一種新型釔鈰鎂合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種新型釔鈰鎂合金及其制備方法，制得的該合金是由以下重量百分比的組分組成：稀土元素Y：2.5％～3.5％、稀土元素Ce：0.7％～2.0％、Ca：0.5％～1.0％、Zr：0.3％～0.8％，余量為鎂和微量雜質(zhì)，組分的百分比之和為100％。其制備方法是通過(guò)氣體保護(hù)熔煉并經(jīng)過(guò)一定的熱處理工藝，其室溫抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能優(yōu)良，具有更為經(jīng)濟(jì)的成本，可批量生產(chǎn)應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】
一種新型釔鈰鏌合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種鎂合金及其制備方法，具體涉及一種新型的釔鈰鎂合金及其制備 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎂合金作為最輕的工程結(jié)構(gòu)材料，具有比重小、比強(qiáng)度和比剛度高、減振性好和易 于回收等優(yōu)點(diǎn)，用于機(jī)動(dòng)車殼體可以減輕自重，節(jié)省能源，被譽(yù)為21世紀(jì)綠色工程金屬結(jié)構(gòu) 材料。但是，鎂合金易氧化，常溫條件下只有三個(gè)基面滑移系，難以發(fā)生塑性變形，且高溫條 件下極容易燃燒。目前鎂合金的成型方式大多數(shù)為鑄造成型，這極大的限制了鎂合金在工 業(yè)中更廣泛地應(yīng)用。因此，新型阻燃大變形鎂合金材料的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為鎂合金研究和開(kāi)發(fā) 的主要方向之一。而常用的AZ和AM系的合金無(wú)法保證其強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高，難以滿足鎂 合金板材的大變形乳制成型要求。近年來(lái)稀土 AE系鎂合金發(fā)展迅速，解決了很多性能不足 的問(wèn)題，但是合金中稀土元素總量均超過(guò)8%，有的甚至達(dá)到20%以上，增加了合金的成本。 在保證合金性能的基礎(chǔ)上，加入低廉的其他合金元素，實(shí)現(xiàn)共同強(qiáng)化的效果，已經(jīng)成為新型 鎂合金開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，也具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種新型的釔鈰 鎂合金及其制備方法，制得的該新型的釔鈰鎂合金強(qiáng)度塑性均可滿足生產(chǎn)要求，性能良好， 且經(jīng)濟(jì)成本低，可以大批量生產(chǎn)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種新型釔鈰鎂合金，其特征在于：制得的該新型釔鈰鎂合金由以下重量百分比 的組分組成:稀土元素 Υ:2·5%~3.5%、稀土元素〇6:0.7%~2.0%丄3:0.5%~1.0%、2『： 0.3%~0.8%，余量為鎂和微量雜質(zhì)，組分的百分比之和為100%。
[0006] 作為優(yōu)選，上述組分的重量百分比組成為：稀土元素 Υ: 3 %，稀土元素 Ce: 1.5 %， Ca:0.9%，Zr:0.6%，余量為鎂和極微量的雜質(zhì)。
[0007] 所述稀土元素 Y，稀土元素 Ce的質(zhì)量百分比之和為3.2%~5.5%。
[0008] 上述新型釔鈰鎂合金的制備方法，其特征在于，采用井式電阻坩堝加熱爐，在C02+ SF6混合氣體的保護(hù)下熔煉，熔煉過(guò)程是：
[0009] 先將電阻感應(yīng)爐溫升至740°C~750°C，加入經(jīng)過(guò)預(yù)熱至200°C的純Mg，并通入保護(hù) C〇2+SF6混合氣體，其中，C〇2的通入量為130ml/min，SF62的通入量為20ml/min;
[0010] 待純鎂完全熔化后，依次加入中間合金Mg-30 % Ce、Mg_30 % Ca和Mg-30 % Y，待中間 合金完全熔化后，溫度升至760°C~780°C，將SF6由20ml/min調(diào)為40ml/min，加入中間合金 Mg-30 % Zr，并立即扒渣，之后攪拌3min;
[0011]持續(xù)通入調(diào)整SF6后的C02+SF6混合氣體，靜置3min后，加入精煉劑，精煉劑含量為 6 %的六氯乙燒;再按常規(guī)方法通入氬氣精煉6~1 Omin;
[0012] 精煉完成后780°C條件下保溫靜置20min，將溫度降低到720°C，進(jìn)行澆鑄，即獲得 鑄態(tài)釔鈰鎂合金。
