含稀土钐的高强变形镁合金及其制备方法与流程

本发明属于金属材料
技术领域：
，特别涉及含稀土钐的高强变形镁合金及其制备方法。
背景技术：
金属镁及镁合金作为目前工业应用中最轻的金属材料，由于其具有优良的铸造性、比刚度、比强度、很好的切削加工性以及较高的阻尼系数和出色的电磁屏蔽性能，使其在汽车、航空、电子等领域应用潜力巨大，成为世界各国汽车、飞机等行业的制造商们竞相研究开发的21世纪新型绿色材料之一。然而传统镁合金的强度不高，严重限制了镁合金的应用，因此，开发高强镁合金具有重要意义。近年来，稀土镁合金作为一种高强镁合金，引起了广泛关注，研究较多的是向镁合金中添加gd、y、nd等稀土元素。yu等人研究的mg–11gd–4.5y–1nd–1.5zn–0.5zr(wt.％)合金经过挤压、轧制和时效处理后屈服强度达到481mpa，抗拉强度为517mpa。homma等人研究的mg–10gd–5.7y–1.6zn–0.6zr(wt.％)合金经过挤压和时效处理后屈服强度达到473mpa，抗拉强度达到542mpa。尽管上述合金达到了较高的强度，但稀土含量较高，不但大大增加了合金成本，而且增大了合金密度，难以从根本上解决镁合金的工业应用问题。因此，开发新型低成本高性能变形稀土镁合金在国防军工、航空航天、汽车和轨道交通等高技术产业中具有十分重要的应用价值。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有的镁合金稀土含量过高或力学性能差的问题，而提供含稀土钐的高强变形镁合金及其制备方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明首先提供一种含稀土钐的高强变形镁合金，其组成及各组成的质量百分比如下：sm：1.0～6.6wt.％，zn：0.5～3.5wt.％，zr：0.15～1.5wt.％，余量为mg。优选的是，所述的镁合金，其组成及各组成的质量百分比如下：sm：1.5～6.5wt.％，zn：0.6～2.5wt.％，zr：0.5～1.0wt.％，余量为mg。本发明还提供一种含稀土钐高强变形镁合金的制备方法，包括以下步骤：(1)镁合金铸锭制备：将纯mg锭、纯zn锭、zr元素的原料、sm元素的原料配料，并铸造成镁合金铸锭；(2)挤压坯料制备：将上述镁合金铸锭在500～530℃均匀化处理6～14h，并加工成挤压坯料；(3)挤压型材制备：将上述挤压坯料和挤压模具在300～400℃电阻炉中预热1.5～3.5h，挤压机在300～400℃预热1～2h，挤压比为8:1～20:1，挤压速度为0.01～1.0m/min，经塑性变形制备成挤压型材；(4)时效处理：将上述挤压型材在180～220℃热处理10～72h，得到含稀土钐高强变形镁合金。优选的是，所述步骤(1)中镁合金铸锭制备方法，包括以下步骤：1)将原料纯mg锭、纯zn锭、zr元素的原料、sm元素的原料进行烘干；2)在保护气氛下，将纯镁锭在680～780℃下完全熔化后，得到镁熔液；3)在710～750℃，将sm元素的原料加入2)的镁熔液中，得到第二合金熔液；4)在710～750℃，将纯zn锭加入3)的第二合金熔液中，得到第三合金熔液；5)将第三合金熔液升温至740～770℃，将zr元素的原料加入到4)的第三合金熔液中，得到第四合金熔液；6)将第四合金熔液升温至760～780℃，通入预热后的ar气进行精炼，降温至740～750℃静置，待温度降低到700～720℃，刮除熔体表面的浮渣，在预热后的水冷钢模具中浇铸，得到镁合金铸锭；优选的是，所述的步骤1)烘干温度为200～300℃，烘干时间为1～2h。优选的是，所述1)sm元素的原料为mg-sm中间合金，sm的含量为20～30wt.％；优选的是，所述1)的zr元素的原料为mg-zr中间合金，zr的含量为20～30wt.％。优选的是，所述的步骤2)保护气体为co2和sf6混合气体；co2和sf6体积比为99：1。优选的是，所述的步骤6)精炼时间为2～8分钟。优选的是，所述的步骤6)静置时间为20～40分钟。