一种兼具高强高流动性的抗蠕变压铸稀土镁合金及其制备方法和应用

本发明属于压铸镁合金领域，具体涉及一种兼具高强高流动性的抗蠕变压铸稀土镁合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、镁及其合金具有多种优点，如密度较小(纯镁的密度为1.74g/cm3，是目前可实际应用的最轻的金属结构材料)、比强度高比刚度高(镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工程塑料，为一般塑料的10倍)、阻尼减震性好(在相同载荷下，减振性是铝的100倍，钛合金的300～500倍)、电磁屏蔽性好(镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰)、可压铸性较好(在保持良好的结构条件下，镁合金允许铸件壁厚最小达到0.6mm，这是塑料在相同强度下无法达到的。铝合金的压铸性能也要在1.2-1.5mm以上时才能与镁合金相比。镁合金适合大批量压铸生产且模具的磨损也较铝为低)等，在众多领域对轻量化材料需求日益迫切的今天，镁合金逐渐受到广泛的关注，特别是对铸造合金需求量巨大的汽车领域。

2、目前，压铸镁合金领域应用最多的合金az91d(mg-9al-1zn-mn)、am60b(mg-6al-mn)等mg-al-mn系合金。但上述牌号合金在压铸较大尺寸零件时，会遇到以下难题：1、力学性能较低，一般来说，上述牌号镁合金的压铸抗拉强度约230mpa，屈服强度140mpa，延伸率3％；2、流动性能较差，经常由于充型不充分及补缩不足而造成压铸件存在铸造缺陷，且单独靠工艺调整无法弥补；3、抗蠕变性能较差，在使用温度达到150℃时(发动机零件常用温度)，当应力达到50mpa时，az91d合金已无法抑制蠕变变形而产生持续性的应变伸长，而实际应用环境下，经常达到甚至超过此应力水平，此类问题可造成气缸罩盖等零件在此应力条件下服役100h左右即可发生不可逆的破坏，造成漏气等问题。上述问题极大的制约了镁合金在汽车领域的应用，这也阻碍了汽车行业的轻量化进程。随着技术的发展，汽车行业对大型一体化设计零件的要求日益迫切，常规牌号镁合金已不能满足要求，急需开发新型高强高流动性抗蠕变压铸镁合金。

3、cn 111155012 b公开了一种适于压铸超薄件的高流动性高导热稀土镁合金及其制备方法。该适于压铸超薄件的高流动性高导热稀土镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：al 1.0～5.0％，re 1.0～5.0％，si 0.1～1.0％，ca 0.1～1.0％，mn 0.01～0.5％，其余为mg。可以看到，其中al含量较低，属于ae44合金体系范畴，稀土re选用的是la、ce或者la/ce的混合添加，同时通过添加si元素生成稳定性高的金属间化合物mg2si，强化的同时可以显著改善镁合金的显微组织提升流动性。但一般来说，镁合金中添加si，生成的mg2si相比较粗大，不能很好的起到弥散强化的作用，对流动性的改善效果也一般，同时还会造成镁合金耐腐蚀性能的显著下降。cn 104630584 a公开了一种高流动性、高强度超薄壁部件用镁合金及其制备方法，解决了az91镁合金制作薄壁部件时存在性能较差影响成品率的问题。高流动性、高强度超薄壁部件用镁合金，是由如下质量百分比的原料组成：铝9-11％，锌0.3-0.9％，锰0.15-0.50％，锑0.1-0.8％，稀土元素0.2-1.0％，余量为镁和杂质。通过对镁合金配方的改进，有效提高了其性能，抗拉强度达到了300-310mpa，屈服强度达到了200-210mpa，流动性能也得到了显著的提升，保证了较高的压铸成本率。但该专利中re元素是由铈、镧、镨、钕四种金属元素组成的混合稀土元素，且铈金属元素在混合稀土元素中所占的质量百分比大于等于55％。镨、钕元素因在钕铁硼磁性材料中的大规模应用，目前价格极高，因此在镁合金中应用会造成成本的大规模提高，没有性价比。此外re含量较低，此添加量在mg-al系合金中的强化效果有限。cn 100497696 c公开了一种高流动性镁合金，其组分的重量百分比为：al：4.5-5.5％、mn：0.28-0.40％、zn：5.5-6.5％、si：≤0.08％、fe：≤0.004％、cu：≤0.025％、ni：≤0.002％、be：≤0.0005-0.0015％，余量为mg。该发明主要是在am50a镁合金基础上通过提高组分中锌元素的含量，使镁合金在压铸状态下的抗拉强度和屈服强度得到较大的提高：其平均抗拉强度290mpa，屈服强度160mpa，断后延伸率3％，有效弥补了现有am50a镁合金在压铸状态下的充型能力的不足，从而能满足更高的压铸生产方面的技术要求。同时由于zn元素的增加，使其电镀性能有所增强，并使耐腐蚀性能得到很大的提高。且组分中加入铍元素，又进一步增加了镁合金的抗氧化性。但添加大量的zn，会强烈降低合金的可压铸性，zn：5.5-6.5％，在此含量范围内，压铸的成品率及断后延伸率都会显著下降。此外，采用铍作为抗氧化剂，虽然效果比较好，但铍属于世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中的1类致癌物，且具有全身性的毒性作用。cn 100432259 c公开了一种高流动性的压铸镁合金及制备方法。其特征在于合金的质量百分数为al：9.0-10.5％，ca：0.1-2.0％，sr：0.1-2.0％，ce：0.1-1.0％，la：0.05-0.5％，nd：0.02-0.5％，zn：0.2-1.0％，mn：0.2-0.4％，杂质≤0.2％，余量为mg。其制备特征在于先按合金的质量百分组成配料，然后在co2+sf6混合气氛保护下熔炼，熔炼温度为720-740℃，浇注温度为700-720℃。该发明提供的合金的流动性比az91镁合金提高40％以上，提供的合金不仅适用于压铸铸造而且适用于半固态成型铸造、砂型或金属型重型铸造或低压铸造中的一种。但稀土元素选择了nd，成本过高，且力学性能效果较差。cn 106676354 a公开了一种流动性好耐热抗蠕变耐腐蚀镁合金及其制备方法，所述镁合金由如下质量百分比的原料组成的：铝5.0-8.0wt.％；稀土元素0.5-5.5wt.％；锰0.1-0.9wt.％；锌0.1-0.9wt.％；稀土元素是由镧、铈、镨、钕、钇中的一种或几种组成的，其余为镁及不可避免的杂质元素。该专利虽然在一定程度上解决了现有镁合金存在强韧性差、流动性差且耐腐蚀性能较差的问题。但稀土中采用了镨钕等昂贵稀土元素，实际应用价值较低，且所述效果并无数据支持。综上可见，现有技术普遍采用添加昂贵稀土元素的方式来提高镁合金的力学性能，然而造价太高直接导致实用性较差，并且，现有技术均未涉及抗蠕变性能的研究。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种兼具高强高流动性的抗蠕变压铸稀土镁合金及其制备方法和应用。