[0013] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、成分合理，所制備的含釔鈰的鎂合金具 有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，價(jià)格相對(duì)低廉且具有優(yōu)良的塑性和優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。以制備的18-3Y-1.5Ce-0.9Ca-0.6Zr鑄態(tài)釔鈰鎂合金為例，其室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別是 195.3510^、117.4910^和21%。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是本發(fā)明制備的新型釔鈰鎂合金的鑄態(tài)組織掃描圖。
[0015] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例和具體的工藝過(guò)程對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步細(xì)詳?shù)恼f(shuō)明，本發(fā)明 不限于下述的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明制得的新型釔鈰鎂合金由以下重量百分比的組分組成：稀土元素 Y: 2.5 % ~3.5%、稀土元素 Ce:0.7%~2.0%、Ca:0.5%~1.0%、Zr :0.3%~0.8%，余量為鎂和微 量雜質(zhì)，組分的百分比之和為100%。
[0017] 制備原理和優(yōu)勢(shì)如下：
[0018] 高溫下熔煉釔鈰鎂合金，合金液面可能發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：
[0019] 2Mg(l)+〇2(g) = 2MgO(s) (1)
[0020] 4/3Y(l)+〇2(g) = 2/3Y2〇3(s) (2)
[0021] 4/3Ce(l)+〇2(g) = 2/3Ce2〇3(s) (3)
[0022] 2Y(l)+3MgO(s)=Y2〇3(s)+3Mg(l) (4)
[0023] 2Ce(l)+3MgO(s)=Ce2〇3(s)+Mg(l) (5)
[0024] 2Y( 1) +Ce2〇3 (s) = Y2O3 (s)+2Ce (1) (6)
[0025] 以固態(tài)純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，以摩爾分?jǐn)?shù)代替元素活度，用氣體體積分?jǐn)?shù)代替氣體活 度。在反應(yīng)起始時(shí)，取活度a(MgO) =a(Ce2〇3) =a(Y2〇3) = l，a(Mg) = [Mg]m〇ie = 0.98534，a(Y) =[Y]m〇ie = 0.00972，a(Ce) = [Ce]Mie = 0.00240，a(〇2) = [02]mcile = 〇. 25。計(jì)算溫度為 1033K〇
[0026] 將參數(shù)代入式（1)~(6)得式(7)~（15):
[0030]
[0036] 從式（7)、（9)和（11)可知，開(kāi)始時(shí)Mg、Ce和Y三種元素均有可能發(fā)生氧化。另一方 面，根據(jù)式(8)、（10)和（12)中各氧化物分解壓的計(jì)算，Mg0、Y 203、Ce203分解壓的大小順序?yàn)?PYMgOpPYCe^spPYYSOS)。按熱力學(xué)規(guī)律，此時(shí)合金將分層氧化，即氧化膜外層氧壓高生 成的氧化物其分解壓也大，氧化膜內(nèi)層氧壓低生成的氧化物其分解壓也低。所以，對(duì)釔鈰鎂 合金來(lái)說(shuō)，將按這樣順序來(lái)氧化:最外層是MgO，其次是Ce 203，最內(nèi)層是Y203，形成初始的氧 化膜。氧化膜繼續(xù)生長(zhǎng)，根據(jù)式（13)和（15)，Υ與Mg0、Ce 203發(fā)生如式(4)和(6)所示的置換反 應(yīng)生成Y2〇3。
[0037] 初始形成的MgO和Ce203都不能穩(wěn)定存在，將瞬間發(fā)生置換反應(yīng)生成Υ20 3 ;此后隨著 反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，Υ含量越來(lái)越低，從而形成了 Y2〇3+MgO的外層氧化膜，并在內(nèi)部形成MgO的 氧化膜，雙層氧化膜均勻而又致密，具有較好的阻燃保護(hù)作用。從熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果可知，〇> Δ GQ(Mg0)> Δ GQ(Ce2〇3)> Δ GQ(Y2〇3)，Ce完全滿足第三元素的熱力學(xué)條件，因此在釔鈰鎂合 金的氧化膜形成過(guò)程中，Ce元素起到了"吸氣劑"的作用，抑制氧向合金內(nèi)部擴(kuò)散，從而抑制 了Y元素的內(nèi)氧化，提升了鎂合金的阻燃性，使鎂合金能夠高溫條件下發(fā)生變形，從而激活 鎂合金的錐面滑移系和棱柱面滑移系而提升鎂合金的塑性。
[0038]此外，Zr元素作為晶粒細(xì)化劑，在凝固形核過(guò)程中抑制了 α-Mg的長(zhǎng)大，從而使合金 的晶粒更加細(xì)小均勻，在提升合金塑性的同時(shí)保證了合金的強(qiáng)度。
