本发明涉及有色金属领域，尤其涉及一种高强耐热铸造镁合金及制备方法。
背景技术：
镁合金是实用金属中密度最低的金属，具有比强度高、比刚度好、抗震减噪性能好等特点，是较为理想的金属结构材料。目前镁合金产品主要以压铸件为主，高性能的锻件应用很少。其主要原因是镁合金常温塑性差，对变形速率敏感，锻造成型困难。镁合金晶体结构为密排六方，常温下可开动的滑移系较少，塑性变形能力差。自由锻造的应变状态是一向压缩两相延伸，这对发挥镁合金的塑性不利。所以镁合金锻造时应精确地控制变形速度、变形率及其它工艺参数。目前对锻造镁合金的研究主要集中在如何合理的控制组织、细化晶粒及适当的控制温度范围与变形速率等方面以提高或改善镁合金的塑性变形能力。
我国具有丰富的镁资源，耐热镁合金的研究和开发符合汽车、航空航天等工业发展要求。镁合金的研究也引起了我国的高度重视，已列入“十五”规划的重大专项攻关课题，高温镁合金也是“十一五”规划中材料研究的重点。值得重视的是，现有镁合金在汽车上的用量远没有达到人们期待的水平，镁合金的研究与应用都有着很长的路要走。有关统计数字表明,在过去10年里,镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了15％左右,这种发展趋势将会在今后很长的时间内持续下去。目前，镁合金在汽车上的应用还仅局限于一些在常温下运行的壳体型零件(如手动变速器壳和盖、离合器壳等)和车内部件(如方向盘系统、仪表面板等)，而这些零件在整车中所占重量比是十分有限的。要达到每台车上用185公斤镁合金的目标，必须实现发动机和底盘零件(包括轮毂)的镁合金化。这就对镁合金的性能提出了更高要求。发动机和传动机构的零件要求材料具有优良的耐热性能(高温强度和抗蠕变性能)，而底盘零件则需要高强度、高韧性、抗疲劳和耐腐蚀性能。因此，开发新型高性能、低成本的镁合金是当前世界汽车业急需解决的重大课题。
中国专利cn1804083a记载了一种高强耐热稀土镁合金，其组成为：2-10％重量比的gd,3-12％重量比的y,gd和y的重量之和占该合金总重量的13％-14％，以及0.4％-0.7％重量比的zr和不大于0.3％重量比的活化元素(zn,ag,cu,sr,ca,ti,bi,cd中任选一种)，或0.6％-1.5％重量比的mn和不大于0.3％重量比的活化元素(sn、si、sb、ca、sr中任选一种)，其余为mg。这种稀土镁合金的析出物总是沿着基体的棱柱面析出，形成一种交叉的网状相结构，具有能高度抗粒子粗化，提供高度强化和蠕变抗力的作用。其在300℃应用条件下，瞬时极限拉伸强度为180mpa。然而，在该专利中，ca含量不大于0.3％，并且没有加入nd元素。其在300℃的瞬时极限拉伸强度并没有极大的发挥，如果ca含量超过0.3％，并适当的利用它的第二相强化作用，会得到300℃的瞬时极限拉伸强度超过200mpa的合金。
中国专利cn101078080a记载了一种抗蠕变镁合金，该镁合金成分及其重量百分比为：1.5-10wt.％y,0.15-2.0wt.％zr,0.3-2.0wt.％nd,2.5-8wt.％gd，及sm、dy、tb、ho、er、tm和eu中一种或几种，其中0-1.5wt.％sm,0-5wt.％dy；0-5wt.％tb；0-5wt.％ho，0-5wt.％er,0-5wt.％tm,0-5wt.％eu，其余为mg。该专利中虽然包括了y,gd和nd合金元素，但没有包括ca元素和高于10wt.％以上的y以及高于2wt.％以上含量的nd,以及并未包含si、sb、ti、sn、sr、bi、cd等元素。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高强耐热铸造镁合金及制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高强耐热铸造镁合金，其质量百分比为：gd6-13％、y2-6％、zr0.3-0.8％、ca0.3-0.6％、si≤0.01％、富铈混合稀土0.7-3.0％，其余为mg。本发明合金中zr是作为合金晶粒细化粒而添加的。