2、本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：

3、本发明的目的之一是提供一种兼具高强高流动性的抗蠕变压铸稀土镁合金，所述镁合金按质量百分数计，包括al：4.8-7.2％，la：3.0-4.2％，sm：1.2-2.0％，y：0.4-1.2％，mn：0.1-0.6％，te：0.01-0.1％，bi：0.01-0.5％，余量为mg及不可避免的杂质元素，且(la+sm+y)/al的质量比大于0.7且小于1.5。

4、优选的，所述镁合金按质量百分数计，包括al：5.6-6.4％，la：3.2-3.8％，sm：1.4-1.7％，y：0.6-0.9％，mn：0.2-0.4％，te：0.02-0.08％，bi：0.1-0.3％，余量为mg及不可避免的杂质元素，且(la+sm+y)/al的质量比大于0.9且小于1.1。

5、优选的，所述镁合金按质量百分数计，包括al：5.8％，la：3.6％，sm：1.6％，y：0.8％，mn：0.3％，te：0.05％，bi：0.2％，余量为mg及不可避免的杂质元素。

6、本发明的目的之二在于提供一种兼具高强高流动性的抗蠕变压铸稀土镁合金的制备方法，所述方法按以下步骤进行：

7、先对各原料进行预热，然后按照镁源、铝源、镧源、钐源、碲源、铋源、钇源、锰源的顺序依次投料熔炼，所有原料熔化后通氩气精炼，最后高压压铸，得到兼具高强高流动性的抗蠕变压铸稀土镁合金。

8、优选地，镁源和铝源以金属锭的方式添加，镧源、钐源、钇源、锰源以mg-la、mg-sm、mg-y、mg-mn中间合金的方式添加，碲源、铋源以颗粒方式添加。

9、优选地，预热温度为160-200℃。

10、优选地，熔炼温度为730-735℃。

11、优选地，精炼温度为700-710℃，时间为5-10min。

12、优选地，压铸前在690-710℃下保温20-40min。

13、优选地，压铸的压射比压为65-95mpa，压射速度1-8m/s，浇铸温度690-710℃，模具温度230-270℃，持压压力30-60mpa，持压时间12-20s。

14、本发明的目的之三是提供一种兼具高强高流动性的抗蠕变压铸稀土镁合金在成型汽车领域大尺寸压铸零件中的应用。

15、本发明与现有技术相比具有的显著效果：

16、(1)本发明通过合金成分的优化，显著细化了镁合金的组织，改变了合金中金属间化合物的组成、分布和形貌，使mg17al12相转变为al11re3相及少量al3re相，同时生成了高温稳定的al-te相，此外，bi的添加可以加速合金中的al及稀土元素(la、sm、y)的扩散速度，加速了al-re相的形成，起到载体的作用，且bi本身也参与成相。通过bi与al、re的协同作用，优化了析出相的弥散分布，避免了偏聚及粗大块状相、连续析出相的生成，以上的机理及组分优化共同提高了镁合金的力学性能和抗蠕变性能，抗拉强度从230mpa左右，提高到270mpa以上，且具有优异的流动性和显著的抗蠕变性能。

17、(2)本发明通过本发明稀土及微量元素的优选，改善了镁合金熔体的氧化，降低了熔液的粘度，另外通过稀土的优选，降低了镁熔液的表面张力，利用压铸流动性模具测试，相同压铸条件下的流动性提高最高可达40％以上，满足大型一体化设计汽车零部件的要求。