专利名称：一种锻造用稀土镁合金铸坯材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料及冶金领域，具体涉及一种锻造用稀土镁合金铸坯材料及其制备方法。
背景技术：
镁合金是比模量最高和比强度仅次之钛合金处于第二位的金属结构材料，并具有优良电磁屏蔽性能、阻尼减震性能、高效绿色回收等特性，尤其是实现构件/零件的轻量化，具有不可替代的优势。随着高新武器装备、交通工具、电子产品等向轻量化、高性能的发展，镁合金的应用将越来越广泛。目前,商业化镁合金主要分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。在铸造镁合金中， AZ91系列属于强度较高、塑性较差的铸造镁合金(室温抗拉强度Rm = 230MPa、断后伸长率 A = 3% )，主要应用于综合性能要求不高的压铸镁合金零件；在变形镁合金中，ZK61系列属于强度、塑性匹配较佳的变形镁合金(室温抗拉强度Rm = 310MPa、断后伸长率A= 10%)， 但该系列镁合金必须通过从铸坯到变形坯料的预变形处理工序，才能采用等温精密挤压、 冲压等成形方法制备出高性能的镁合金零件，但ZK61系列镁合金预变形处理工序的成材率仅40%，导致该系列变形镁合金材料昂贵(ZK61M达25万元/吨)，并且浪费资源。在可持续发展和节能减排的大环境下，必须降低镁合金的制造成本，同时提高强度、韧性和可成形性，进一步扩大镁合金的应用范围。尽管国内外研究者基于ZK61系列镁合金进行了多元微合金化、晶粒细化、强韧化改性等研究工作，但是其收效甚微，并且成本偏高。因此，开发一种锻造用稀土镁合金铸坯材料是目前急需解决的关键问题。
发明内容
由于目前ZK61M系列镁合金的上述问题，本发明公开了一种新的稀土镁合金铸坯材料以及该铸坯材料的制备方法。本发明的技术方案如下一种锻造用稀土镁合金铸坯材料，其组分及其重量百分比为5. O 6. Owt% Zn，
I.O 2. Owt% Nd, O. 3 O. 8wt% La, O. 2 O. 5wt% Pr, O. 3 O. 9wt% Zr，余量为 Mg。上述技术方案所述的锻造用稀土镁合金铸坯材料，其中，所述组分及其重量百分比为 5. 5wt% Zn, I. 5wt% Nd, O. 6wt% La, O. 3wt% Pr, 0. 5wt% Zr,余量为 Mg。上述技术方案中所述的锻造用稀土镁合金铸坯材料的制备方法，包括下述步骤(I)、以纯镁锭，纯锌锭，Mg-30Zr中间合金以及含NcULa和Pr的混合稀土合金为原料，按照上述技术方案中所述的锻造用稀土镁合金铸坯材料成分的重量百分比进行备料；(2)、将纯镁、纯锌、中间合金Mg-30Zr和混合稀土合金分别预热到180 200°C，然后将纯镁锭放入有sf6/co2气体保护的熔炉中熔化；(3)、待镁锭熔化后，在670 700°C加入纯锌，当镁液温度达到720 750°C后，将混合稀土合金直接加入到镁液中，待混合稀土合金熔化后，将镁液温度升高到750 780°C时加入Mg-30Zr中间合金，待Mg-30Zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌5 IOmin ；(4)、搅拌后将镁合金液温度降至740 760V，通入氩气精炼10 20min，精炼后将温度升高到760 780°C，静置20 40min ；(5)、静置后镁合金液冷却至720 730°C后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具(Φ90Χ400πιπι)预先加热至200 250°C，浇铸得到锻造用稀土镁合金铸坯材料。在本发明的制备方法中分别按照锻造用稀土镁合金铸坯材料下述组分及其重量百分比进行备料(I)、为5. Owt % Zn, I. Owt % Nd, O. 3wt % La, O. 2wt % Pr, O. 3wt% Zr,余量为 Mg ； 或(2)、5· 5wt% Zn, I. 5wt% Nd, 0. 6wt% La, 0. 3wt% Pr, 0. 