專利名稱：高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金材料，特別涉及高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料及其制備工藝，屬于金屬材料及冶金技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎂合金是目前應(yīng)用的最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，其具有高的比強(qiáng)度比剛度、優(yōu)良的鑄造性能和機(jī)械加工性能，在汽車、電子、航空航天等領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景，由于其密度低，鎂合金成為替代鋁合金、鋼鐵等的重要材料，它的利用對減重和節(jié)能降耗特別顯著。雖然鎂合金的室溫性能優(yōu)異，但是較差的耐熱性能限制了鎂合金在服役溫度要求較高的汽車部件上的應(yīng)用，如發(fā)動機(jī)部件和傳動部件。因此提高鎂合金在120-200°C時的高溫強(qiáng)度，開發(fā)具有良好鑄造性能的耐熱鎂合金是鎂合金在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前商業(yè)用耐熱鎂合金的研發(fā)主要集中通過添加稀土等元素提高其耐熱性能，類似的發(fā)明專利如CN101130842A、CN101532107A、CN101225493A等都有涉及。如在CN1814837A中，李大全等發(fā)明的耐熱鎂合金含有2_6 % Sm和3_12 % Y，在王渠東等的 CN101463441A中，耐熱鎂合金含有2-10% Gd和3-16% Y，盡管這類耐熱鎂合金力學(xué)性能都比較高，但添加稀土量都比較高(一般大于4%)，成本較高，大大限制了其商業(yè)應(yīng)用。因此非常有必要利用多元微合金化方法通過其他元素取代或部分取代稀土元素的合金化作用， 降低稀土含量。由于B元素在Mg-Al系合金中會優(yōu)先形成密排六方結(jié)構(gòu)的AlB2 (熔點(diǎn)為 980 0C )相，其(0001)面與Ci-Mg(OOOl)面的錯配度為6. ，滿足共格對應(yīng)的錯配度條件，因此AW2在理論上可作為α -Mg良好的異質(zhì)核心，能夠使α -Mg晶粒細(xì)化，一定程度可以增強(qiáng)合金力學(xué)性能。因此為了降低合金的成本，力爭用B部分取代稀土對鎂合金進(jìn)行合金化改性，開發(fā)出一種低成本的耐熱鎂合金制備技術(shù)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料及其制備工藝，該種材料低成本、高溫耐熱性能良好。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料，其質(zhì)量百分比組成為Al 6 10%，Ζη 0·5 2%，Β 0.02 0.3%，Nd 0.2 1.5%，Gd 0· 2 1.5%， Mn 0. 1 0. 6%，雜質(zhì)元素 Si ≤ 0. 02%, Fe≤ 0. 003%, Cu ≤ 0. 01%，余量為 Mg。所述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料，其質(zhì)量百分比組成優(yōu)選A1 7 9%，ZnO. 5 2%, B 0.03 0.1%，Nd 0.2 1.5%，Gd 0.2 1.5%，Mn 0. 1 0. 6 %，雜質(zhì)元素 Si ≤ 0. 02%, Fe ≤ 0. 003%, Cu ≤ 0. 01%，余量為 Mg。高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的制備工藝，包括步驟如下1)按照合金成分進(jìn)行備料，將鎂錠(99. 99% )、鋁錠(99. 99% )、鋅錠(99. 99% )、 錳片(99. 9% ), Al-B 中間合金(3. 0 4. 0% B)，Mg-Nd 中間合金(25 ~ 30% Nd)，Mg-Gd中間合金05 30% Gd)及澆鑄用金屬模具預(yù)熱至160-200°C ；2)在惰性氣體和SFjg合氣體(0.01%-0.8% SF6)保護(hù)條件下，將鎂錠電爐加熱， 待鎂錠熔化升溫至710-730°C，依次加入鋁錠、鋅錠、錳片，熔化后再將Mg-Nd中間合金加入其中，待Mg-Nd中間合金熔化合金液溫度回升至720-750°C時再加入Mg-Gd中間合金熔化， 將得到的合金液升至750-780°C加入Al-B中間合金，待其熔化后攪拌3_5分鐘，攪拌完成后保溫15-20分鐘；3)將步驟幻得到的合金熔液溫度調(diào)整至700-730°C，靜置2_5分鐘，撇去合金液表面浮渣及覆蓋劑，將合金液澆鑄于金屬模具中，得到的鑄態(tài)合金；4)將鑄態(tài)合金在390_450°C下進(jìn)行8_18小時的固溶處理，固溶處理后的合金在 180-250°C下進(jìn)行15-30小時的時效處理。本發(fā)明為含B及NcUGd復(fù)合強(qiáng)化的Mg-Al合金，通過改變?nèi)坭T、熱加工和熱處理的工藝條件充分發(fā)揮了 B的晶粒細(xì)化和Nd、Gd稀土元素的微合金化作用，使合金在較少稀土元素含量的情況下獲得室溫和高溫強(qiáng)度下都比較高的力學(xué)性能。本發(fā)明的有益效果是(1)用B部分取代稀土，稀土含量低，降低了成本；(2)制備工藝?yán)谖⒑辖鸹饔?，使材料具有較高的高溫強(qiáng)度，可作為汽車零部件及其他服役溫度較高的結(jié)構(gòu)材料。(3)本發(fā)明獲得的合金在200°C溫度條件下，抗拉強(qiáng)度高于lOOMpa，延伸率不低于 10%。


