專利名稱：一種高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變形鎂合金及其制造方法，特別是一種高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，所述合金是一種五元鎂合金，包括Mg、Gd、Y、Zn和Mn五種合金元素，所述高強(qiáng)度是指材料能夠達(dá)到的抗拉強(qiáng)度≥495MPa。
背景技術(shù)：
鎂的彈性模量比較小，在受力作用下能產(chǎn)生較大的變形，因而鎂合金在沖擊載荷作用下，能吸收較大的沖擊能，可制造承受沖擊的零件。鎂及其合金作為最輕的常用金屬結(jié)構(gòu)材料，已受到人們越來越多的關(guān)注，并已在國防軍工、航空航天、高速軌道交通、電子通訊 等領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用。但是，由于鎂合金強(qiáng)度低，還難以大量應(yīng)用于承載結(jié)構(gòu)件，尤其是變形鎂合金的應(yīng)用量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鋼鐵和鋁合金，其室溫力學(xué)性能明顯不足，已經(jīng)嚴(yán)重的制約了其進(jìn)一步的應(yīng)用。CN200810230077. 2公開了 “一種高強(qiáng)度鑄造鎂合金及其熔制方法”其各組成成份的質(zhì)量百分含量分別是Gd:8. I 11. 5%，Y:l. 0 4. 5%, RE:0. 01 3. 0%, Zn:0. 01
0.2%, Mn:0 0. 18%, Zr ( I. 0%,且(Gd+Y+RE) ( 15. 5%;余量為 Mg 及雜質(zhì)。以 Gd 和 Y 為主要合金元素，以多元稀土 RE和Zn、Mn為輔助合金化元素，并且用Be、Ca進(jìn)一步減少合金氧化和用Zr細(xì)化處理，合金強(qiáng)度高，耐熱性能優(yōu)異，適合用鑄造方法制成工件。但是，由于配方復(fù)雜，稀土元素使用繁多，增加了制備難度。其獲得的最好力學(xué)性能是Mg-8. lGd-4. 5Y-
0.IlLa-O. 06Pr-0. 41Nd_0. 96SmO. 57Dy-0. 35Er_0. 3Yb_0. 12Ho_0. OlZn 鑄造合金 T6 態(tài)在室溫下的抗拉強(qiáng)度395MPa，但伸長率僅有4.0%，限制了其使用性能和應(yīng)用范圍。而且，該發(fā)明合金為鑄造鎂合金，鑄件的產(chǎn)品形狀尺寸存在一定的局限性且容易產(chǎn)生組織缺陷，并且該發(fā)明合金在大量使用稀土元素的同時(shí)仍添加Mg-Zr中間合金作為晶粒細(xì)化劑，更增加了合金成本。CN200610144003. 8公開了 “一種鎂合金及其制備方法”，該鎂合金的成份含量為Gd: 7 llwt%, Y:2 5wt%, Zr :0. 3 0. 6wt%, Zn:0 I. 0wt%，其余為 Mg 和不可避免的雜質(zhì)元素。該專利合金鑄造態(tài)經(jīng)固溶、擠壓和時(shí)效處理后常溫最好力學(xué)性能數(shù)據(jù)是抗拉強(qiáng)度450 480MPa，伸長率3 5%。金屬Zr及其合金的價(jià)格顯著高于金屬M(fèi)n及其合金，會(huì)增加合金成本，并且該合金延伸率較低。因此，選擇在鎂中添加合金元素得到一種多元化鎂合金體系，采用常規(guī)設(shè)備獲得其鑄態(tài)合金并將鑄態(tài)合金加工成擠壓態(tài)合金，并對擠壓態(tài)合金進(jìn)行適當(dāng)熱處理，利用復(fù)合強(qiáng)化手段來提高鎂合金的強(qiáng)度，改善鎂合金的綜合力學(xué)性能和使用性能，拓展其應(yīng)用范圍，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員有待解決的問題
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是如何改善鎂合金強(qiáng)度，提供一種高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，實(shí)現(xiàn)工藝簡單，操作容易和降低成本的目的。實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金；其特征在于,所述鎂合金主要由Mg、Gd、Y、Zn和Mn組成，各組成成分質(zhì)量百分含量為Gd=8. 2 10. 2，Y=5. 0 6. 0，Zn=O. 5 4. 0，Mn=O. 5 0. 8，余量為鎂和不可避免的雜質(zhì)；
所述合金采用如下方法制備
(1)按照上述組分計(jì)算需要原料的重量，原料采用工業(yè)純鎂、工業(yè)純鋅、Mg-Gd中間合金、Mg-Y中間合金、Mg-Mn中間合金；采用真空熔煉、澆鑄得到合金鑄錠；