5wt% Zr,余量为 Mg ;或(3)、6· Owt % Zn, 2. Owt % Nd, 0. 8wt% La, 0. 5wt% Pr, 0. 9wt% Zr,余量为 Mg ;或选取上述范围内各组分的任意比例进行备料。本发明制备所得的稀土镁合金铸坯材料中的材料经化学成分分析法或等离子直读光谱仪(ICP)等本领域常规的检测方法进行检测。本发明合金中加入的混合稀土元素主要为Nd，Nd ( 2. Owt %，Nd与Mg的共晶温度为552°C，且固溶度为3. 6%，因此只需加入少量的Nd就可以保障合金有良好的时效析出强化和固溶强化效果。本发明中设计的成分Nd ( 2. Owt%，减少铸造态镁合金晶界处棒状相 MgZn2,并改善MgZn相形态、大小和分布,提高铸造态镁合金的塑性与成形性。本发明合金中加入少量的La, La ( O. 8wt%,在镁合金凝固时可以起到异质形核的作用，同时净化合金熔体，改善合金的工艺性能。本发明合金中加入少量的Pr，Pr彡O. 5wt%，可以与La协同起到细化晶粒的效果， 降低Zr的加入量，降低成本，同时提高铸造态镁合金的综合性能。本发明具有以下有益效果(I)、稀土镁合金铸坯材料强度与塑性匹配好。本发明所制得的稀土镁合金铸坯材料兼具高强度高塑性的特征，特别适合采用铸坯材料直接塑性成形的镁合金零件，如汽车轮毂、轮辋等，室温抗拉强度彡320MPa，断后伸长率彡11%。(2)、稀土镁合金铸坯材料制造成本低。本发明通过添加混合稀土元素(Nd、La、Pr) 来代替单一纯稀土元素，提高了稀土元素的收得率，降低合金的制造成本，优化了合金的组分。(3)、稀土镁合金铸坯材料熔炼工艺稳定。本发明采用混合稀土元素，显著降低合金的熔炼温度，减少晶粒细化剂Zr的使用量，同时不降低晶粒细化效果；采用该熔炼工艺不仅有效降低熔炼后合金中的夹杂物数量，而且也降低了熔炼时合金保护难度，使该系合金的工业化生产成为现实。(4)、稀土镁合金铸坯材料应用范围广泛。本发明进一步对不同固溶温度和保温时间下合金的固溶行为进行了全面研究，优化出最佳的固溶处理工艺，该铸坯材料不仅可以通过挤压、轧制等方法成形出变形坯料，而且还可以直接应用于高性能零件的塑性成形，减少铸坯材料到变形镁合金材料的预变形处理工序，缩短生产制造流程。本发明通过添加少量混合稀土元素改善ZK61铸造态镁合金的显微组织形态与相结构，提高铸造态镁合金的塑性、可成形性，从而可以直接替代ZK61M变形镁合金材料，锻造成形出高性能的镁合金零件。
具体实施例方式为使本发明的技术方案便于理解，以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明，本发明中所使用的原料均为市场购买所得。实施例锻造用稀土镁合金铸坏材料的制备:(I)、按照表I “锻造用稀土镁合金铸坯材料化学成分”中所示的实施例I、实施例 2和实施例3中各元素百分含量准备纯锌锭、Mg-30Zr中间合金以及含Nd、La和Pr的混合稀土合金，余量为纯镁锭；(2)、将纯镁、纯锌、中间合金Mg_30Zr、混合稀土合金预热到180°C，然后将纯镁锭放入有sf6/co2气体保护的熔炉中熔化。(3)、待镁锭熔化后，在680°C加入纯锌，当镁液温度达到720°C后，将混合稀土合金直接加入到镁液中，待混合稀土合金熔化后，将镁液温度升高到760°C时加入Mg-30Zr中间合金，待Mg-30Zr中间合金熔化后撇去表面浮洛,搅拌5min。(4)、搅拌后将镁合金液温度降至760V，通入氩气精炼lOmin，精炼后将温度升高到 780°C，静置 20min。(5)、静置后镁合金液冷却至730 °C后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具(Φ90Χ400πιπι)预先加热至250 °C，浇铸得到锻造用稀土镁合金铸坯材料 Mg-Zn-Nd-La-Pr-Zr合金,经化学成分分析法或等离子直读光谱仪(ICP)检测,合金化学成分如表I所示；表I锻造用稀土镁合金铸坯材料化学成分
权利要求