[0039] 以下是發(fā)明人給出的具體實(shí)施例。
[0040] 實(shí)施例：
[0041 ] 本實(shí)施例給出一種新型含釔鈰的鎂合金，采用純Mg和中間合金Mg-30 % Y，Mg-30 % Ce，Mg-30 % Ca，Mg-30 % Zr為原料熔煉鑄造而成。
[0042] 一級(jí)純鎂錠:純度蘭99.98 %;
[0043] 中間合金為Mg-30% Y、Mg-30%Ce、Mg-30%Ca、Mg-30%Zr，雜質(zhì)含量蘭 0 · lwt %。
[0044] 本實(shí)施例中的新型含釔鈰的鎂合金的組成(重量百分比）為:稀土元素 Y:3%、稀土 元素06:1.5%、03:0.9%、2〇0.6%，其余為1%，組分的百分比之和為100%。
[0045] 該新型含釔鈰的鎂合金的熔煉工藝為：按照上述組分配制含釔鈰鎂合金，含釔鈰 鎂合金在熔煉前進(jìn)行預(yù)熱處理，將一級(jí)純鎂錠、中間合金Mg-30 % Y、Mg-30 % Ce、Mg-30 % Ca、 Mg-30 % Zr在保溫箱內(nèi)預(yù)熱到200 °C，保溫30min。
[0046] 熔煉采用井式電阻坩堝加熱爐，待爐溫升至740°C~750°C，通入⑶2(130ml/min) 和SF 6 (20ml/min)的混合保護(hù)氣氛，將經(jīng)過(guò)預(yù)熱至200 °C的一級(jí)純鎂錠置入加熱爐膛內(nèi)的坩 堝中，待其熔化后依次加入中間合金Mg-30 % Ce、Mg-30 % Ca和Mg-30 % Y，待這些中間合金完 全熔化后，對(duì)熔液液面浮渣進(jìn)行清除。將爐溫調(diào)至780°C，將SF6的氣體流量調(diào)至40ml/min， 溫度穩(wěn)定后再加入中間合金Mg_30%Zr，立即扒渣，然后攪拌3min，持續(xù)通入調(diào)整SF 6后的C02 +SF6混合氣體，靜置3min。然后加入精煉劑，精煉劑含量為6 %的六氯乙烷，此后繼續(xù)對(duì)熔液 進(jìn)行常規(guī)的吹A(chǔ)r精煉，攪拌6min，精煉后攪拌后扒渣，再將爐膛溫度上升至780°C并且保溫 靜置20min，而后將熔液隨爐冷卻至720°C，扒渣澆鑄，澆鑄使用的模具為事先在保溫箱內(nèi)經(jīng) 過(guò)220°C預(yù)熱30min的低碳鋼鋼制模具，澆鑄前應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行清理，澆鑄完成3min后開(kāi)模取 出鑄錠并進(jìn)行水冷。得到Mg-3Y-1.5Ce-0.9Ca-0.6Zr釔鈰鎂合金。
[0047] 本實(shí)施例制備的新型鑄態(tài)釔釤鎂合金的鑄態(tài)組織掃描圖如圖1所示，經(jīng)檢測(cè)，其室 溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別是195.35MPa、117.49MPa和21 %。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種新型釔鈰鎂合金，其特征在于：制得的該新型釔釤鎂合金由以下重量百分比的 組分組成：稀土元素 Y: 2.5 % ~3.5%、稀土元素 Ce :0.7% ~2.0%、Ca :0.5 % ~1.0%、Zr: 0.3%~0.8%，余量為鎂和微量雜質(zhì)，組分的百分比之和為100%。2. 如權(quán)利要求1所述的新型釔鈰鎂合金，其特征在于，所述稀土元素 Y和稀土元素 Ce的 質(zhì)量百分比之和為3.2%~5.5%。3. 如權(quán)利要求1或2所述的新型釔鈰鎂合金，其特征在于，制得的該新型鎂合金由以下 重量百分比的組分組成:稀土元素 Y:3%，稀土元素 Ce: 1.5%，Ca:0.9%，Zr :0.6%，余量為 鎂和微量雜質(zhì)。4. 權(quán)利要求1至3其中之一所述的新型釔鈰鎂合金的制備方法，其特征在于，采用井式 電阻坩堝加熱爐，在C02+SF 6混合氣體的保護(hù)下熔煉，熔煉過(guò)程是： 先將電阻感應(yīng)爐溫升至740°C~750°C，加入經(jīng)過(guò)預(yù)熱至200°C的純Mg，并通入保護(hù)CO2+ SF6混合氣體，其中，CO2的通入量為130ml/min，SF62的通入量為20ml/min; 待純鎂完全熔化后，依次加入中間合金Mg-30 % Ce、Mg-30 % Ca和Mg-30 % Y，待中間合金 完全熔化后，溫度升至760°C~780°C，將SF6由20ml/min調(diào)為40ml/min，加入中間合金Mg-30 % Zr，并立即扒渣，之后攪拌3min; 持續(xù)通入調(diào)整SF6后的C02+SF6混合氣體，靜置3min后，加入精煉劑，精煉劑含量為6 %的 六氯乙燒;再按常規(guī)方法通入氬氣精煉6~IOmin; 精煉完成后780°C條件下保溫靜置20min，將溫度降低到720°C，進(jìn)行澆鑄，即獲得鑄態(tài) 釔鈰鎂合金。
【文檔編號(hào)】C22C23/06GK105908039SQ201610307358
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】王文禮, 雷寧寧
【申請(qǐng)人】西安建筑科技大學(xué)