(2)對步驟(I)獲得的合金鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理，其工藝參數(shù)為溫度 5400C ±10°C，時(shí)間4小時(shí)；再將制好的坯料進(jìn)行擠壓得到擠壓態(tài)合金，其中采用的工藝參數(shù)為擠壓溫度400°C ±10°C，擠壓比為11，在擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，擠壓速度恒定；
(3)對步驟(2)經(jīng)變形加工后的擠壓態(tài)合金進(jìn)行人工時(shí)效處理，其工藝參數(shù)為時(shí)效溫度200°C，保溫時(shí)間50小時(shí)，空冷，制得高強(qiáng)度鎂合金材料。進(jìn)一步，步驟(I)中，所述真空熔煉和澆鑄為將原料加入坩堝并通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，在真空冶煉爐中熔煉；在850°c保溫并電磁感應(yīng)攪拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后繼續(xù)在850°C靜置保溫10分鐘。優(yōu)選配方為所述鎂合金各組成成分質(zhì)量百分含量為Gd_8. 4%, Y-5. 3%,Zn-L 65%，Mn-O. 6%，雜質(zhì)的總含量< 0. 1% ;余量為鎂。本發(fā)明不可避免的雜質(zhì)為Si、Fe，其總量< 0. 1%。本發(fā)明人經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究后認(rèn)為Mg、Zn和Gd、Y能夠在鎂合金中形成長周期相，這些長周期相作為鎂基體中新的硬質(zhì)相，可起到顯著的彌散強(qiáng)化效果，再通過時(shí)效處理引入亞穩(wěn)相的強(qiáng)化效果，兼顧了固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和析出強(qiáng)化機(jī)制，從而能夠改善鎂合金的室溫力學(xué)性能。所述高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金不是粉末冶金，而是通過熔煉澆鑄得到鑄態(tài)合金后擠壓加工，再對擠壓態(tài)合金進(jìn)行時(shí)效熱處理得到最終合金。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明提出在Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金中使Mg、Zn和Gd、Y形成大量長周期相，這些長周期相作為鎂基體中新的硬質(zhì)相，可起到顯著的彌散強(qiáng)化效果，再通過時(shí)效處理引入亞穩(wěn)相的強(qiáng)化效果，該工藝是固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和形變強(qiáng)化于一體的高強(qiáng)變形鎂合金的制備方法。在Mg-Gd-Y-Zn合金中，除了 LPSO相擁有良好的強(qiáng)韌化效果外，該體系合金還具有顯著的時(shí)效強(qiáng)化效果。其時(shí)效強(qiáng)化的主要貢獻(xiàn)者為亞穩(wěn)態(tài)的P"相(密排六方超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu))、和P 相(底心正交結(jié)構(gòu))的大量析出。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，除了亞穩(wěn)相，LPSO結(jié)構(gòu)相也會(huì)繼續(xù)析出。LPSO相的出現(xiàn)，可降低系統(tǒng)總能量，激活基面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的塑性，結(jié)合亞穩(wěn)相的析出強(qiáng)化效果，該合金擁有著成為高強(qiáng)韌鎂合金的潛力。雖然Zr元素?fù)碛杏行У募?xì)化晶粒的作用，但是，在合金熔鑄過程中Zr容易與Zn形成Zn3Zr2金屬間化合物，降低其晶粒細(xì)化的效果，另外Zr在合計(jì)緩慢凝固過程中容易產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析和偏聚，形成粗大的單質(zhì)顆粒聚集，惡化合金的熔煉質(zhì)量和力學(xué)性能。而且，在熔煉時(shí)，Mg-Zr中間合金的利用率非常低，而其價(jià)格又十分昂貴，熔煉成本很高。