一种含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金，该合金的成分包含Mg、Zn、Zr、Ce、Y，各组分质量百分含量为：Zn：4.90~5.20wt.%；Zr：0.50~0.80wt.%；Ce：0.50~0.70wt.%；Y：0.10~1.50wt.%；不可避免的杂质＜0.12wt.%；余量为Mg。在ZK60镁合金中加入一定量的铈与钇，能有效细化晶粒，铈、钇与合金中的镁、锌形成细小弥散的强化相，能有效阻碍热变形过程中再结晶晶粒的长大并强化基体，可获得高的屈强比，屈服强度超过300MPa，显著高于高强度变形镁合金ZK60，同时保证了较好的塑性。本发明的材料可增加机械零件可靠性，改善产品质量，提高材料利用率，充分挖掘了镁合金材料的使用潜力。
【专利说明】一种含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镁合金，特别涉及一种含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金。
[0002]
【背景技术】
[0003]镁及镁合金在工程应用金属结构材料中是最轻质的材料，它具有密度低，比强度、比刚度高，铸造性能好，减震性好，电磁屏蔽性能高，易于切削加工和可回收等诸多优点。在电子、电器、汽车、航天、航空和国防军工等领域有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。在诸多优点中，尤其是镁合金的轻量化，是铝合金和钢铁等难以替代的，如镁合金汽车轮毂，不仅可以使汽车减轻重量，而且节能减排，使交通环境更加绿色环保。然而，由于镁独特的密排六方结构，变形时可启动的滑移系少，使镁合金的绝对强度较低，塑性变形能力较差，大大的限制了镁合金在结构材料上的广泛应用。[0004]金属材料的屈强比是指材料的屈服强度与抗拉强度的比值。屈强比是衡量材料强度储备的一个系数。在材料拉伸变形的过程中，当受力超过屈服点，就会产生较大的塑性变形，已不能满足使用要求，甚至出现安全隐患。对于机械结构件，屈强比越高，材料在屈服前的工作时间长，可使材料的利用率提高，节约材料，减轻重量；同时也意味着材料的使用强度距离安全强度值越小，零件的可靠性高，可提高产品质量，降低成本。若在高的屈强比下能保证较好的塑性，可使材料的安全使用性得到保障，这充分挖掘了材料的应用潜力。
[0005]目前商用变形镁合金主要有Mg-Zn-Zr系、Mg-Al-Zn系和Mg-Mn系，典型的牌号分别为ZK60、AZ31和MB8，其中，ZK60为高强镁合金，AZ31和MB8具有中等的强度和良好的塑性。为了提高变形镁合金的强度，常用的方法有合金化、加工变形和热处理。复杂的加工变形往往不均匀，使组织存在较大应力，而热处理时，温度控制范围误差大不易调控。考虑到我国是稀土资源极度丰富的国家，若在合金冶炼及铸造的过程中加入微量的稀土元素，不仅能显著的改善合金的强度，提高屈强比，还能保证较好的塑性，较加工变形和热处理可节约人力物力资源，也更易调控和操作。
[0006]
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金，所述镁合金材料通过加入微量的稀土铈与钇后选择较优的合金成分获得高屈强比，同时保证较好的塑性。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金，其特征在于，包括如下重量百分比的组分:Zn:4.90~5.20 wt.% ；Zr:0.50~0.80 wt.% ；Ce:0.50~0.70 wt.% ；Y:0.1 (Tl.50 wt.% ;不可避免的杂质< 0.12 wt.% ;余量为Mg。
[0009]本发明还提供了所述含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:a)合金冶炼及铸造:
原材料:工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-28.54%Zr中间合金、Mg-30%Ce中间合金和Mg-30%Y中间合金；
