含微量Al的稀土變形鎂合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含微量A1元素的稀土變形鎂合金及其制備方法，屬于工業(yè)用鎂 合金的范疇。
【背景技術(shù)】
[0002] 稀土鎂合金是研究較為廣泛的一類的鎂合金材料，其中Mg-Gd-Y-Zr合金作為一 類典型的稀土鎂合金是目前研究的熱點(diǎn)之一。由于Gd、Y元素在鎂中的固溶度較大，隨溫度 降低固溶度迅速降低，可以進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，因此Mg-Gd-Y-Zr合金是一類可熱處理強(qiáng)化的合 金。鑄造鎂合金由于其具有較好成形性能，因此被廣泛開發(fā)應(yīng)用，但是除特種鑄造合金外普 通鑄造成型鎂合金難免存在鑄造缺陷，限制了其作為高承力構(gòu)件的應(yīng)用，而變形鎂合金具 有出色及穩(wěn)定的力學(xué)性能，是鎂合金發(fā)展的必然趨勢。目前，國內(nèi)沒有專門制備大型變形鎂 合金的設(shè)備，常依托現(xiàn)有鋁合金成形設(shè)備進(jìn)行制備加工，比如擠壓、乳制以及鍛造等，會(huì)導(dǎo) 致合金中含有微量A1元素，影響鎂合金的純凈度，最終惡化合金的性能。
[0003] -般而言，不將A1添加到含Zr及含Mn的的鎂合金中，主要是在于A1易于和Zr及 Mn反應(yīng)生成有害相，不僅減弱了原始Zr及Mn的作用，同時(shí)反應(yīng)生成的相會(huì)大幅度惡化合金 的組織，不利于材料的后續(xù)加工及服役性能，特別是利用Zr來細(xì)化晶粒的稀土鎂合金。另 外，在稀土鎂合金中，混入一定量的A1后，除了Al-Zr相的存在外，A1還會(huì)和RE反應(yīng)生成 A1-RE相，減低稀土在鎂合金中的固溶時(shí)效強(qiáng)化作用，特別是對高固溶度的稀土元素，因此， 傳統(tǒng)上在Mg-RE-Zr合金體系中嚴(yán)格杜絕A1的存在。
[0004] 稀土鎂合金在塑性加工后余料中混入的A1元素使得其不能進(jìn)行回收，只能做降 級少量利用，或直接進(jìn)行無害化處理。但是，稀土是不可再生資源，顯然上述處理方法會(huì)造 成大量稀土的浪費(fèi)，提高了鎂合金的制備成本，并對環(huán)境的造成污染。研究發(fā)現(xiàn)，A1-RE相 具有很好的熱穩(wěn)定性，凝固時(shí)即可以產(chǎn)生，并在固態(tài)下不發(fā)生相轉(zhuǎn)變，該特性已經(jīng)在AZ系 列合金中得到了廣泛應(yīng)用，但是在稀土鎂合金中，一般將其作為不利因素，盡量避免。根據(jù) 上述研究結(jié)果，利用A1-RE相在高溫具有熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)，開發(fā)出一類能在高溫下服役的 合金，具有十分重要意義，特別是針對由于加工過程中附帶加進(jìn)鋁的稀土合金加工余料的 回收，可大幅度降低合金開發(fā)的成本。另外研究表明，Zn元素添加進(jìn)稀土合金中，會(huì)形成準(zhǔn) 晶相或長周期有序結(jié)構(gòu)，變形后會(huì)大幅度提高合金的塑性，因此，本發(fā)明當(dāng)中會(huì)適當(dāng)補(bǔ)充Zn 元素，用以消除A1元素添加所導(dǎo)致的合金塑性下降的不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的是解決由于加工過程中附帶加進(jìn)鋁的稀土鎂合金加工余料回 收的問題，通過設(shè)計(jì)本合金的成分及制備方法的工藝，在獲得高性能的前提下，降低稀土鎂 合金的制備成本。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種含微量A1元素的稀土變形鎂合金，其重量百分比組成為：Gd:6. 5~15. 0%， Y :3. 0~5. 5%，Zn :2. 0~4. 0%，Nd :0? 3~1. 5%，Zr :0? 3~0? 9%，A1 :0? 4~1. 0%，余量為 Mg。
[0008] 本體系合金中每類元素均有其作用，稀土元素(包括Gd、Y、Nd)在合金的形成主要 的強(qiáng)化相，利用其具有一定固溶度的特點(diǎn)，可以時(shí)效強(qiáng)化合金；Zn元素主要是和稀土元素 形成長周期有序結(jié)構(gòu)（LPS0相)，該相的存在可以很大程度上提高合金的塑形；Zr元素可以 細(xì)化合金的晶粒尺寸；A1元素可以和稀土元素形成A1-RE相，提高合金的耐高溫性能。
[0009] -種含微量A1元素的稀土變形鎂合金的制備方法，包括如下步驟：
[0010] (1)原料準(zhǔn)備，方式有以下兩種：
[0011] 本發(fā)明的設(shè)計(jì)目標(biāo)合金為：