一种高强耐热铸造镁合金的制备方法，包括熔炼工艺和热处理工艺，所述熔炼工艺包括以下步骤：
s1、备料：准备含配制合金总重量6-13％gd的mg–gd中间合金，含2-6％y的mg–y中间合金，含0.3-0.6％ca的mg–ca中间合金,含0.3-0.8％zr的k2zrf6混合盐，余量为纯mg；
s2、烘料：将mg–gd中间合金、mg–y中间合金、mg–ca中间合金、k2zrf6混合盐、纯mg在180-220℃预热烘干；
s3、熔镁：将烘干后的纯mg熔化成mg液；
s4、加gd和y：向720-740℃的mg液中加入中间合金mg–gd，熔化得mg–gd熔液；所述mg–gd熔液温度回升至720-740℃条件下加入mg–y中间合金，熔化得mg–gd–y熔液；
s5、加si：将mg–gd–y熔液温度升至740-780℃条件下加入si，熔化得mg–gd–y-si熔液；
s6、加富铈混合稀土：将mg–gd–y-si熔液升温至760-780℃条件下加入k2zrf6混合盐混合盐和富铈混合稀土，熔化得混合熔液；
s7、砂型铸造：将混合熔液的温度升至760-780℃，保温25-35分钟；然后降温至740-760℃，不断电精炼10-15分钟；再升温至770-780℃静置25-35分钟；在720-740℃条件下撇去表面浮渣并进行浇铸，得到镁合金。
所述热处理工艺的步骤如下：
s1、三级固溶处理：首先对镁合金在中温300-350℃保温1小时，取出后迅速置于80℃热水中进行淬火；然后在次高温400-460℃保温4小时，取出后迅速置于80℃热水中进行淬火；最后在高温480-520℃保温4-20小时，取出后迅速置于80℃热水中进行淬火；
s2、时效处理：对固溶处理后的合金在200-240℃保温8-24小时，取出后空冷至室温。
优选地，所述熔炼工艺的步骤s3中熔化采用坩埚电阻炉。
优选地，所述熔炼工艺的步骤s7中浇铸用模具预先加热至220-250℃。
优选地，所述富铈混合稀土的成分含量为：ce50±5％；la30±3％；nd15±2％；pr：5±1％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、与现有技术相比，本发明具有显著进步，提供的耐热镁合金除具有重量轻、工艺简单、成本可接受之外，还具有良好的塑性、优异的高温强度和抗蠕变性能。
2、本发明能够充分发挥高稀土合金和高含钙量的综合优势，得到3000c的瞬时极限拉伸强度最高可达262mpa的高强度高抗蠕变的镁合金，并且本发明范围内的合金在300℃的瞬时极限拉伸强度均高于190mpa。
3、本发明所述的镁合金通过普通铸造的方法就可以获得，通过后续热处理工艺进行处理会得到优异性能的高强度高抗蠕变的耐热镁合金。适合大规模工业化生产，特别适合于在高温300-350℃的情况下使用。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明选取中国专利cn1804083a作为对比例，其记载了一种高强耐热稀土镁合金，其组成为：2-10％重量比的gd,3-12％重量比的y,gd和y的重量之和占该合金总重量的13％-14％，以及0.4％-0.7％重量比的zr和不大于0.3％重量比的活化元素(zn,ag,cu,sr,ca,ti,bi,cd中任选一种)，或0.6％-1.5％重量比的mn和不大于0.3％重量比的活化元素(sn、si、sb、ca、sr中任选一种)，其余为mg。这种稀土镁合金的析出物总是沿着基体的棱柱面析出，形成一种交叉的网状相结构，具有能高度抗粒子粗化，提供高度强化和蠕变抗力的作用。
该专利t6态的室温力学性能和高温抗蠕变能力为：
抗拉强度：180mpa，屈服强度：100mpa，延伸率：6.8％，弹性模量：35gpa，稳态蠕变速率：6.0×10-7/％·s。
实施例一
