專利名稱：一種耐熱稀土鎂合金及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬材料技術領域，具體涉及一種耐熱稀土鎂合金及其制備方法。
背景技術：
鎂是最輕的金屬結構材料，在汽車上應用日益增多。汽車每減重lOOKg，每百公里節(jié)油0.5L，同時減少尾氣排放，因此進行鎂合金的研究開發(fā)對于節(jié)約能源、抑制環(huán)境污染有著重要意義。但是，鎂合金的強度和耐熱性不佳嚴重阻礙其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的應用，因此提高鎂合金的強度和耐熱性是發(fā)展鎂合金材料的重要課題?，F(xiàn)有的耐熱鎂合金主要從限制位錯運動和強化晶界入手，通過適當?shù)暮辖鸹ㄟ^引入熱穩(wěn)定性高的第二相、降低元素在鎂基體中的擴散速率或者改善晶界結構狀態(tài)和組織形態(tài)等手段來實現(xiàn)提高鎂合金高溫強度和高溫蠕變抗力的目的。目前，在所有合金元素中，稀土(RE)是提高鎂合金耐熱性能最有效的合金元素，稀土元素在鎂合金中除了具有除氣、除雜、提高鑄造流動性、耐蝕性能的功能以外，大部分稀土元素在鎂中具有較大的固溶度極限；并且隨溫度下降，固溶度急劇減少，可以得到較大的過飽和度，從而在隨后的時效過程中析出彌散的、高熔點的稀土化合物相；稀土元素還可以細化晶粒、提高室溫強度，而且分布在晶內(nèi)和晶界(主要是晶界)的彌散的、高熔點稀土化合物，在高溫時仍能釘扎晶內(nèi)位錯和晶界滑移，從而提高了鎂合金的高溫強度，同時稀土(RE)元素在鎂基體中的擴散速率較慢，這使得Mg-RE合金適于在較高溫度環(huán)境下長期工作。Mg-RE (如Mg-Gd系)合金是重要的耐熱合金系，具有較高的高溫強度和優(yōu)良的蠕變性能。目前于200 250°C條件下長期工作的鎂合金零部件均為Mg-RE系合金，由于其特殊的價電子結構及在鎂合金中的顯著的強化效果，使Mg-RE系成為發(fā)展高強度耐熱鎂合金的一個重要合金系。

現(xiàn)有技術中，專利CN101532106B公開了一種耐熱鑄造稀土鎂合金，組分及其重量百分比為:7 14%Gd、2 5%Y、0.3 5%Sm、0.2 0.6%Zr，雜質(zhì)元素Si,Fe,Cu和Ni的總量小于0.02%，余量為Mg，該鎂合金具有反常溫度效應，在較高溫度具有很高的拉伸強度，滿足航空航天器件在200 250°C抗拉強度均高于250MPa的要求，但是其所用稀土元素種類多、含量高，存在成本相對較高的問題，不能達到高溫抗拉伸強度與成本兩者兼顧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種耐熱稀土鎂合金，在保持高溫抗拉伸強度的同時，具有較低的成本。本發(fā)明的另一個目的是提供一種耐熱稀土鎂合金的制備方法。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:一種耐熱稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:6% 15%Gd, 0.4% 1.5%Sm, 0.3% l%Zr,雜質(zhì)元素Si,Fe,Cu和Ni總量小于0.02%，余量為Mg。所述Gd和Sm的質(zhì)量百分比之和為7.5% 16.5%。該耐熱稀土鎂合金是由鎂和中間合金Mg-Gd、Mg-Sm, Mg-Zr為原料熔煉而成。
一種耐熱稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將鎂、中間合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr預熱；2)將鎂在C02+SF6混合氣體保護下熔化，于720 740°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Sm，將溫度升至750 780°C加入中間合金Mg-Zr ；3)當中間合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至770 780°C后保持IOmin得混合液；4)待步驟3)所得混合液的溫度降至690 730°C后進行澆鑄，得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進行熱處理，即得所述耐熱稀土鎂合金。步驟I)中所述預熱溫度為150 220°C。步驟4)中澆鑄時將澆鑄模具預熱至180 250°C。步驟5)中所述熱處理是對鑄態(tài)合金依次進行固溶處理和時效處理。所述固溶處理的處理溫度為490 540°C，處理時間為5 20小時。所述時效處理的處理溫度為180 250°C，處理時間為8 20小時。本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金組分為Mg-Gd-Sm-Zr。本發(fā)明采用Gd為第一組分,Gd在Mg固溶體中的最大固溶度為20.3wt%, 200°C時在Mg固溶體中的固溶度為3.8wt%,為保證合金得到良好的時效析出強化和固溶強化效果，Gd的加入量不低于6wt%，而又為了避免合金密度增加太多，以及合金過分脆化，因此本發(fā)明的Gd加入量不高于15wt%。本發(fā)明采用Sm為第二組分，Sm可以降低Gd在Mg中的固溶度，從而增加Gd的時效析出強化效應；Sm在鎂中的固溶度變化為:540 V，5.7wt% ；200 V，0.4wt%,為了使固溶強化效果更明顯且最大限度的節(jié)約成本，本發(fā)明的Sm加入量范圍為0.4wt% 1.5wt%0本發(fā)明采用Zr作為晶粒細化齊U，以提高合金的韌性和改善合金的工藝性能。本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金，組分為Mg-Gd-Sm-Zr，相對于現(xiàn)有技術，省去了稀土元素Y，并且稀土元素Sm使用較低的含量范圍，在保持高溫抗拉伸強度和反常溫度效應的同時，稀土元素種類少，含量低，具有較低的成本；本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金在室溫到250°C范圍內(nèi)，其抗拉強度具有反常溫度效應，即隨著拉伸溫度的提高，抗拉強度也隨之提高，到達一定溫度后，一般為300°C抗拉強度會下降；本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金，在航空航天、汽車工業(yè)、武器裝備等方面有著廣闊的應用前景。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明實施例中涉及到的原料鎂Mg和中間合金Mg-Gd、Mg-Sm、Mg-Zr均為市售產(chǎn)品。所述原料的純度為 99.9% 的 Mg,99.5% 的 Mg-30.00%Gd、99.5% 的 Mg-25.ll%Sm、99.5%的 Mg-25.00%Zro實施例1本實施例的耐熱稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:15%Gd，1.5%Sm，