而另有研究表明，Mn元素除了提高合金的腐蝕性能和去除有害元素Fe等優(yōu)點(diǎn)外，其以單質(zhì)形式彌散地分布于鎂合金中，同樣可以細(xì)化枝晶，阻礙熱擠壓過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒長大和后續(xù)熱處理過程中晶粒長大，而且，合金的晶粒尺寸會(huì)隨著Mn含量的增加而減小。本發(fā)明以Mn替代Zr元素，制備了高強(qiáng)度Mg-9Gd-6Y-l. 6Zn_0. 6Mn (wt. %)合金。僅以如下高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金為例，其具有較高的力學(xué)性能，其中時(shí)效態(tài)Gd -8. 4wt%, Y -5. 3wt%, Zn -I. 65wt%, Mn _0. 6wt% ;余量為 Mg 和少量的雜質(zhì)；該合金的室溫抗拉強(qiáng)度為496MPa，屈服強(qiáng)度為324MPa，延伸率為9. 7% ;其強(qiáng)度與目前常用的變形鎂合金AZ91、ZK60相比顯著提高。所述高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金不是粉末冶金，而是通過熔煉澆鑄得到鑄態(tài)合金后擠壓加工，再對擠壓態(tài)合金進(jìn)行適當(dāng)熱處理后得到的合金。本發(fā)明中稀土金屬的加入引入了 LPSO相和亞穩(wěn)相，能夠顯著提高鎂合金的室溫 強(qiáng)韌性，用Mn元素替換Zr元素，還有利于改善合金的耐腐蝕性能，同時(shí)降低合金成本，為鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大創(chuàng)造了條件。本發(fā)明工藝簡單，所用設(shè)備為常規(guī)通用設(shè)備，可移植性強(qiáng)，且容易操作，成本低廉，明顯提高了合金的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，解決了 Mg合金由于力學(xué)性能低而限制其應(yīng)用的難題，擴(kuò)大了鎂合金的應(yīng)用范圍。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例I的合金時(shí)效態(tài)的金相組織圖片。
具體實(shí)施例方式 本發(fā)明高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金是一種五元鎂合金,包括Mg、Gd、Y、Zn和Mn五種合金元素，所述高強(qiáng)度是指材料能夠達(dá)到的抗拉強(qiáng)度> 495MPa。本發(fā)明人經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究后認(rèn)為Mg、Zn和Gd、Y能夠在鎂合金中形成長周期相，這些長周期相作為鎂基體中新的硬質(zhì)相，可起到顯著的彌散強(qiáng)化效果，再通過時(shí)效處理引入亞穩(wěn)相的強(qiáng)化效果，兼顧了固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和析出強(qiáng)化機(jī)制，從而能夠改善鎂合金的室溫力學(xué)性能。實(shí)施例I :一種高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)Gd_8. 4%，Y-5. 3%，Zn-L 65%，Mn-O. 6%，雜質(zhì)元素小余 0. 1%，其余為 Mg。該高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法,按如下步驟進(jìn)行
步驟I :在真空熔煉爐中，熔煉鑄錠，并通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，按照重量百分比Gd=8. 4%，Y=5. 3%，Zn=L 65%，Mn=O. 6%添加合金元素。其中，Gd，Y，Mn，Zn分別以Mg_30Gd中間合金、Mg-25Y中間合金、Mg-3Mn中間合金和純Zn形式加入。在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后繼續(xù)在850°C靜置保溫10分鐘，然后進(jìn)行澆鑄。步驟2:將所熔煉的鎂合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理，其工藝參數(shù)為溫度5400C ±10°C，時(shí)間4小時(shí)。均勻化處理后，對鎂合金鑄錠進(jìn)行常規(guī)熱擠壓，擠壓溫度為400°C，擠壓比為11，擠壓速度恒定。鎂合金的性能見表1，其中力學(xué)性能是指合金室溫下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。