采用半连续铸造方法铸造:在体积比为I飞:95^99的SF6和CO2的混合气体的保护下，将工业纯镁锭放入坩埚中，待熔化后升温至74(T760°C打渣；然后加入纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金，其中纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金加入前在140~220 V预热15~30分钟，加入时迅速将其压入液面以下，待熔化后搅拌2飞分钟，使其混合均匀，静置10-15分钟；再加入Mg-30%Ce中间合金和Mg_30%Y中间合金，融化后搅拌均匀，在73(T750°C静置10~30分钟后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到71(T730°C时，在20(T300°C的铁模内进行浇铸，得到铸锭；
b)机加工:
将步骤a)得到的铸锭锯切、车皮至合适尺寸，备用；
c)均匀化:
在39(T420°C下进行均匀化处理，保温时间为10~15h ；
d)热挤压:
将挤压模具和步骤c)处理后的铸锭在370Π00?预热1.5~3小时，然后进行热挤压，挤压温度为3800C~410 °C，挤压比为8:1~12:1，挤压速率为0.90~1.50m/min。
[0010]相比现有技术，本发明具有如下有益效果:
1、本发明中添加的微量稀土铈Ce与钇Y，与Mg、Zn结合，形成高熔点的Mg-Zn-Ce和Mg-Zn-Y三元相，在热挤压变形过程中，这些相破碎成十分细小的颗粒，均匀弥散的分布于镁基体中，强化基体，同时能有效的促进动态再结晶，阻碍再结晶晶粒的长大，从而得到细小的再结晶晶粒。经热挤压之后，屈服强度最高可达313MPa，明显高于传统商用高强度变形镁合金ZK60的屈服强度，抗拉强度最高可达356MPa，屈服比最高可达0.92，同时延伸率也有提高，这充分挖掘了镁合金材料的使用潜力。
[0011]2、本发明工艺简单，容易操作和调控，所采用的设备如熔炼炉、热挤压机等均为常规通用设备，具有可移植性强、易于工业化应用的特点。
[0012]
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是挤压态ZK60镁合金微观组织扫描照片，其中挤压态ZK60镁合金中不含稀土铈Ce与钇Y。
[0014]图2是挤压态ZK60-0.52Ce-0.28Y镁合金微观组织扫描照片。
[0015]图3是挤压态ZK60-0.59Ce-0.57Y镁合金微观组织扫描照片。
[0016]图4是挤压态ZK60-0.53Ce-l.18Y镁合金微观组织扫描照片。
[0017]
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，应说明的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围不限于以下的实施例。[0019]一、具体实施例
实施例1:
一种含稀土铈与钇的高屈强比变形Mg-Zn-Zr镁合金，按重量百分比包括以下组分:
Zn 4.98 wt.%，Zr 0.76 wt.%，Ce 0.52 wt.%，Y 0.28 wt.%，不可避免的杂质< 0.12wt.%,余量为Mg。
[0020]上述含稀土铈与钇的高屈强比变形Mg-Zn-Zr镁合金的制备方法，包括如下步骤:
a)合金冶炼及铸造:
原材料:工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-28.54%Zr中间合金、Mg-30%Ce中间合金和Mg-30%Y中间合金。
[0021]采用半连续铸造方法铸造:在体积比为1:99的SFf^P CO2的混合气体的保护下，将镁锭放入坩埚中待熔化后升温至740°C打渣；然后加入纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金，加入前将纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金在170°C预热25分钟，加入时迅速将其压入液面以下，待熔化后搅拌5分钟，使其混合均匀，静置15分钟；再加入Mg-30%Ce中间合金和Mg-30%Y中间合金，融化后搅拌均匀，在730°C静置20分钟后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到710°C，在20(T300°C的铁模内进行浇铸，得到铸锭；
b)机加工:
将步骤a)得到的铸 锭锯切、车皮至合适尺寸，备用；
c)均匀化:
将步骤b)处理后的铸锭在400°C下进行均匀化处理，保温时间为IOh ；
d)热挤压:
将挤压模具和步骤c)处理后的铸锭在390°C预热2h，然后进行热挤压；其中热挤压温度为390°C，热挤压比为11.5:1，热挤压速率为0.90m/min。
[0022]实施例2:
一种含稀土铈与钇的高屈强比变形Mg-Zn-Zr镁合金，按重量百分比包括以下组分:Zn
5.06 wt.%，Zr 0.57 wt.%，Ce 0.59 wt.%，Y 0.57 wt.%，不可避免的杂质< 0.12 wt.%，余量为Mg。
[0023]上述含稀土铈与钇的高屈强比变形Mg-Zn-Zr镁合金的制备方法，包括如下步骤:
a)合金冶炼及铸造:
原材料:工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-28.54%Zr中间合金、Mg-30%Ce中间合金和Mg-30%Y中间合金。
[0024]采用半连续铸造方法铸造:在体积比为5:95的SFjP CO2的混合气体的保护下，将镁锭放入坩埚中待熔化后升温至750°C打渣；然后加入纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金，加入前将纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金在140°C预热25分钟，加入时迅速将其压入液面以下，待熔化后搅拌5分钟，使其混合均匀，静置10分钟；再加入Mg-30%Ce中间合金和Mg-30%Y中间合金，融化后搅拌均匀，在750°C静置20分钟后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到720°C，在20(T300°C的铁模内进行浇铸，得到铸锭；
b)机加工:
将步骤a)得到的铸锭锯切、车皮至合适尺寸，备用；
c)均匀化:将步骤b)处理后的铸在在390°C下进行均匀化处理，保温时间为15h ；
d)热挤压:
将挤压模具和步骤c)处理后的铸锭在370°C预热1.5h，然后进行热挤压；其中热挤压温度为380°C，热挤压比为8:1，热挤压速率为1.50m/min。
[0025]实施例3:
一种含稀土铈与钇的Mg-Zn-Zr高屈强比变形镁合金，按重量百分比包括以下组分:Zn4.97 wt.%，Zr 0.79 wt.%，Ce 0.53 wt.%，Y 1.18 wt.%，不可避免的杂质< 0.12 wt.%，余量为Mg。[0026]上述含稀土铈与钇的高屈强比变形Mg-Zn-Zr镁合金的制备方法，包括如下步骤:
a)合金冶炼及铸造:
原材料:工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-28.54%Zr中间合金、Mg-30%Ce中间合金和Mg-30%Y中间合金。
[0027]采用半连续铸造方法铸造:在体积比为3:97的SFjP CO2的混合气体的保护下，将镁锭放入坩埚中待熔化后升温至760°C打渣；然后加入纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金，加入前将纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金在140°C预热25分钟，加入时迅速将其压入液面以下，待熔化后搅拌5分钟，使其混合均匀，静置10分钟；再加入Mg-30%Ce中间合金和Mg-30%Y中间合金，融化后搅拌均匀，在750°C静置20分钟后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到720°C，在20(T300°C的铁模内进行浇铸，得到铸锭；
b)机加工:
将步骤a)得到的铸锭锯切、车皮至合适尺寸，备用；
c)均匀化:
将步骤b)处理后的铸锭在420°C下进行均匀化处理，保温时间为IOh ；
d)热挤压:
将挤压模具和步骤c)处理后的铸锭在400°C预热3h，然后进行热挤压；其中热挤压温度为400°C，热挤压比为12:1，热挤压速率为0.90m/min。
[0028]二、性能测试
取上述实施例广3镁合金挤压板材进行室温拉伸测试实验，测量得到的力学性能如表I所示。为了便于比较，表1中同时给出了 ZK60挤压板材的力学性能数据。
表1
in Ce wt.% Y wt.% WmmS HH ifitt mm
m丨 W0MPa&%
ZK60 合金 0 6 2490^^IH0J6.............涵.................^0^52 02S Jb26%..........^3560J8OJ^
