一种高弹性模量的铸造镁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镁合金及其制备方法，特别涉及一种高弹性模量的铸造镁合金，属于金属材料技术领域。
【背景技术】
[0002]金属材料的弹性变形完全满足虎克定律时，其应力与应变的比值即为弹性模量。弹性模量本质上是表征固体原子间结合强度的物理参数，原子半径和离子半径越小，原子价越高的物质，其弹性模量就越大。对于成分选定的材料而言，弹性模量对组织不敏感。
[0003]由于镁合金具有密度小、比强度和比刚度高等优点，它已被广泛应用于诸如航空航天、军工、汽车等领域。近年来，航空航天及交通运输工具的速度越来越高，所需的动力功率越来越大，构件的稳定性要求高可靠，对镁合金的刚度以及抗弹性变形能力提出了更高的要求，而普通镁合金的弹性模量约为铝合金的60%，一般在40?45GPa之间，即使对于高强耐热稀土镁合金ZM6 (ZMgRE2ZnZr)，其弹性模量也仅为45GPa，抗弹性变形能力较差，不能满足工程领域对轻质高强度高弹性模量镁合金材料的需求。同时，考虑到航空航天镁合金部件大多因结构复杂、尺寸大而采用铸造方法生产。因此，研发高弹性模量铸造镁合金材料的需求已变得非常迫切。
[0004]由混合定律可知，多相合金的弹性模量是由其组成相的弹性模量及其体积分数决定的，引入其他成分以形成合金元素或化合物第二相可以影响基体金属的弹性模量。最近，X.M.Zhang等在《Materials and Design》(材料与设计)2013年第43期74 - 79页上发表的 Effects of Si addit1n on microstructure and mechanical properties ofMg - 8Gd - 4Y - Nd - Zr alloy (Si的添加对Mg - 8Gd - 4Y - Nd - Zr合金微观组织和力学性能的影响)研宄表明，在镁合金中添加硅(Si)，可以生成具有高弹性模量的Mg2Si (120GPa)和RE-Si(136.4GPa)相，提高了合金的弹性模量。不过，Si元素的添加也显著降低合金熔体的流动性，恶化合金的铸造性能。众所周知，锌(Zn)作为稳定元素，可以与镁合金中的Mg和RE (如Nd)元素发生反应生成稳定的共晶相，发挥固溶强化和时效硬化的作用，并改善熔体流动性。另外，在共晶点温度，Nd在Mg中的极限固溶度是3.6wt.%，且随温度的降低显著下降，200°C时在Mg固溶体中的固溶度几乎为零，即Mg-Nd 二元合金是典型可以通过热处理沉淀强化的镁合金。因此有理由相信，通过在Mg-Nd合金中添加Si生成高弹性模量的Mg2Si和RE - Si强化相，提高合金的弹性模量，同时添加Zn形成稳定的共晶相，并改善熔体流动性，加入Zr作为晶粒细化剂，显著细化合金晶粒，进而制备出高强度高弹性模量的铸造镁稀土合金。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高弹性模量的铸造镁合金Mg -Nd - Zn - S1- Zr。其通过在Mg - Nd合金中添加Si形成高弹性模量的Mg2Si和Nd - Si强化相，同时添加Zn与镁合金中的Mg和Nd元素发生反应生成稳定的共晶相，降低合金熔体的结晶范围，并改善熔体流动性，加入Zr形成异质形核核心，细化合金晶粒，进而通过之后相应的热处理工艺，发挥固溶强化和时效硬化的作用，使该合金可满足室温条件下对要求抗拉强度270MPa以上、弹性模量为50?60GPa的轻质材料和(或)零部件制造的需求。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]一方面，本发明提供了一种高弹性模量的铸造镁合金，其由按重量百分数计的如下元素组成:Nd、2 ?4wt.% ;Ζη、0.5 ?2.5wt.% ;S1、0.5 ?2.5wt.% ;Zr、0.4 ?lwt.% ；余量为Mg和不可避免的杂质，其中，N1、Fe、Cu的总量小于0.02wt.%。
[0008]另一方面，本发明还提供了一种制备所述的铸造镁合金的方法，其包括熔炼和热处理两个步骤。
[0009]作为优选方案，所述熔炼步骤包括如下操作:
[0010]按所述稀土镁合金中各元素的化学计量比分别称取Mg-Nd中间合金、Mg-Zr中间合金、纯Zn、纯Si和纯Mg ；
[0011]将所述纯Mg、纯Zn、纯S1、Mg-Nd中间合金、Mg-Zr中间合金在180?220°C进行预热；
[0012]在COjPSF6混合气体(体积比例100:1)保护条件下，将纯Mg熔化后，740?760°C下在加入纯Si，待纯Si熔化后，在670?690°C下加入纯Zn，继续升温至720?740°C后，加入Mg-Nd中间合金，待Mg-Nd熔化后升温至760?780 °C后加入Mg-Zr中间合金，
[0013]待所述Mg-Zr中间合金熔化后，撇去表面浮渣，搅拌3?5分钟，继续升温770?790°C保温，20?30分钟后降温至750?760°C，不断电精炼6?10分钟，精炼后升温至780°C，静置25?40分钟后待降温至710?740°C，撇去表面浮渣，用钢制模具进行浇铸成合金徒。
[0014]作为优选方案，所述Mg-Nd中间合金中，Nd的含量为20?30wt.%。
