专利名称：一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金板材及其制备方法。
背景技术：
镁合金作为最轻质的商用金属工程结构材料，具有比强度和比弹性模量高、阻尼吸震降噪性能优越、铸造成型性好、易于回收利用等优点，被誉为“21世纪绿色结构材料”， 具有广泛的应用前景。近年来，镁及其合金作为轻质结构材料引起了广泛的关注。在众多镁合金中，稀土镁合金具有良好的蠕变抗力，因此，大量的精力被用于研究如何提高稀土镁合金的强度。WEM合金是目前应用最广泛的含Nd和Y的商业高强镁合金。这种合金具有时效硬化的特点，并且薄片状的析出物在时效初期均勻的分布在基体中，从而获得高的蠕变抗力。近期发现在高温情况下含Gd和Y元素的镁合金具有比常规WE系镁合金更高的强度。Anthony et al.优化了 Gd 和 Y 在合金中的含量，发现 Mg_2. lGd-0. 6Y-0. 2 (at % ) 合金在峰值硬度条件下表现出强度、延伸率与蠕变抗力相协调的良好综合性能，此外，在 Mg-Gd-Y-Zr合金中添加Si元素，可以形成长周期堆垛结构(LPSO)，可以进一步提高合金的强度及高温稳定性，因此这种合金的力学性能要优于商业WEM镁合金，具有取代常规镁合金的潜力。但是密排六方结构的镁具有较低的对称性，也导致了力学性能中很高的各向异性。室温下，基面滑移占主导，而柱面锥面等滑移系统由于高的临界剪切应力而较难开动。 所以六方结构的镁合金的可加工性受到了限制，各向异性也比立方结构金属显著得多，并且添加稀土元素后，形成大量细小析出相，阻碍位错运动，增加了材料的加工难度。现有的轧制方法，一般单道次压下量< 15%，无法生产出晶粒细小、组织均勻的超高强镁合金板材，并且轧制过程容易开裂，限制了超高强镁合金板材的尺寸，严重影响了板材的应用。因此现有的轧制方法制备的镁合金板材存在晶粒粗大、组织不均勻、性能差问题。
发明内容
本发明要解决现有的轧制方法制备的镁合金板材存在晶粒粗大、组织不均勻、性能差问题，而提供一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法。一种超高强稀土镁合金板材按质量分数由2. 0% 17. 0% Gd、3. 0% 18. 0% Y, 0. 5% 3. 5% Si、0. 1. 5% ^ 和76. 0% 94. 0% Mg制备而成，且超高强稀土镁合金板材中Gd与Y的质量分数之和为m，5. 0%彡m彡20. 0%。一种超高强稀土镁合金板材的制备方法，具体是按以下步骤完成的一、制备稀土镁合金铸锭首先按质量分数2. 0% 17. 0% Gd、3. 0% 18. 0% Y、 0. 5% 3. 5% Ζη、0. 1. 5% Zr和76. 0% 94. 0% Mg配比材料，且配比的材料满足Gd 与Y的质量分数之和为m，5.0%<m <20.0%，然后采用砂模铸造、金属模铸造或半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在400°C 550°C下进行6h Mh的均勻化退火处理，然后将经过均勻化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为15mm 300mm、宽度为60mm 500mm、长度为IOOmm 3000mm的轧制坯料； 三、轧制将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为300°C 500°C，预热时间为5min 120min，然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为200°C 500°C，首先以轧制速度为1 lOm/min、单道次压下量为10% 30%进行1 5道次开坯轧制，每道次轧制结束后在200°C 500°C保温^iiin 60min，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为1 lOm/min、单道次压下量为 30% 80%继续轧制，每道次轧制结束后在200°C 500°C保温^iin 60min，最后一道次的压下量为40% 50%，且终轧后板材的累计变形量> 90%，将终轧后板材进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理在150°C 400°C 下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为0. 05 300h， 得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材进行淬火处理，即得到超高强稀土镁合金板材。本发明的优点一、本发明制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均勻； 二、本发明制备的超高强稀土镁合金板材在室温下进行检测可知抗拉强度为460MPa 520MPa，屈服强度为360MPa 430MPa，延伸率为4% 20%。
图1是对试验一步骤一至四得到产物进行性能测试得到的工程应变-工程应力曲线图，图中·表示步骤一得到稀土镁合金铸锭的工程应变-工程应力曲线图，图中 表示步骤二得到轧制坯料的工程应变-工程应力曲线图，图中▲表示步骤三得到轧制后板材的工程应变-工程应力曲线图，图中▼表示步骤一得到稀土镁合金板材的工程应变-工程应力曲线图；图2是试验一制备的稀土镁合金板材的1000倍光学显微组织；图3是对试验二步骤一至四得到产物进行性能测试得到的工程应变-工程应力曲线图，图中■表示步骤一得到稀土镁合金铸锭的工程应变-工程应力曲线图，图中 表示步骤二得到轧制坯料的工程应变-工程应力曲线图，图中▲表示步骤三得到轧制后板材的工程应变-工程应力曲线图，图中▼表示步骤一得到稀土镁合金板材的应变-应力曲线图；图4是试验二制备的稀土镁合金板材的1000倍光学显微组织。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式一种超高强稀土镁合金板材按质量分数由2. 0% 17. 0% Gd、3. 0% 18. 0% Υ、0· 5% 3. 5% Ζη、0· 1. 5% Zr 和 76. 0% 94. 0% Mg 制备而成，且超高强稀土镁合金板材中Gd与Y的质量分数之和为m，5. 0%< m < 20. 0%。本实施方式制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均勻。本实施方式制备的超高强稀土镁合金板材在室温下进行检测可知抗拉强度为 460MPa 520MPa，屈服强度为360MPa 430MPa，延伸率为4% 20%。