圖1 按照實(shí)施例1制備的合金的XRD衍射圖。圖2 按照實(shí)施例1制備的合金的鑄態(tài)微觀組織照片。圖3 按照實(shí)施例1制備的合金熱處理后微觀組織照片。
具體實(shí)施例方式以下通過具體實(shí)例來說明本發(fā)明。實(shí)施例1高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的成分(重量百分比)為7. 5% Al，0. 8% Ζη,Ο. 02% B， 1% Nd,0. 8% Gd，0· 2% Mn，雜質(zhì)元素 Si、Fe、Cu、Ni 總量小于 0. 02%，余量為 Mg。按照上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂錠、鋁錠、鋅錠、Al-B中間合金， Mg-Nd中間合金，Mg-Gd中間合金預(yù)熱至160°C，然后將純鎂、鋁錠、錳片放入C02/SF6氣體保護(hù)的熔爐中熔化，熔化后攪拌均勻，待溫度到720°C加入Mg-Nd中間合金，待Mg-Nd中間合金熔化鎂液溫度回升至730°C時再加入Mg-Gd中間合金，將鎂液升至750°C加入Al-B中間合金，待其熔化后攪拌3-5分鐘，除去表面浮渣后靜置保溫15分鐘；待溫度在720°C進(jìn)行澆鑄，澆鑄用模具需預(yù)先加熱到160°C，澆鑄得到合金進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為在400°C下固溶處理12小時，180°C下進(jìn)行等溫時效處理20小時。本實(shí)例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為251MPa，屈服強(qiáng)度為148MPa，延伸率為 3.9%，200°C的抗拉強(qiáng)度為123MPa，屈服強(qiáng)度為98MPa，延伸率為18.5%。
實(shí)施例2高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的成分(重量百分比)為8. 5% Al，1. 2% Ζη,Ο. 03% B， 1. 5% Nd, 1. 0% Gd,0. 3% Mn，雜質(zhì)元素 Si、Fe、Cu、Ni 總量小于 0. 02%，余量為 Mg。按照上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂錠、鋁錠、鋅錠、Al-B中間合金， Mg-Nd中間合金，Mg-Gd中間合金預(yù)熱至200°C，然后將純鎂、鋁錠、錳片放入C02/SF6氣體保護(hù)的熔爐中熔化，熔化后攪拌均勻，待溫度到730°C加入Mg-Nd中間合金，待Mg-Nd中間合金熔化鎂液溫度回升至730°C時再加入Mg-Gd中間合金，將鎂液升至760°C加入Al-B中間合金，待其熔化后攪拌3-5分鐘，除去表面浮渣后靜置保溫20分鐘；待溫度在710°C進(jìn)行澆鑄，澆鑄用模具預(yù)先加熱到200°C，澆鑄得到合金進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為在410°C下固溶處理M小時，200°C下進(jìn)行等溫時效48小時。本實(shí)例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為259MPa，屈服強(qiáng)度為153MPa，延伸率為 4. 1%，200°C的抗拉強(qiáng)度為118MPa，屈服強(qiáng)度為IOlMPa,延伸率為16.3%。實(shí)施例3高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的成分(重量百分比)為9. Al，1.5% Zn，0.05% B， 0. 8% Nd, 1. 5% Gd，0. 25% Mn，雜質(zhì)元素 Si、Fe、Cu、Ni 總量小于 0. 02%，余量為 Mg。按照上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂錠、鋁錠、鋅錠、Al-B中間合金， Mg-Nd中間合金，Mg-Gd中間合金預(yù)熱至180°C，然后將純鎂、鋁錠、錳片放入C02/SF6氣體保護(hù)的熔爐中熔化，熔化后攪拌均勻，待溫度到725°C加入Mg-Nd中間合金，待Mg-Nd中間合金熔化鎂液溫度回升至730°C時再加入Mg-Gd中間合金，將鎂液升至770°C加入Al-B中間合金，待其熔化后攪拌3-5分鐘，除去表面浮渣后靜置保溫18分鐘；待溫度在730°C進(jìn)行澆鑄，澆鑄用模具預(yù)先加熱到200°C，澆鑄得到合金進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為在410°C下固溶處理18小時，190°C下進(jìn)行等溫時效30小時。本實(shí)例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為261MPa，屈服強(qiáng)度為154MPa，延伸率為 3.6%，200°C的抗拉強(qiáng)度為115MPa，屈服強(qiáng)度為97MPa，延伸率為17.7%。