPa，延伸率为6. 4% ； 175°C，55MPa下的稳态蠕变速率为4. 4x10^7% · S。实施例类一一种添加Al强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金。实施例1-1 一种添加Al强化Mg-Sn-Ce基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为5%Sn、2%Ce，2%Al，余量为Mg和不可避免的杂质。合金铸态室温抗拉强度为 2IOMPa ；延伸率为14. 4%, 175°C，55MPa下的稳态蠕变速率为3. 9 xl(T7/% · s。实施例1-2 —种添加Al强化Mg-Sn-Ce基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为5%Sn、2%Ce，4%Al，余量为Mg和不可避免的杂质。合金铸态室温抗拉强度为 244MPa，延伸率为12. 0% ； 175°C，55MPa下的稳态蠕变速率为1. 6 xl(T7/% · s。实施例类二 一种添加Si强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金。实施例2-1 —种添加Si强化Mg-Sn-Ce基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为5%Sn、2%Ce，2%Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。合金铸态室温抗拉强度为 220MPa，延伸率为15. 0% ； 175°C，55MPa下的稳态蠕变速率为5. 0 xl(T7/% · s。实施例2-2 —种添加Si强化Mg-Sn-Ce基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为5%Sn、2%Ce，4%Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。合金铸态室温抗拉强度为 M5MPa，延伸率为14. 5% ； 175°C，55MPa下的稳态蠕变速率为3. 5 xl(T7/% · s。实施例类三一种Al和Si复合加入强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金。实施例3-1 —种Al和Si复合加入强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为5%Sn、2%Ce，4%Al和2%Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。合金铸态室温抗拉强度为230MPa，延伸率为10. 5% ； 175°C, 55MPa下的稳态蠕变速率为1. 3x10—7% · S。实施例3-2 —种Al和Si复合加入强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为5%Sn、2%Ce，3% Al和3%Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。合金铸态室温抗拉强度为237MPa，延伸率为10. 6% ； 175°C, 55MPa下的稳态蠕变速率为1. 4xl0"7/% · s。实施例3-3 —种Al和Si复合加入强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，合金中各组分的质量百分比为5%Sn、2%CeJ% Al和4%Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。合金铸态室温抗拉强度为224MPa，延伸率为9. 4% ； 175°C，55MPa下的稳态蠕变速率为2. 5xl0"7/%-S0表1对比例和实施例的室温力学性能和高温抗蠕变能力比较。
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权利要求
1.一种Al、Zn强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，其特征在于，合金化学式为 Mg-xSn-yRE-zM，M 代表 Al 禾口 Zn，2wt% 彡 χ 彡 8wt%、0. 5wt% 彡 y 彡 3wt%、lwt% 彡 ζ 彡 6wt%, 其余为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中同时含有 Sn 和 RE，其含量分别为2wt% ^ Sn ^ 8wt%、0. 5wt% ^ RE ^ 3wt %。
3.根据权利要求2所述的一种Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中的 RE 为 La,其含量为 0. 5wt% ^ La ^ 3wt%。
4.根据权利要求2所述的一种Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中的 RE 为 Ce，其含量为 0. 5wt% ^ Ce ^ 3wt%。
5.根据权利要求2所述的一种Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中的 RE为La和Ce混合添加，其含量为0. 5wt%彡La+Ce彡3wt%。
6.根据权利要求1所述的一种Al、Zn强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中除含有权利要求2所述的Sn和RE之外，合金中还添加Al，其含量为 lwt% ^ Al ^ 6wt%。
7.根据权利要求1所述的一种Al、Si强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中除含有权利要求2所述的Sn和RE之外，合金中还添加Zn，其含量为 lwt% ^ Zn ^ 6wt%。
8.根据权利要求1所述的一种Al、Zn强化Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中除含有权利要求2所述的Sn和RE之外，合金中还同时添加Al和Zn，其含量为 lwt% 彡 Al+Zn 彡 6wt%。
9.根据权利要求1要求的一种Mg-Sn-Sr基高强韧耐热镁合金，其特征在于合金中含有质量分数在0. 00Γ1%的其他少量的合金元素，如Mn、Zr、Ca、Sr、Sb、Si，以及不可避免的微量杂质，如Cu、Ni、Fe、Be。
全文摘要
本发明提供一种含廉价轻稀土的Mg-Sn-RE基高强韧耐热镁合金。该合金的成分为Mg-xSn-yRE-zM,2wt%≤x≤8wt%、0.5wt%≤y≤3wt%、1wt%≤z≤6wt%。其中，RE代表La和Ce，M为Al和Zn中的一种或两种元素，其余为Mg和少量其它元素及不可避免的杂质。本发明中Al和Zn对Mg-Sn-RE基合金的强化效果显著，铸态下合金抗拉强度可达到270MPa，延伸率可达15%左右，175℃，55MPa下的稳态蠕变速率可降低至1.0x10-7/%·s左右，远低于AJ系耐热镁合金AJ52x的稳态蠕变速率。同时，相对于现有含稀土耐热镁合金，本发明的镁合金经济性更好。
文档编号C22C23/00GK102242298SQ20111018513
公开日2011年11月16日 申请日期2011年7月4日 优先权日2011年7月4日
发明者丁武城, 唐永柏, 李世成, 肖素芬, 陈云贵 申请人:四川大学