0.5%Zr，雜質(zhì)元素Si,Fe,Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。所述Gd和Sm的質(zhì)量百分比之和為16.5%ο

本實施例的耐熱稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將鎂、中間合金 Mg-Gd、Mg-Sm 和 Mg-Zr 預熱到 150°C ;
2)將鎂放入預熱到500°C的剛玉坩堝中，在C02+SF6混合氣體保護下，大功率快速加熱熔化，待鎂錠熔化后，于720°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Sm，將溫度升至750°C加入中間合金Mg-Zr ；3)當中間合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至780°C后保持IOmin得混合液；4)將澆鑄用鋼制模具預先加熱至250°C，待步驟3)所得混合液溫度降至690°C后進行澆鑄，得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進行熱處理:535°C固溶處理6h，230°C等溫時效處理IOh,即得所述耐熱稀土鎂合金。實施例2本實施例的耐熱稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:6%Gd，1.5%Sm，1.0%Zr，雜質(zhì)元素Si,Fe,Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。所述Gd和Sm的質(zhì)量百分比之和為7.5%。本實施例的耐熱稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:1)將鎂、中間合金 Mg-Gd、Mg-Sm 和 Mg-Zr 預熱到 170°C ;2)將鎂放入預熱到500°C的剛玉坩堝中，在C02+SF6混合氣體保護下，大功率快速加熱熔化，待鎂錠熔化后，于740°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Sm，將溫度升至770°C加入中間合金Mg-Zr ；3)當中間合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至775°C后保持IOmin得混合液；4)將澆鑄用鋼制模具預先加熱至240°C，待步驟3)所得混合液溫度降至710°C后進行澆鑄，得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進行熱處理:540°C固溶處理15h，250°C等溫時效處理8h，即得所述耐熱稀土鎂合金。實施例3本實施例的耐熱稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:12%Gd，0.4%Sm，1.0%Zr，雜質(zhì)元素Si,Fe,Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。所述Gd和Sm的質(zhì)量百分比之和為12.4%。本實施例的耐熱稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將鎂、中間合金 Mg-Gd、Mg-Sm 和 Mg-Zr 預熱到 190°C ;2)將鎂放入預熱到500°C的剛玉坩堝中，在C02+SF6混合氣體保護下，大功率快速加熱熔化，待鎂錠熔化后，于730°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Sm，將溫度升至780°C加入中間合金Mg-Zr ；3)當中間合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至780°C后保持IOmin得混合液；4)將澆鑄用鋼制模具預先加熱至220°C，待步驟3)所得混合液溫度降至730°C后進行澆鑄，得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進行熱處理:520°C固溶處理5h，200°C等溫時效處理20h,即得所述耐熱稀土鎂合金。
實施例4本實施例的耐熱稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:10%Gd，1.0%Sm，0.3%Zr，雜質(zhì)元素Si,Fe,Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。所述Gd和Sm的質(zhì)量百分比之和為11.0%。本實施例的耐熱稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將鎂、中間合金 Mg-Gd、Mg-Sm 和 Mg-Zr 預熱到 200°C ；2)將鎂放入預熱到500°C的剛玉坩堝中，在C02+SF6混合氣體保護下，大功率快速加熱熔化，待鎂錠熔化后，于735°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Sm，將溫度升至760°C加入中間合金Mg-Zr ；3)當中間合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至770°C后保持IOmin得混合液；4)將澆鑄用鋼制模具預先加熱至200°C，待步驟3)所得混合液溫度降至700°C后進行澆鑄，得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進行熱處理:500°C固溶處理20h，180°C等溫時效處理15h，即得所述耐熱稀土鎂合金。實施例5本實施例的耐熱稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成:15%Gd，1.5%Sm，