一种高强耐热铸造镁合金，其质量百分比为：gd8％、y4％、zr0.5％、ca0.4％、si0.005％、富铈混合稀土2.1％，其余为mg。
一种高强耐热铸造镁合金的制备方法，包括熔炼工艺和热处理工艺，所述熔炼工艺包括以下步骤：
s1、备料：准备含配制合金总重量8％gd的mg–gd中间合金，含4％y的mg–y中间合金，含0.4％ca的mg–ca中间合金,含0.5％zr的k2zrf6混合盐，余量为纯mg；
s2、烘料：将mg–gd中间合金、mg–y中间合金、mg–ca中间合金、k2zrf6混合盐、纯mg在180-220℃预热烘干；
s3、熔镁：将烘干后的纯mg熔化成mg液；
s4、加gd和y：向720-740℃的mg液中加入中间合金mg–gd，熔化得mg–gd熔液；所述mg–gd熔液温度回升至720-740℃条件下加入mg–y中间合金，熔化得mg–gd–y熔液；
s5、加si：将mg–gd–y熔液温度升至740-780℃条件下加入si，熔化得mg–gd–y-si熔液；
s6、加富铈混合稀土：将mg–gd–y-si熔液升温至760-780℃条件下加入k2zrf6混合盐混合盐和富铈混合稀土，熔化得混合熔液；
s7、砂型铸造：将混合熔液的温度升至760-780℃，保温25-35分钟；然后降温至740-760℃，不断电精炼10-15分钟；再升温至770-780℃静置25-35分钟；在720-740℃条件下撇去表面浮渣并进行浇铸，得到镁合金。
所述热处理工艺的步骤如下：
s1、三级固溶处理：首先对镁合金在中温300-350℃保温1小时，取出后迅速置于80℃热水中进行淬火；然后在次高温400-460℃保温4小时，取出后迅速置于80℃热水中进行淬火；最后在高温480-520℃保温4-20小时，取出后迅速置于80℃热水中进行淬火；
s2、时效处理：对固溶处理后的合金在200-240℃保温8-24小时，取出后空冷至室温。
实施例一t6态的室温力学性能和高温抗蠕变能力为：
抗拉强度：180mpa，屈服强度：100mpa，延伸率：6.8％，弹性模量：35gpa，稳态蠕变速率：6.0×10-7/％·s。
实施例二
一种高强耐热铸造镁合金，其质量百分比为：gd6％、y2％、zr0.3％、ca0.3％、si0.01％、富铈混合稀土0.7％，其余为mg。
实施例二t6态的室温力学性能和高温抗蠕变能力为：
抗拉强度：370mpa，屈服强度：330mpa，延伸率：5.5％，弹性模量：52gpa，稳态蠕变速率：3.4×10-7/％·s。
实施例三
一种高强耐热铸造镁合金，其质量百分比为：gd10％、y4％、zr0.5％、ca0.4％、si0.01％、富铈混合稀土2.0％，其余为mg。
实施例三t6态的室温力学性能和高温抗蠕变能力为：
抗拉强度：377mpa，屈服强度：340mpa，延伸率：5.0％，弹性模量：59gpa，稳态蠕变速率：4.0×10-7/％·s。
实施例四
一种高强耐热铸造镁合金，其质量百分比为：gd11％、y5％、zr0.6％、ca0.5％、si0.01％、富铈混合稀土2.5％，其余为mg。
实施例四t6态的室温力学性能和高温抗蠕变能力为：
抗拉强度：370mpa，屈服强度：320mpa，延伸率：5.5％，弹性模量：62gpa，稳态蠕变速率：2.6×10-7/％·s。
实施例五
一种高强耐热铸造镁合金，其质量百分比为：gd13％、y6％、zr0.8％、ca0.6％、si0.01％、富铈混合稀土3.0％，其余为mg。
实施例五t6态的室温力学性能和高温抗蠕变能力为：
抗拉强度：375mpa，屈服强度：325mpa，延伸率：6.0％，弹性模量：65gpa，稳态蠕变速率：1.5×10-7/％·s。
下表1中列出了现有技术对比例与本发明实施例二-实施例五的室温力学性能和高温抗蠕变能力数据，由表1可以看出，本发明的镁合金强度、塑性和耐热性能配合较好，与现有技术相比具有明显的优势。
表1对比例与实施例的室温力学性能和高温抗蠕变能力比较