[0012] Mg-(6. 5~15. 0)Gd-(3. 0~5. 5)Y-(2. 0-4. 0)Zn-(0. 3~1. 5)Nd-(0. 3~0? 9) Zr-(0. 4-1. 0)A1
[0013] 按本發(fā)明的設(shè)計(jì)鎂合金成分的重量百分比進(jìn)行備料；或者采用變形后的稀土鎂合 金壓余，經(jīng)過成分測試，添加A1和/或Zn ;
[0014] (2)合金熔煉
[0015] 將預(yù)熱爐升溫到300°C~400°C，并將熔化爐升溫到600°C~900°C，同時(shí)向上述兩 個(gè)爐子里通入保護(hù)氣體；原料分別在預(yù)熱爐中預(yù)熱后，加入到預(yù)熱的熔煉爐中進(jìn)行合金熔 煉，至完全熔化后，加入超聲設(shè)備以及攪拌裝置，對熔液進(jìn)行機(jī)械攪拌及超聲處理；
[0016] (3 )合金半固態(tài)擠壓
[0017] 攪拌后，將機(jī)械攪拌及超聲處理裝置全部取出，熔液倒入半固態(tài)擠壓機(jī)的腔室內(nèi)， 降溫至600°C~650°C，保溫lOmin，進(jìn)行半固態(tài)擠壓，擠壓棒材的直徑為10mm~200mm之 間；
[0018] (4)冷卻及預(yù)拉伸處理
[0019] 將變形后的合金在可循環(huán)的80°C~150°C淬火介質(zhì)中冷卻，當(dāng)棒料溫度與淬火介 質(zhì)溫度一致時(shí)取出；加工成形的棒材進(jìn)行預(yù)拉伸處理，消除殘余應(yīng)力并矯形，預(yù)拉伸變形量 為2~5%;
[0020] (5)時(shí)效強(qiáng)化處理
[0021] 將淬火后帶有溫度的棒料直接放入時(shí)效熱處理爐中進(jìn)行熱處理，溫度在150°C~ 250°C之間，時(shí)間為8h~100h之間，隨后空冷。
[0022] 上述方法適用于半固態(tài)擠壓棒材直徑彡50mm的材料的加工，直接時(shí)效并冷卻，即 執(zhí)行步驟（4)和（5)，其余尺寸的材料擠壓后直接放入均勻化熱處理爐中進(jìn)行均勻化處理。
[0023] 對于半固態(tài)擠壓直徑為50mm~100mm的棒料，在步驟（3)之后，還包括以下步驟：
[0024] (3) -A均勻化處理
[0025] 將棒料出爐溫度控制在500°C ±10°C，然后放入預(yù)先升溫好的均勻化熱處理爐 中，均勻化溫度在500°C~540°C之間，保溫時(shí)間在8h~48h;
[0026] (3)_B1再變形
[0027] 進(jìn)行二次擠壓，擠壓溫度即均勻化溫度，擠壓速度為5mm~15mm/min，擠壓速度與 擠壓比呈反比，擠壓比控制量在4~25。
[0028] 對于半固態(tài)擠壓直徑大于100mm的棒料，在步驟（3)之后，還包括以下步驟：
[0029](3) -A均勻化處理
[0030] 將棒料出爐溫度控制在500°C±10°C，然后放入預(yù)先升溫好的均勻化熱處理爐 中，均勻化溫度在500°C~540°C之間，保溫時(shí)間在8h~48h;
[0031] (3)_B2 再變形
[0032] 均勻化后進(jìn)行2~5次多向鍛造，變形過程中不降溫，保持溫度在500°C~550°C， 每次鍛造后均回爐保溫30min~lOOmin，然后進(jìn)行擠壓、乳制或直接鍛造成形。
[0033]步驟（1)中，Zr以Mg-Zr中間合金形式加入，所述的Mg-Zr中間合金中，Zr的成分 含量為30~40wt%，其余為Mg ;其他的合金元素，包括其余的Mg及Zn、Al、Gd、Y和Nd均以 純金屬形式加入。
[0034] 原料采用余料回收，將變形后的稀土鎂合金壓余車掉外皮，減少雜質(zhì)。在熔煉過程 中在線檢測A1含量，如果少于0. 4%時(shí)，則根據(jù)體積質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)充。
[0035] 本發(fā)明中，按照RE(稀土金屬)收得率為85%，Zr收得率為25%，A1收得率為100%， Zn收得率為90%,計(jì)算合金元素的加入重量。
[0036] 步驟（2)中，預(yù)熱爐為電阻爐，熔化爐為可控溫的中頻電磁感應(yīng)加熱爐；保護(hù)氣體 為氬氣和134a混合氣體，二者體積比例約為20:1，下同。
[0037] 新合金熔煉包括如下步驟：
[0038] 在已經(jīng)預(yù)熱的熔煉爐中進(jìn)行合金熔煉：首先將約占總重量50%經(jīng)預(yù)熱后的純鎂 錠放入熔煉爐中，完全熔化后加入剩余鎂錠，期間溫度控制在660°C~720°C，保持5min~ lOmin，攪拌并撇除浮渣；當(dāng)鎂錠完全熔化后緩慢升高熔體溫度，加入預(yù)熱的稀土金屬，加入 時(shí)保證熔體的溫度不低于750°C;當(dāng)熔體中稀土金屬完全溶化后緩慢升高熔體溫度，加入預(yù) 熱的Mg-Zr中間合金，加入時(shí)保證熔體溫度在800°C~850°C之間；再加入預(yù)熱的A1，加入 時(shí)熔體溫度在800°C以上，A1粒