实麵 2 059 0J7^! 30422% ~MI0J911.2
实 BlW 3 0J3 --8^' 30522%.........^3330J210‘S[0029]由表1可见，本发明的合金(实施例广3)具有比商用高强变形镁合金ZK60更高的屈服强度、抗拉强度，屈强比比ZK60合金有明显提高，同时延伸率也有不同程度的提高。这说明了本发明的合金(实施例广3)具有很高的屈强比并且能保证一定的塑性。
[0030]分析合金铸态组织表明，由图1中可以看出铸态ZK60合金由粗大的等轴晶组成，晶粒晶界处有一定数量的断续网状第二相，在晶界附近有Zr的偏聚区。由图2、3和4可以看出，随着铈与钇的加入，合金冶炼铸造时富集在固-液界面前沿的铈与钇能够扩大成分过冷区，增加成分过冷的程度，从而有效细化合金的晶粒，并且偏聚区消失。从扫描电镜显微组织形貌可以看出(图1~4)，经过热挤压之后，镁基体中均匀弥散的分布着细小的第二相颗粒，能谱分析表明这些颗粒是Ce、Y与Mg、Zn结合形成的Mg-Zn-Ce、Mg-Zn-Y三元相和少量的含Zr相。这些化合物的析出，一方面能有效的促进动态再结晶，阻碍再结晶晶粒的长大，得到细小的再结晶晶粒；另一方面由于Mg-Zn-Ce和Mg-Zn-Y独特的晶体结构和与基面的结合方式，在变形过程中，能有效阻碍位错滑移，强化基体。从而，显著提高材料的屈服强度，提高屈强比，同时保证合金具有一定的延伸率。
[0031 ] 本发明是在ZK60镁合金中加入一定量的铈与钇，有效细化晶粒，铈、钇与合金中的镁、锌形成细小弥散的强化相，能有效阻碍热变形过程中再结晶晶粒的长大并强化基体，可获得高的屈强比，屈服强度超过300MPa，显著高于高强度变形镁合金ZK60，同时保证了较好的塑性。本发明的材料可增加机械零件可靠性，改善产品质量，提高材料利用率，充分挖掘了镁合金材料的使用潜力。
[0032]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当 中。
【权利要求】
1.一种含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金，其特征在于，包括如下重量百分比的组分:Ζη:4.90~5.20 wt.% ；Zr:0.50~0.80 wt.% ；Ce:0.50~0.70 wt.% ；Y:0.1 (Tl.50 wt.% ;不可避免的杂质< 0.12 wt.% ;余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: a)合金冶炼及铸造: 原材料:工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-28.54%Zr中间合金、Mg-30%Ce中间合金和Mg-30%Y中间合金； 采用半连续铸造方法铸造:在体积比为1飞:95^99的SF6和CO2的混合气体的保护下，将工业纯镁锭放入坩埚中，待熔化后升温至74(T760°C打渣；然后加入纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金，其中纯锌锭和Mg-28.54%Zr中间合金加入前在140~220 V预热15~30分钟，加入时迅速将其压入液面以下，待熔化后搅拌2飞分钟，使其混合均匀，静置10-15分钟；再加入Mg-30%Ce中间合金和Mg_30%Y中间合金，融化后搅拌均匀，在73(T750°C静置10~30分钟后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到71(T730°C时，在20(T30(TC的铁模内进行浇铸，得到铸锭； b)机加工: 将步骤a)得到的铸锭锯 切、车皮至合适尺寸，备用； c)均匀化: 在39(T420°C下进行均匀化处理，保温时间为10~15h ； d)热挤压: 将挤压模具和步骤c)处理后的铸锭在370Π00?预热1.5~3小时，然后进行热挤压；其中热挤压温度为380°C~410°C，热挤压比为8:1~12:1，热挤压速率为0.9(Tl.50m/min。
【文档编号】C22C23/04GK103952613SQ201410210886
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】陈先华, 刘莉滋, 潘复生 申请人:重庆大学