步驟3 :將擠壓態(tài)合金進(jìn)行時(shí)效處理，其工藝參數(shù)為熱處理溫度為200°C，保溫時(shí)間50小時(shí)，空冷。鎂合金的性能見表I，其中力學(xué)性能是指合金室溫下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。表I為實(shí)施例I所述高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的力學(xué)性能表。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金；其特征在于，所述鎂合金主要由Mg、Gd、Y、Zn和Mn組成，各組成成分質(zhì)量百分含量為Gd=8. 2 10. 2，Y=5. O 6. O, Zn=O. 5 4. O，Mn=O. 5 O.8，余量為鎂和不可避免的雜質(zhì)； 所述合金采用如下方法制備 Cl)按照上述組分計(jì)算需要原料的重量，原料采用エ業(yè)純鎂、エ業(yè)純鋅、Mg-Gd中間合金、Mg-Y中間合金、Mg-Mn中間合金；采用真空熔煉、澆鑄得到合金鑄錠； (2)對步驟(I)獲得的合金鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理，其エ藝參數(shù)為溫度5400C ±10°C，時(shí)間4小時(shí)；再將制好的坯料進(jìn)行擠壓得到擠壓態(tài)合金，其中采用的エ藝參數(shù)為擠壓溫度400°C ±10°C，擠壓比為11，在擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，擠壓速度恒定； (3)對步驟(2)經(jīng)變形加工后的擠壓態(tài)合金進(jìn)行人工時(shí)效處理，其エ藝參數(shù)為時(shí)效溫度200°C，保溫時(shí)間50小吋，空冷，制得高強(qiáng)度鎂合金材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，其特征在于，所述步驟(I)中，真空熔煉和澆鑄為將原料加入坩堝并通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，在真空冶煉爐中熔煉；在850°C保溫并電磁感應(yīng)攪拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后繼續(xù)在850°C靜置保溫10分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，其特征在干，所述鎂合金各組成成分質(zhì)量百分含量為Gd-8. 4%，Y-5. 3%，Zn-L 65%，Mn-O. 6%，雜質(zhì)的總含量< O. 1% ;余量為鎂。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，其特征在于，所述鎂合金各組成成分質(zhì)量百分含量為Gd-10. 01%, Y-5. 66%, Zn-L 60%, Mn-O. 54%,雜質(zhì)的總含量< O. 1% ;余量為鎂。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，包括分布于合金中的以下合金化元素成份及其百分比重量含量值Gd=8.2～10.2，Y=5.0～6.0，Zn=0.5～4.0，Mn=0.5～0.8，余量為鎂和不可避免的雜質(zhì)；采用如下工藝制備配料、真空熔煉鑄錠、均勻化退火、擠壓和熱處理。本發(fā)明提出在Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金中使Mg、Zn和Gd、Y形成大量長周期相，可起到顯著的彌散強(qiáng)化效果，再通過時(shí)效處理引入亞穩(wěn)相的強(qiáng)化效果，該工藝是固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和形變強(qiáng)化于一體的高強(qiáng)變形鎂合金的制備方法。本發(fā)明工藝簡單，可移植性強(qiáng)，且容易操作，成本低廉，明顯提高了合金的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，解決了Mg合金由于力學(xué)性能低而限制其應(yīng)用的難題，擴(kuò)大了鎂合金的應(yīng)用范圍。
文檔編號C22C1/03GK102732763SQ20121016431
公開日2012年10月17日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者周海, 宋鵬飛, 潘復(fù)生, 王敬豐, 秦德昭 申請人:重慶大學(xué)