專利名稱：一種利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料及冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎂合金具有密度小、比強(qiáng)高以及減振性、電磁屏蔽性和機(jī)械加工性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)輕量化的理想材料，近年來(lái)鎂合金的研究與應(yīng)用得到高度重視。其中，作為鎂合金中的一個(gè)重要體系，Mg-Li基鎂合金是目前最輕的合金，是發(fā)展超輕高強(qiáng)合金最具潛力的合金系之一。相比于其他鎂合金，Mg-Li基鎂合金通常表現(xiàn)出十分優(yōu)良的塑性變形能力，這是 由于隨著Li含量的增加，該系合金的合金相結(jié)構(gòu)將發(fā)生由密排六方-密排六方+體心立方-體心立方的轉(zhuǎn)變，由于體心立方晶體結(jié)構(gòu)擁有較高的對(duì)稱性及較多的滑移系統(tǒng)，因此表現(xiàn)出極高的塑性變形能力。另外，Li可以使鎂及鎂合金的軸比(c/a)下降，降低位錯(cuò)沿柱面以及錐面滑移的臨界分切應(yīng)力。因此，隨著體心立方晶體結(jié)構(gòu)相在合金中含量的增加，Mg-Li基鎂合金的塑性也隨之增加。然而，該合金也存在著絕對(duì)強(qiáng)度不高，耐蝕性極差、熔煉工藝復(fù)雜、熱處理過(guò)程中易氧化、脫Li等關(guān)鍵性問(wèn)題，極大的制約了 Mg-Li基鎂合金的發(fā)展和應(yīng)用。特別是強(qiáng)度方面，單純Mg-Li 二元合金的抗拉強(qiáng)度不足lOOMPa，屈服強(qiáng)度則不足70MPa。因此，提高M(jìn)g-Li基鎂合金的絕對(duì)強(qiáng)度并保持其良好的塑性變形能力，研究合理的熱處理制度對(duì)發(fā)展該系合金和拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。合金化是提高鎂合金強(qiáng)度的重要方法，其中，稀土元素是鎂合金重要的強(qiáng)化組元，這是因?yàn)橄⊥猎啬芘cMg形成多種穩(wěn)定的金屬間化合物,如Mg12La2, Mg3Nd等,這恰恰彌補(bǔ)了 Mg-Li 二元合金缺乏穩(wěn)定強(qiáng)化相的不足，這些鎂稀土金屬間化合物可以達(dá)到強(qiáng)化效果，并提高鎂合金的熱穩(wěn)定性、蠕變抗力、高溫強(qiáng)度和耐蝕性等。Zr對(duì)Mg-Li基合金的強(qiáng)化作用非常顯著，還可明顯改善合金的抗蠕變性，其機(jī)理被認(rèn)為Zr可以細(xì)化再結(jié)晶組織，從而有利于獲得細(xì)小等軸晶，以及Zr溶質(zhì)原子抑制位錯(cuò)移動(dòng)促使均勻變形。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金及其制備方法，目的在于利用合金化的手段提高M(jìn)g-Li基鎂合金的絕對(duì)強(qiáng)度并保持其良好的塑性變形能力。本發(fā)明的一種利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金，以Mg-Li基鎂合金為基，加入稀土元素和Zr作為合金化組元，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比為L(zhǎng)il. 59T5. 5%，稀土元素1%，ZrO. 2 0. 6%，余量為Mg。其中，所述的稀土元素為Gd、La、Nd、Er、ML或MC，其中ML為富La混合稀土，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比La>60%，其余為Ce和Y ；MC為富Ce混合稀土，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比Ce>50%，其余為L(zhǎng)a, Nd和Pr。本發(fā)明的一種利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金的制備方法，包括以下步驟
(1)采用電阻熔煉爐，將金屬鎂加熱到710°C 730°C熔化，采用五號(hào)熔劑對(duì)金屬鎂熔體進(jìn)行凈化處理，熔體經(jīng)攪拌后升溫至780°C，加入含1%的稀土元素中間合金，含0. 2^0. 6%Zr的Mg-Zr中間合金；待熔體溫度降至660°C飛70°C，用加鋰罩加入I. 59^5. 5%的Li，并在熔體2/3深度以下垂直攪拌3 5min，升溫至720°C，熔體靜置30min ;此熔鑄過(guò)程利用體積比C02:SF6=20:1的混合氣體保護(hù)，以防止燃燒；
(2)把金屬熔體澆鑄至預(yù)熱到200°C的鐵制坩堝中，得到鑄錠；
(3)將合金鑄錠用0.Imm厚的鋁箔雙層包裹，并擠出鋁箔與鑄錠之間縫隙內(nèi)的空氣， 使鋁箔與鑄錠表面嚴(yán)實(shí)貼合，將鋁箔包裹的鑄錠放置于一個(gè)鐵質(zhì)容器中并用顆粒直徑為0. 25mm的細(xì)沙將鑄錠完全掩埋，掩埋深度為100mm，將容器放入熱處理爐中進(jìn)行均勻化熱處理，具體制度為加熱至30(T40(TC，保溫12 48h ；