具体实施方式
二 本实施方式一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法，具体是按以下步骤完成的一、制备稀土镁合金铸锭首先按质量分数2. 0% 17. 0% Gd、3. 0% 18. 0% Y、 0. 5% 3. 5%Zn,0. 1. 5% Zr和76. 0% 94. 0% Mg配比材料，且配比的材料满足Gd与Y的质量分数之和为m，5.0%≤m ≤20.0%，然后采用砂模铸造、金属模铸造或半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在400°C 550°C下进行6h Mh的均勻化退火处理，然后将经过均勻化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为15mm 300mm、宽度为60mm 500mm、长度为IOOmm 3000mm的轧制坯料； 三、轧制将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为300°C 500°C，预热时间为5min 120min，然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为200°C 500°C，首先以轧制速度为1 lOm/min、单道次压下量为10% 30%进行1 5道次开坯轧制，每道次轧制结束后在200°C 500°C保温^iiin 60min，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为1 lOm/min、单道次压下量为 30% 80%继续轧制，每道次轧制结束后在200°C 500°C保温^iin 60min，最后一道次的压下量为40% 50%，且终轧后板材的累计变形量> 90%，将终轧后板材进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理在150°C 400°C 下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为0. 05 300h， 得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材进行淬火处理，即得到超高强稀土镁合金板材。本实施方式制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均勻。本实施方式制备的超高强稀土镁合金板材在室温下进行检测可知抗拉强度为 460MPa 520MPa，屈服强度为360MPa 430MPa，延伸率为4% 20%。采用下述试验验证发明效果试验一一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法，具体是按以下步骤完成的一、制备稀土镁合金铸锭首先按质量分数8. 3% Gd,3.8% YU. 0% Ζη、0· 4% Zr 和86. 5% Mg配比材料，然后采用半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料 将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在510°C下进行12小时的均勻化退火处理，然后将经过均勻化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为30mm、宽度为120mm、长度为150mm的轧制坯料；三、轧制将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为420°C，预热时间为40min，然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为400°C，首先以轧制速度为7m/min、单道次压下量为20%进行1道次开坯轧制，每道次轧制结束后在420°C保温lOmin，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为7m/min、单道次压下量为30% 80%继续轧制，每道次轧制结束后在420°C保温lOmin， 最后一道次的压下量为50%，且终轧后板材的累计变形量96%，将终轧后板材采用20°C的水进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理在 200°C下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为^h，得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材采用20°C的水进行淬火处理，即得到超高强稀土镁合金板材。本试验步骤一所述的材料为2#镁锭、Mg_30wt% Gd中间合金、Mg_30wt% Y中间合金、1#锌锭和Mg-25wt% Zr中间合金。在室温下对本试验每个步骤得到产物的性能测试，得到工程应力-工程应变曲线图，如图1所示，通过图1可知本试验步骤三制备的轧制后的板材抗拉强度为403MPa，屈服强度为318MPa，延伸率为13. 7% ；通过图1可知本试验步骤四最终制备的超高强稀土镁合金板材抗拉强度为517MPa，屈服强度为^6MPa，延伸率为4. 5%。对本试验制备的超高强稀土镁合金板材采用光学显微观察，得到1000倍的光学显微组织，如图2所示，通过图2可知本试验制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均勻。试验二 一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法，具体是按以下步骤完成的一、制备稀土镁合金铸锭首先按质量分数8. 3% Gd,3.8% YU. 0% Zn、0. 4% Zr 和86. 