0.8%Zr，雜質(zhì)元素Si,Fe,Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。所述Gd和Sm的質(zhì)量百分比之和為16.5%ο 本實施例的耐熱稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將鎂、中間合金 Mg-Gd、Mg-Sm 和 Mg-Zr 預熱到 220°C ；2)將鎂放入預熱到500°C的剛玉坩堝中，在C02+SF6混合氣體保護下，大功率快速加熱熔化，待鎂錠熔化后，于725°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Sm，將溫度升至765°C加入中間合金Mg-Zr ；3)當中間合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至770°C后保持IOmin得混合液；4)將澆鑄用鋼制模具預先加熱至180°C，待步驟3)所得混合液溫度降至720°C后進行澆鑄，得鑄態(tài)合金；5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進行熱處理:490°C固溶處理10h，240°C等溫時效處理18h，即得所述耐熱稀土鎂合金。實驗例本實驗例對實施例1 5所得耐熱稀土鎂合金進行拉伸強度實驗，實驗方法為:將所得耐熱稀土鎂合金的試樣，按照國家標準GB6397-86《金屬拉伸實驗試樣》加工成5倍標準拉伸試樣，在高溫下的拉伸試樣需要在試樣兩端加工螺紋以滿足高溫拉伸試樣的夾持裝置的要求。電子拉伸在日本島津AG-1250kN精密萬能實驗機上進行,拉伸速度為lmm/min ;高溫拉伸時，在相應溫度下對拉伸試樣保溫15min，溫度波動土1°C，然后進行拉伸。實驗結果如表I所示:表I實施例1 5所得耐熱稀土鎂合金的拉伸強度實驗結果
權利要求
1.一種耐熱稀土鎂合金，其特征在于:由以下質(zhì)量百分比的組分組成:6% 15%Gd，0.4% 1.5%Sm, 0.3% l%Zr,雜質(zhì)元素S1、Fe、Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。
2.根據(jù)權利要求1所述的耐熱稀土鎂合金，其特征在于:所述Gd和Sm的質(zhì)量百分比之和為7.5% 16.5%ο
3.根據(jù)權利要求1所述的耐熱稀土鎂合金，其特征在于:該耐熱稀土鎂合金是由鎂和中間合金Mg-Gd、Mg-Sm, Mg-Zr為原料熔煉而成。
4.一種如權利要求1所述的耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:包括下列步驟: 1)將鎂、中間合金Mg-Gd、Mg-Sm和Mg-Zr預熱； 2)將鎂在C02+SF6混合氣體保護下熔化，于720 740°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Sm,將溫度升至750 780°C加入中間合金Mg-Zr ； 3)當中間合金Mg-Zr熔化后，去除表面浮渣，將溫度升至770 780°C后保持IOmin得混合液； 4)待步驟3)所得混合液的溫度降至690 730°C后進行澆鑄，得鑄態(tài)合金； 5)將步驟4)所得鑄態(tài)合金進行熱處理，即得所述耐熱稀土鎂合金。
5.根據(jù)權利要求4所述的耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:步驟I)中所述預熱溫度為150 220°C。
6.根據(jù)權利要求4所述的耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:步驟4)中澆鑄時將澆鑄模具預熱至180 250°C。
7.根據(jù)權利要求4所述的耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:步驟5)中所述熱處理是對鑄態(tài)合金依次進行固溶處理和時效處理。
8.根據(jù)權利要求7所述的耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:所述固溶處理的處理溫度為490 540°C，處理時間為5 20小時。
9.根據(jù)權利要求7所述的耐熱稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:所述時效處理的處理溫度為180 250°C，處理時間為8 20小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耐熱稀土鎂合金及其制備方法，該鎂合金由以下質(zhì)量百分比的組分組成6%～15%Gd，0.4%～1.5%Sm，0.3%～1%Zr，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni總量小于0.02%，余量為Mg。同時還公開了該耐熱稀土鎂合金的制備方法。本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金，在保持高溫抗拉伸強度的同時，具有較低的成本；在室溫到250℃范圍內(nèi)，合金的抗拉伸強度具有反常溫度效應，即隨著溫度的升高，抗拉強度也隨之提高，到達一定溫度后，抗拉強度才會相對下降；在航空航天、汽車工業(yè)、武器裝備等領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號C22F1/06GK103074531SQ20131001131
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權日2013年1月11日
發(fā)明者李全安, 付三玲, 張清, 陳君, 劉文健, 陳志 , 宋曉杰 申請人:河南科技大學