(4)將熱處理后的鑄錠進(jìn)行車削，去除表面氧化部分，加工為O46mm的合金棒材；
(5)利用反向擠壓裝置，在300噸油壓機(jī)上，以5.Om/min的擠壓速度擠壓合金，擠壓比為33或15，分別得到O 8mm或O 12mm的鎂合金擠壓棒材；
(6)將擠壓后得到的合金擠壓棒材進(jìn)行T6熱處理，具體制度為380°CX Ih固溶水淬后，在90°C進(jìn)行時(shí)效熱處理，保溫時(shí)間為8 16h。步驟(5)中所述的反向擠壓裝置包括中空的擠壓桿、擠壓模具、擠壓筒、擠壓墊片和擠壓底座。在擠壓底座上裝配有擠壓筒，擠壓筒內(nèi)底部裝配有擠壓墊片，擠壓墊片上方裝配有擠壓模具，擠壓模具上方裝配有中空的擠壓桿。其中擠壓模具為中空的圓柱體，圓柱體內(nèi)部從下到上依次是模角段、預(yù)工作帶、定徑工作帶和出口段，模角為3(T45°，出口段的直徑大于工作帶的直徑，預(yù)工作帶直徑大于定徑工作帶直徑，兩工作帶長(zhǎng)度之比為0. 5^0. 8，定徑工作帶長(zhǎng)度為r8mm。擠壓前，采用二硫化鑰鋰基潤(rùn)滑脂作為潤(rùn)滑劑，均勻涂抹在擠壓模具內(nèi)壁、坯料表面和擠壓筒的內(nèi)壁上。本發(fā)明的有益效果在于
本發(fā)明通過(guò)向Mg-Li 二元鎂合金中添加稀土(Gd、La、Nd、Er、ML和MC)和Zr，強(qiáng)化Mg-Li合金并保持其良好的塑性變形能力；利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金擠壓棒材T6熱處理后的室溫拉伸力學(xué)性能最高可達(dá)到抗拉強(qiáng)度Rm為210MPa，屈服強(qiáng)度Rpa2為142MPa,延伸率 A 為 23. 5%。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例制備的鎂合金拉伸試樣尺寸 圖2為本發(fā)明實(shí)施例I制得的鎂合金的典型鑄造組織；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例I制得的鎂合金擠壓棒材的典型金相組織；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制得的鎂合金的典型鑄造組織；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例2制得的鎂合金擠壓棒材的典型金相組織；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例3制得的鎂合金的典型鑄造組織；圖7為本發(fā)明實(shí)施例3制得的鎂合金擠壓棒材的典型金相組織；
圖8為本發(fā)明實(shí)施例4制得的鎂合金的典型鑄造組織；
圖9為本發(fā)明實(shí)施例4制得的鎂合金擠壓棒材的典型金相組織；
圖10為本發(fā)明實(shí)施例5制得的鎂合金的典型鑄造組織；
圖11為本發(fā)明實(shí)施例5制得的鎂合金擠壓棒材的典型金相組織；
圖12為本發(fā)明實(shí)施例6制得的鎂合金的典型鑄造組織； 圖13為本發(fā)明實(shí)施例6制得的鎂合金擠壓棒材的典型金相組織。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)施例中使用的金相顯微鏡型號(hào)為L(zhǎng)eica MPS30。本實(shí)施例中Mg、Li采用一級(jí)鎂錠(99. 95%)、鋰錠(99. 9%)加入，稀土元素和Zr均采用中間合金形式加入，各中間合金組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Mg-25%Gd、Mg-22. 18%La、Mg-20. ll%Nd、Mg-10. 09%Er、Mg_20%ML、Mg-21%MC 和 Mg_30%Zr。實(shí)施例I
(1)采用電阻熔煉爐，將金屬鎂加熱到720°C熔化，采用五號(hào)熔劑對(duì)金屬鎂熔體進(jìn)行凈化處理，熔體經(jīng)攪拌后升溫至780°C，加入含l%Gd的Mg-Gd中間合金和含0. 4% Zr的Mg-Zr中間合金，待熔體溫度降至660°C，用加鋰罩加入3%的Li，并在熔體2/3深度以下垂直攪拌4min,升溫至720°C，熔體靜置30分鐘；
(2)以上熔鑄過(guò)程利用體積比C02:SF6=20:1混合氣保護(hù)，以防止燃燒，把金屬液體澆鑄至預(yù)熱到200°C的鐵制坩堝中，得到鑄錠，化學(xué)分析表明鑄錠的組成為Mg-3. 03Li-l. 16Gd-0. 37Zr ；
(3)將合金鑄錠用0.Imm厚的鋁箔雙層包裹，并擠出鋁箔與鑄錠之間縫隙內(nèi)的空氣，使鋁箔與鑄錠表面嚴(yán)實(shí)貼合，將鋁箔包裹的鑄錠放置于一個(gè)鐵質(zhì)容器中并用顆粒直徑為0. 25mm的細(xì)沙將鑄錠完全掩埋，掩埋深度為100mm，將容器放入熱處理爐中進(jìn)行均勻化熱處理，具體制度為加熱至300°C，保溫24小時(shí)；熱處理后合金的典型鑄造組織如圖2所示；
(4)熱處理后將鑄錠進(jìn)行車削，去除表面氧化部分，加工為046mm的合金棒材；