[0015]作为优选方案，所述Mg - Zr中间合金中，Zr的含量为20?30wt.%。
[0016]作为优选方案，所述钢制模具在进行浇铸前先预热至200?250°C。
[0017]作为优选方案，所述热处理步骤包括如下操作:
[0018]将熔炼步骤中得到的铸锭在480?540°C下进行固溶处理4?20h后先进行淬水处理，然后在180?240°C下进行时效处理8?24h
[0019]由混合定律可知，多相合金的弹性模量是由其组成相的弹性模量及其体积分数决定的，引入其他成分以形成合金元素或化合物第二相可以影响基体金属的弹性模量。在镁合金中添加硅(Si)，可以生成具有高弹性模量的Mg2Si (120GPa)和RE - Si (136.4GPa)相，提高了合金的弹性模量。不过，Si元素的添加也显著降低合金熔体的流动性，恶化合金的铸造性能。锌(Zn)作为稳定元素，可以与镁合金中的Mg和RE(如Nd)元素发生反应生成稳定的共晶相，发挥固溶强化和时效硬化的作用，并改善熔体流动性。另外，在共晶点温度，Nd在Mg中的极限固溶度是3.6wt.%，且随温度的降低显著下降，200°C时在Mg固溶体中的固溶度几乎为零，即Mg - Nd 二元合金是典型可以通过热处理沉淀强化的镁合金。因此有理由相信，通过在Mg - Nd合金中添加Si生成高弹性模量的Mg2Si和RE - Si强化相，提高合金的弹性模量，同时添加Zn形成稳定的共晶相，并改善熔体流动性，加入Zr作为晶粒细化剂，显著细化合金晶粒，进而制备出高强度高弹性模量的铸造镁稀土合金。
[0020]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0021](I)优化了合金的组分和热处理工艺，通过对Nd、Zn、S1、Zr等合金元素各种不同组分配比的研宄，得出该系合金优化的合金组分配比，并对该合金在不同温度下的固溶和时效行为进行了系统研宄，获得了固溶和时效处理的优化工艺参数，使该合金在该组分配比和热处理工艺条件下具有比以往合金更加优良的室温强度和弹性模量等综合性能。
[0022](2)本发明采用Mg - Nd中间合金间接添加Nd元素，能够用纯Mg锭稀释中间合金熔炼过程中带来的较多夹杂物，并且显著降低合金的熔炼温度以及减少合金在较高温度下的停留时间；同时减少了 Nd的烧损，提高合金的收得率，在保证合金强度和弹性模量的同时降低了合金的成本。
[0023](3)本发明采用Zr作为晶粒细化剂，Zr的晶体结构与Mg相近，在合金凝固的时候可以起到异质形核的作用，Zr的加入可以极大的细化晶粒，提高合金性能的同时改善合金的工艺性能。
[0024](4)本发明直接加入纯Si，可以原位生产具有较高弹性模量的含Si相，改善合金的弹性模量，同时加入纯Zn可以形成含Zn强化相，实现固溶强化和时效硬化而提高合金的力学性能，此外，添加Zn元素改变了合金熔体结构，降低合金熔体的结晶范围，从而改善熔体的流动性，降低因加Si而对熔体流动性的不利影响，提高合金的铸造成形性能。
【附图说明】
[0025]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0026]图1为经本发明T6热处理态Mg - 4Nd - 2.5Zn - 2.5S1- Zr镁合金的金相组织照片;
[0027]图2为经本发明T6热处理态Mg - 2Nd - 0.5Zn - 0.5S1- 0.4Zr镁合金的金相组织照片；
[0028]图3为经本发明T6热处理态Mg - 3Nd - 1.5Zn - 1.5S1- 0.7Zr镁合金的金相组织照片。
【具体实施方式】
[0029]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0030]本发明通过在Mg - Nd合金中添加Si形成高弹性模量的含Si强化相，同时添加Zn形成含Zn强化相，降低合金熔体的结晶范围，并改善熔体流动性，降低因加Si而对熔体流动性的不利影响，加入Zr形成异质形核核心，细化合金晶粒，进而通过之后相应的热处理工艺，使该合金具有较高的室温强度和弹性模量。
[0031]本发明采用Nd(钕)为第一组分，因为在200°C时Nd在镁中的固溶度为几乎为零，而在共晶温度552°C时的固溶度为3.6wt.%，因此只要加入少量的Nd就可以保障合金具有良好的固溶强化和时效硬化效果；同时根据前人的研宄结果，Nd的含量超过最大固溶度以后，多余的Nd便会在晶界形成粗大的第二相，这种粗大的第二相在固溶处理后仍然存在，会降低合金铸造态的性能，因此Nd的加入量不高于4wt.%。本发明采用Zn(锌)为第二组元，Zn的加入可以生成含Zn强化相，实现固溶强化和时效硬化而提高合金的力学性能，此夕卜，添加Zn元素改变了合金熔体结构，降低合金熔体的结晶范围，从而改善熔体的流动性，降低因加Si而对熔体流动性的不利影响，提高合金的铸造成形性能。本发明采用Si (硅)为第三组元，Si的加入可以生成具有高弹性模量的Mg2S1、Nd - Si等含Si相，提高了合金的弹性模量；本发明采用Zr (锆)作为第四组元，Zr作为晶粒细化剂，在合金凝固的时候可以起到异质形核的作用，可以极大的细化晶粒，提高合金性能的同时改善合金的工艺性能。<