實(shí)施例4高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的成分(重量百分比)為6^^1,1.5^^1,0.3^^,0.8% Nd, 1. 5% Gd，0. 25% Mn，雜質(zhì)元素 Si、Fe、Cu、Ni 總量小于 0. 02%，余量為 Mg。熔鑄工藝同實(shí)施例1。本實(shí)例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為251MPa，屈服強(qiáng)度為152MPa，延伸率為 3. 5%，200°C的抗拉強(qiáng)度為113MPa，屈服強(qiáng)度為96MPa，延伸率為16. 7%0實(shí)施例5高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的成分(重量百分比)為7% Al，1.5% Si，0. 1^^,0.8% Nd, 1. 5% Gd，0. 25% Mn，雜質(zhì)元素 Si、Fe、Cu、Ni 總量小于 0. 02%，余量為 Mg。熔鑄工藝同實(shí)施例1。本實(shí)例所得的合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為262MPa，屈服強(qiáng)度為156MPa，延伸率為 3.6%，200°C的抗拉強(qiáng)度為119MPa，屈服強(qiáng)度為97MPa，延伸率為17.5%。
權(quán)利要求
1.高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料，其特征是，其質(zhì)量百分比組成為Al 6 10%，Zn 0. 5 2%，B 0. 02 0. 3%, Nd 0. 2 1. 5%, Gd 0. 2 1. 5%, Mn 0. 1 0. 6%，雜質(zhì)元素 Si < 0. 02%, Fe < 0. 003%, Cu < 0. 01%，余量為 Mg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料，其特征是，其質(zhì)量百分比組成為A1 7 9%，Zn 0. 5 2%，B 0. 03 0. 1%，Nd 0. 2 1. 5%，Gd 0. 2 1. 5%，Mn 0. 1 0. 6%，雜質(zhì)元素 Si <. 02%, Fe < 0. 003%, Cu < 0. 01%，余量為 Mg。
3.權(quán)利要求1或2所述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的制備工藝，其特征是，包括步驟如下1)在惰性氣體和SF6混合氣體保護(hù)條件下，將鎂錠電爐加熱，待鎂錠熔化升溫至 710-7300C，依次加入鋁錠、鋅錠、錳片，熔化后再將Mg-Nd中間合金加入其中，待Mg-Nd中間合金熔化合金液溫度回升至720-750°C時再加入Mg-Gd中間合金熔化，將得到的合金液升至750-780°C加入Al-B中間合金，待其熔化后攪拌3_5分鐘，攪拌完成后保溫15-20分鐘；2)將步驟2、得到的合金熔液溫度調(diào)整至700-730°C，靜置2_5分鐘，撇去合金液表面浮渣及覆蓋劑，將合金液澆鑄于金屬模具中，得到鑄態(tài)合金；3)將鑄態(tài)合金經(jīng)固溶處理和時效處理的熱處理后得產(chǎn)品。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的制備工藝，其特征是，步驟3)熱處理為在390-450°C下進(jìn)行8-18小時的固溶處理，固溶處理后的合金在180_250°C下進(jìn)行 15-30小時的時效處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的制備工藝過程，其特征是，所述的 Al-B中間合金含3. 0 4. 0%質(zhì)量的B。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的制備工藝過程，其特征是，所述的 Mg-Nd中間合金含25 30%質(zhì)量的Nd。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料的制備工藝過程，其特征是，所述的 Mg-Gd中間合金含25 30%質(zhì)量的Gd。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度耐熱鎂合金材料及其制備工藝，材料的質(zhì)量百分比組成為Al 6～10％，Zn 0.5～2％，B 0.02～0.3％，Nd 0.2～1.5％，Gd 0.2～1.5％，Mn 0.1～0.6％，雜質(zhì)元素Si≤0.02％，F(xiàn)e≤0.003％，Cu≤0.01％，余量為Mg。熔煉時以中間合金的形式依次向鎂熔體中添加Gd、Nd和B，然后澆鑄于金屬模具中，得到的合金固溶處理和時效熱處理后得材料。本發(fā)明材料用B部分取代稀土，稀土含量低，降低了成本；制備工藝?yán)谖⒑辖鸹饔?，使材料具有較高的高溫強(qiáng)度，可作為汽車零部件及其他服役溫度較高的結(jié)構(gòu)材料。
文檔編號C22C1/03GK102154580SQ20111011996
公開日2011年8月17日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者劉運(yùn)騰, 唐守秋, 姜利坤, 田長文, 趙德剛 申請人:山東省科學(xué)院新材料研究所