本发明的有益效果本发明首先提供一种含稀土钐的高强变形镁合金，该合金组分为mg-sm-zn-zr，本发明采用稀土sm元素为第一组分，sm在镁中的固溶度较大，最大固溶度为5.8wt.％，高于nd，pr，ce和la，具有较好的固溶强化作用和析出强化作用。sm与mg形成的第二相mg3sm主要分布在铸造合金的晶界上，能够有效细化晶粒，经过热挤压变形，被挤碎的细小mg3sm颗粒相均匀的分布在基体中，促进合金发生动态再结晶，有效的阻碍晶粒长大，合金组织进一步被细化，可以大大提高合金强度。在合金中加入一定量的zn元素，可以促进细小析出相在时效处理过程中的弥散析出，能够阻碍基面位错移动，从而进一步提高合金强度。zr元素也能够有效细化晶粒，进而提高合金强度。本发明的含稀土钐高强变形镁合金具有优异的力学性能，以mg-3.5sm-0.6zn-0.5zr为例，其室温屈服强度和抗拉强度分别为415mpa和423mpa。本发明还提供一种含稀土钐高强变形镁合金的制备方法，与现有技术相比，本发明所用设备均为常规通用设备，工艺简单，操作方便，成本较低，便于推广应用。此外，sm的价格相对gd，y，nd较低，且用量较低，合金成本大大降低。附图说明图1为本发明实施例1镁合金挤压态微观组织扫描电镜照片；图2为本发明实施例1镁合金挤压态微观组织透射电镜照片及对应的选取电子衍射图。具体实施方式本发明首先提供一种含稀土钐的高强变形镁合金，其组成及各组成的质量百分比如下：sm：1.0～6.6wt.％，zn：0.5～3.5wt.％，zr：0.15～1.5wt.％，余量为mg。优选为sm：1.5～6.5wt.％，zn：0.6～2.5wt.％，zr：0.5～1.0wt.％，余量为mg。本发明还提供一种含稀土钐高强变形镁合金的制备方法，该镁合金是以纯mg锭、纯zn锭、mg-zr中间合金、mg-sm中间合金为原料熔炼铸造、均匀化处理、热挤压及时效处理制备而成，包括以下步骤：(1)镁合金铸锭制备：将纯mg锭、纯zn锭、zr元素的原料、sm元素的原料配料，并铸造成镁合金铸锭；(2)挤压坯料制备：将上述镁合金铸锭在500～530℃均匀化处理6～14h，并加工成挤压坯料；(3)挤压型材制备：将上述挤压坯料和挤压模具在300～400℃电阻炉中预热1.5～3.5h，挤压机在300～400℃预热1～2h，挤压比为8:1～20:1，挤压速度为0.01～1.0m/min，经塑性变形制备成挤压型材；(4)时效处理：将上述挤压型材在180～220℃热处理10～72h，得到含稀土钐高强变形镁合金。优选的是，所述步骤(1)中镁合金铸锭制备方法，包括以下步骤：1)将原料纯mg锭、纯zn锭、zr元素的原料、sm元素的原料进行烘干；所述的烘干温度优选为200～300℃，烘干时间优选为1～2h；所述sm元素的原料为mg-sm中间合金，sm的含量优选为20～30wt.％；所述zr元素的原料为mg-zr中间合金，zr的含量优选为20～30wt.％；2)在保护气氛下，将纯镁锭在680～780℃下完全熔化后，得到镁熔液；所述的保护气体优选为co2和sf6混合气体，co2和sf6体积比优选为99：1；3)在710～750℃，将sm元素的原料加入2)的镁熔液中优选搅拌2～5分钟使之完全熔化且均匀分布，得到第二合金熔液；4)在710～750℃，将纯zn锭加入3)的第二合金熔液中优选搅拌2～5分钟使之完全熔化且均匀分布，得到第三合金熔液；5)将第三合金熔液升温至740～770℃，将zr元素的原料加入到4)的第三合金熔液中优选搅拌5～10分钟使之完全熔化且均匀分布，得到第四合金熔液；6)将第四合金熔液升温至760～780℃，通入预热后的ar气进行精炼，降温至740～750℃静置，待温度降低到700～720℃，刮除熔体表面的浮渣，在预热后的水冷钢模具中浇铸，得到镁合金铸锭；所述的精炼时间优选为2～8分钟；静置时间优选为20～40分钟；下面结合具体实施例对本发明作详细阐述，应说明的是以下实施例是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围不限于以下实施例。