(5)利用反向擠壓裝置，在300噸油壓機(jī)上，以5.Om/min的擠壓速度擠壓合金，得到
O12mm的鎂合金擠壓棒材，擠壓比為15，合金擠壓棒材的典型金相組織如圖3所示；
(6)將擠壓后得到的合金擠壓棒材進(jìn)行T6熱處理，具體制度為380°CX Ih固溶水淬后，在90°C進(jìn)行時(shí)效熱處理，保溫時(shí)間為14小時(shí)。將其取樣加工成如圖I所示的拉伸試樣，在Instron8032拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸，拉伸速度為2mm/min，室溫拉伸力學(xué)性能如表I所示，平均值分別為抗拉強(qiáng)度Rm=189MPa，屈服強(qiáng)度RpQ.2=142MPa，延伸率A=23. 5%。
權(quán)利要求
1.一種利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金，其特征在于以Mg-Li基鎂合金為基，加入稀土元素和Zr作為合金化組元，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比為L(zhǎng)il. 59T5. 5%，稀土元素1%，ZrO. 2 0. 6%，余量為Mg。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金，其特征在于所述的稀土元素為Gd、La、Nd、Er、ML或MC，其中ML為富La混合稀土，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比La>60%，其余為Ce和Y ;MC為富Ce混合稀土，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比Ce>50%，其余為L(zhǎng)a, Nd和Pr。
3.如權(quán)利要求I所述的一種利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金的制備方法，其特征在于包括以下步驟 (1)采用電阻熔煉爐，將金屬鎂加熱到710°C 730°C熔化，采用五號(hào)熔劑對(duì)金屬鎂熔體進(jìn)行凈化處理，熔體經(jīng)攪拌后升溫至780V，加入含1%的稀土元素中間合金，含0. 2^0. 6%Zr的Mg-Zr中間合金；待熔體溫度降至660°C飛70°C，用加鋰罩加入I. 59^5. 5%的Li，并在熔體2/3深度以下垂直攪拌3 5min，升溫至720°C，熔體靜置30min ;此熔鑄過(guò)程利用體積比C02:SF6=20:1的混合氣體保護(hù)，以防止燃燒； (2)把金屬熔體澆鑄至預(yù)熱到200°C的鐵制坩堝中，得到鑄錠； (3)將合金鑄錠用0.Imm厚的鋁箔雙層包裹，并擠出鋁箔與鑄錠之間縫隙內(nèi)的空氣，使鋁箔與鑄錠表面嚴(yán)實(shí)貼合，將鋁箔包裹的鑄錠放置于一個(gè)鐵質(zhì)容器中并用顆粒直徑為.0.25mm的細(xì)沙將鑄錠完全掩埋，掩埋深度為100mm，將容器放入熱處理爐中進(jìn)行均勻化熱處理，具體制度為加熱至30(T40(TC，保溫12 48h ； (4)將熱處理后的鑄錠進(jìn)行車削，去除表面氧化部分，加工為046mm的合金棒材； (5)利用反向擠壓裝置，在300噸油壓機(jī)上，以5.Om/min的擠壓速度擠壓合金，擠壓比為33或15，分別得到O 8mm或O 12mm的鎂合金擠壓棒材； (6)將擠壓后得到的合金擠壓棒材進(jìn)行T6熱處理，具體制度為380°CX Ih固溶水淬后，在90°C進(jìn)行時(shí)效熱處理，保溫時(shí)間為8 16h。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料及冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用稀土和Zr強(qiáng)化的Mg-Li基變形鎂合金及其制備方法。該鎂合金以Mg-Li基鎂合金為基礎(chǔ)，加入稀土元素和Zr作為合金化組元，按質(zhì)量百分比，含有1.5%～5.5%的Li，1%的稀土元素，0.2～0.6%的Zr，余量為Mg。其制備方法為將合金熔化后澆鑄至預(yù)熱到200℃的鐵制坩堝中，得到鑄錠；將用鋁箔包裹的鑄錠放置于一個(gè)鐵質(zhì)容器中并用細(xì)沙將鑄錠完全掩埋，將容器放入熱處理爐中進(jìn)行熱處理，車削，加工為Φ46mm的合金棒材；利用反向擠壓裝置，得到鎂合金擠壓棒材；將棒材進(jìn)行T6熱處理。本發(fā)明強(qiáng)化Mg-Li合金性能并保持其良好的塑性變形能力，其室溫拉伸力學(xué)性能最高可達(dá)到抗拉強(qiáng)度Rm為210MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2為142MPa，延伸率A為23.5%。
文檔編號(hào)C22C23/00GK102978492SQ20121050121
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者寶磊, 張志強(qiáng), 樂(lè)啟熾, 崔建忠 申請(qǐng)人:東北大學(xué)