1.一种锻造用稀土镁合金铸坯材料，其组分及其重量百分比为5. O 6. Owt % Zn，I.O 2. Owt% Nd, O. 3 O. 8wt% La, O. 2 O. 5wt% Pr, O. 3 O. 9wt% Zr，余量为 Mg。
2.根据权利要求I所述的锻造用稀土镁合金铸坯材料，其特征在于所述组分及其重量百分比为 5. 5wt% Zn, I. 5wt% Nd, O. 6wt% La, O. 3wt% Pr, 0. 5wt% Zr,余量为 Mg。
3.一种制备锻造用稀土镁合金铸坯材料的方法，包括下述步骤(1)、以纯镁锭，纯锌锭，Mg-30Zr中间合金以及含NcULa和Pr的混合稀土合金为原料， 按照权利要求I中所述的锻造用稀土镁合金铸坯材料成分的重量百分比进行备料；(2)、将纯镁、纯锌、中间合金Mg-30Zr、混合稀土合金预热到180 200°C，然后将纯镁锭放入有SF6/C02气体保护的熔炉中熔化；(3)、待镁锭熔化后，在670 700°C加入纯锌，当镁液温度达到720 750°C后，将混合稀土合金直接加入到镁液中，待混合稀土合金熔化后，将镁液温度升高到750 780°C时加入Mg-30Zr中间合金，待Mg-30Zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌5 IOmin ；(4)、搅拌后将镁合金液温度降至740 760V，通入氩气精炼10 20min，精炼后将温度升高到760 780°C，静置20 40min ；(5)、静置后镁合金液冷却至720 730°C后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至200 250°C，浇铸得到Mg-Zn-Nd-La-Pr-Zr合金，其中合金成分为5. O 6.Owt % Zn, I. O 2. Owt % Nd, O. 3 O. 8wt % La, O. 2 O. 5wt % Pr, O. 3 O. 9wt % Zr,余量为Mg。
4.一种制备锻造用稀土镁合金铸坯材料的方法，包括下述步骤(1)、以纯镁锭，纯锌锭，Mg-30Zr中间合金以及含NcULa和Pr的混合稀土合金为原料， 按照权利要求2中所述的锻造用稀土镁合金铸坯材料成分的重量百分比进行备料；(2)、将纯镁、纯锌、中间合金Mg-30Zr、混合稀土合金预热到180 200°C，然后将纯镁锭放入有SF6/C02气体保护的熔炉中熔化；(3)、待镁锭熔化后，在670 700°C加入纯锌，当镁液温度达到720 750°C后，将混合稀土合金直接加入到镁液中，待混合稀土合金熔化后，将镁液温度升高到750 780°C时加入Mg-30Zr中间合金，待Mg-30Zr中间合金熔化后撇去表面浮渣，搅拌5 IOmin ；(4)、搅拌后将镁合金液温度降至740 760V，通入氩气精炼10 20min，精炼后将温度升高到760 780°C，静置20 40min ；(5)、静置后镁合金液冷却至720 730°C后撇去表面浮渣进行浇铸，浇铸用钢制模具 (Φ 90 X 400mm)预先加热至200 250°C，浇铸得到Mg-Zn-Nd-La-Pr-Zr合金，其中合金成分为5. 5wt% Zn, I. 5wt% Nd, O. 6wt% La, O. 3wt% Pr, 0. 5wt% Zr,余量为 Mg。
全文摘要
本发明一种锻造用稀土镁合金铸坯材料，属于金属材料技术领域。所述材料中各组分及其重量百分比为5.0～6.0wt％Zn，1.0～2.0wt％Nd，0.3～0.8wt％La，0.2～0.5wt％Pr，0.3～0.9wt％Zr，余量为Mg。本发明通过添加少量混合稀土元素改善ZK61铸造态镁合金的显微组织形态与相结构，提高铸造态镁合金的塑性、可成形性，从而可以直接替代ZK61M变形镁合金材料，锻造成形出高性能的镁合金零件。
文档编号C22C1/03GK102586661SQ20121006233
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者康凤, 林军, 胡传凯, 舒大禹, 赵志翔, 赵祖德, 陈嫚丽, 陈强, 黄树海 申请人:中国兵器工业第五九研究所