5%Mg配比材料，然后采用半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在510°C下进行12小时的均勻化退火处理，然后将经过均勻化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为15mm、宽度为120mm、长度为IOOmm的轧制坯料；三、轧制将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为400°C，预热时间为25min，然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为 400°C，首先以轧制速度为6m/min、单道次压下量为20%进行1道次开坯轧制，每道次轧制结束后在400°C保温7min，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为6m/ min、单道次压下量为30 % 80 %继续轧制，每道次轧制结束后在400 °C保温7min，最后一道次的压下量为60%，且终轧后板材的累计变形量90%，将终轧后板材采用20°C的水进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理在200°C 下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为32h，得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材采用20°C的水进行淬火处理， 即得到超高强稀土镁合金板材。本试验步骤一所述的材料为2#镁锭、Mg_30wt% Gd中间合金、Mg_30wt% Y中间合金、1#锌锭和Mg-25wt% Zr中间合金。在室温下对本试验每个步骤得到产物的性能测试，得到工程应力-工程应变曲线图，如图3所示，通过图3可知本试验步骤三制备的轧制后的板材抗拉强度为393MPa，屈服强度为311MPa，延伸率为16. 5% ；通过图3可知本试验步骤四最终制备的超高强稀土镁合金板材抗拉强度为466MPa，屈服强度为405MPa，延伸率为2. 8%。对本试验制备的超高强稀土镁合金板材采用光学显微观察，得到1000倍的光学显微组织，如图4所示，通过图4可知本试验制备的超高强稀土镁合金板材晶粒细小、组织均勻。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
二的不同点是步骤一中所述的材料为纯Mg锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、纯Si锭、Mg-Zn中间合金和中间合金。其它与具体实施方式
二相同。
权利要求
1.一种超高强稀土镁合金板材，其特征在于稀土镁合金板材按质量分数由2.0% 17. 0% Gd、3. 0% 18. 0% Υ、0· 5% 3. 5% Ζη、0· 1. 5% Zr 和 76. 0% 94. 0% Mg 制备而成，且超高强稀土镁合金板材中Gd与Y的质量分数之和为m，5. 0%彡m彡20. 0%。
2.如权利要求1所述的一种超高强稀土镁合金板材的制备方法，其特征在于稀土镁合金板材的制备方法是按以下步骤完成的一、制备稀土镁合金铸锭首先按质量分数2.0% 17.0% Gd、3.0% 18.0% Y、 0. 5% 3. 5%Zn,0. 1. 5% Zr和76. 0% 94. 0% Mg配比材料，且配比的材料满足Gd 与Y的质量分数之和为m，5.0%<m <20.0%，然后采用砂模铸造、金属模铸造或半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭；二、制备轧制坯料将步骤一制备的稀土镁合金铸锭在40(TC 550°C下进行6h Mh的均勻化退火处理，然后将经过均勻化退火处理的稀土镁合金铸锭切割成厚度为15mm 300mm、宽度为60mm 500mm、长度为IOOmm 3000mm的轧制坯料； 三、轧制将步骤二制备的轧制坯料放入加热炉中进行预热，预热温度为300°C 500°C，预热时间为5min 120min，然后采用预热后的轧辊对预热后的轧制坯料进行开坯轧制，轧辊的预热温度为200°C 500°C，首先以轧制速度为1 lOm/min、单道次压下量为10% 30%进行1 5道次开坯轧制，每道次轧制结束后在200°C 500°C保温^iiin 60min，得到开坯轧制后板材，然后对开坯轧制后板材以轧制速度为1 lOm/min、单道次压下量为 30% 80%继续轧制，每道次轧制结束后在200°C 500°C保温^iin 60min，最后一道次的压下量为40% 50%，且终轧后板材的累计变形量> 90%，将终轧后板材进行淬火处理，然后冷却至室温即得到待时效处理的稀土镁合金板材；四、时效处理在150°C 400°C 下将步骤三得到待时效处理的稀土镁合金板进行时效处理，时效处理时间为0. 05 300h， 得到时效处理后稀土镁合金板材，然后将时效处理后稀土镁合金板材进行淬火处理，即得到超高强稀土镁合金板材。
3.根据权利要求2所述的一种超高强稀土镁合金板材的制备方法，其特征在于步骤一中所述的材料为纯Mg锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、纯Si锭、Mg-Si中间合金和中间合金。
全文摘要
一种超高强稀土镁合金板材及其制备方法，它涉及一种镁合金板材及其制备方法。本发明要解决现有的轧制方法制备的镁合金板材存在晶粒粗大、组织不均匀、性能差问题。本发明超高强稀土镁合金板材按质量分数由2.0％～17.0％Gd、3.0％～18.0％Y、0.5％～3.5％Zn、0.1％～1.5％Zr和76.0％～94.0％Mg制备而成。方法首先采用砂模铸造、金属模铸造或半连续铸造制备成稀土镁合金铸锭，其次采用均匀化退火处理，并切割成轧制坯料，再次采用开坯轧制得到轧制后的板材；最后经时效处理得到超高强稀土镁合金板材。本发明主要用于制备超高强稀土镁合金板材。
文档编号C22F1/06GK102337441SQ201110331370
公开日2012年2月1日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者乔晓光, 吴昆 , 徐超, 杜玉洲, 王尔德, 王晓军, 胡小石, 郑明毅, 陈英时 申请人:哈尔滨工业大学