实施例1本实施例高强变形镁合金由以下质量百分比的组分组成：3.5％sm，0.6％zn，0.5％zr，余量为mg及不可避免的杂质。本实施例高强变形镁合金的制备包括以下步骤：(1)镁合金铸锭制备：将纯mg锭、纯zn锭、mg-zr(zr为20wt.％)中间合金、mg-sm(sm为25wt.％)中间合金按上述质量百分比配料，然后进行烘干，烘干温度为280℃，烘干时间为1.5h。制备过程中，熔体一直在co2和sf6混合气体的保护下，co2与sf6的比例为99:1，将烘干好的纯mg锭放入坩埚中随炉升温，直至完全熔化，温度控制在730℃，得到镁熔液；将烘干好的mg-sm中间合金加入到镁熔液中，温度控制在730℃，完全熔化后搅拌3分钟，得到第二合金熔液；将烘干好的纯zn锭加入到第二合金熔液中，温度控制在730℃，完全熔化后搅拌3分钟，得到第三合金熔液；将第三合金熔液升温至760℃，将烘干好的mg-zr中间合金加入到第三合金熔液中，完全熔化后搅拌10分，得到第四合金熔液；将第四合金熔液升温至770℃，通入预热后的ar气进行精炼，精炼5分钟，将熔体降温至740℃，静置30分钟；将熔体降温至710℃，刮除熔体表面浮渣，在预热后的水冷模具中浇铸，得到镁合金铸锭。(2)挤压坯料制备：将上述镁合金铸锭在520℃均匀化处理8h，并加工成挤压坯料。(3)挤压型材制备：将上述挤压坯料和挤压模具在320℃电阻炉中预热3h，挤压机在320℃预热2h，挤压比为8:1，挤压速度为0.01m/min，经塑性变形制备成挤压型材。(4)时效处理：将上述挤压型材在180℃、200℃、220℃热处理10h、16h、20h、24h、36h、48h、60h、72h，得到含稀土钐的高强变形镁合金。图1为本发明实施例1镁合金挤压态微观组织扫描电镜照片，图1表明，挤压态合金的再结晶晶粒非常细小、均匀，且挤碎的小尺寸第二相分布在基体中。图2为本发明实施例1镁合金挤压态微观组织透射电镜照片(a图)及对应的选取电子衍射图(b图)。图2表明，挤压时效态合金中存在小尺寸的第二相，分析选区电子衍射，该第二相为面心立方结构的mg3sm相，同时，在基体中还有纳米尺寸的析出相弥散分布，能够有效阻碍基面位错滑移，从而提高合金强度。因此，本发明所述合金的主要强化机制为细晶强化和时效强化。实施例2本实施例2与实施例1不同的是：挤压坯料和挤压模具在380℃电阻炉中预热2h，挤压机在380℃预热2h，挤压比为20:1，挤压速度为1.0m/min。实施例3本实施例3与实施例1不同的是：所述合金组分质量百分含量为1.5％sm，0.6％zn，0.5％zr，余量为mg。实施例4本实施例4与实施例1不同的是：所述合金组分质量百分含量为6.5％sm，0.6％zn，0.5％zr，余量为mg。挤压坯料和挤压模具在340℃电阻炉中预热2h，挤压机在340℃预热1.5h，挤压比为8:1，挤压速度为0.1m/min。实施例5本实施例5与实施例1不同的是：所述合金组分质量百分含量为3.5％sm，1.5％zn，1.0％zr，余量为mg。挤压坯料和挤压模具在340℃电阻炉中预热2h，挤压机在340℃预热1.5h，挤压比为8:1，挤压速度为0.1m/min。实施例6本实施例6与实施例1不同的是：所述合金组分质量百分含量为3.5％sm，2.5％zn，1.0％zr，余量为mg。挤压坯料和挤压模具在340℃电阻炉中预热2h，挤压机在340℃预热1.5h，挤压比为8:1，挤压速度为0.1m/min。取上述实施例1-6镁合金棒材进行室温拉伸性能测试，实验结果见表1。表1本发明所述含稀土钐高强变形镁合金的室温力学性能序号挤压温度(℃)挤压比屈服强度(mpa)抗拉强度(mpa)实施例13208415423实施例238020267282实施例33208391402实施例43408381388实施例53408408417实施例63408382395由上表可见，本发明的合金具有较高的力学性能，最高屈服强度达410mpa以上，可以满足镁合金在国防军工、航空航天、汽车和轨道交通等高技术产业的应用要求。当前第1页12