專利名稱：高強度耐熱鎂合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬材料技術領域的合金及其制備方法，具體的說，涉及的是一種高強度耐熱鎂合金及其制備方法。
背景技術：
強度不足和耐熱性不佳嚴重阻礙了鎂合金在航空航天、軍工及其它行業中替代鋁合金等材料的步伐。稀土元素，尤其是Y、Nd等，在提高鎂合金強度、耐熱性等方面作用顯著。Sm與Nd同屬于Ce組稀土元素。Sm原子序數62，在鎂中的最大固溶度為5.8mass％(0.99at％)，與鎂生成的平衡相為Mg41Sm5，共晶溫度為815K。Sm在鎂中的最大固溶度比Nd在鎂中的最大固溶度3.6mass％(0.63at％)大，因此，可能產生比Nd更良好的固溶強化和時效強化作用。而Y組重稀土元素從Gd到Lu由于在Mg中的固溶度很大，需要10wt％以上的的含量才能夠達到同樣的強化效果。可見，將WE系列鎂合金中的Nd元素用Sm代替，由于Sm高的固溶度，可能會得到更佳的固溶強化以及時效析出強化效果，得到更佳的綜合機械性能。同時可以限制合金的重量與成本在一個可以接受的范圍內。Y與Sm同屬于稀土元素，在Mg固溶體中時效析出納米級的析出相，這類析出相熱穩定性強，不僅可以顯著提高合金室溫的強度，而且對保持合金的高溫強度起到重要作用。
經對現有技術的文獻檢索發現，L.L.Rokhlin等在《Magnesium AlloysContaining Rare Earth Metals》(《稀土鎂合金》)(Taylor and Francis Group，2003)一書中指出，根據稀土元素核外電子排布的不同，稀土元素可以分為兩組Ce組和Y組。Ce組稀土元素包括La、Ce、Pr、Nd、Sm。Ce組稀土元素在鎂基體中固溶度較小；Y組稀土元素包括Y、Gd、Tb、Dy、Er、Ho、Tm、Lu。Y組稀土元素在鎂基體中固溶度很大，強化效果非常明顯。屬于不同組的兩種或多種稀土元素混合加入鎂基體，合金的析出動力學及析出相序列變得更為復雜，而且可以進一步提高鎂合金強度。兩種不同組稀土元素混合加入鎂合金，其復合強化效果比單獨加入相同數量的單種稀土元素更明顯。該書中同時表明，傳統的鑄造WE54合金經T6處理后，室溫抗拉強度為255MPa，屈服強度為179MPa，延伸率為2.0％。其不足在于較低的室溫性能限制了WE54合金的廣泛應用。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種高強度耐熱鎂合金及其制備方法，通過添加合金元素Sm代替WE系列合金中的Nd，并通過適當的熔煉及熱處理工藝條件，獲得高強度耐熱鎂合金，使得此類鎂合金具有比傳統WE系列商業鎂合金優越的室溫強度、高溫強度等力學性能。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明所述的高強度耐熱鎂合金，其組分及重量百分比為3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，雜質元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
本發明采用Y為第一組分，因為Y在200℃在Mg固溶體中的固溶度為2.2wt％，為保證合金得到良好的時效析出強化和固溶強化效果，Y的加入量不低于3wt％，而Y在Mg固溶體中的最大固溶度為12.4wt％，又為了避免合金成分和密度增加太多，以及合金過分脆化，Y的加入量不高于12wt％。采用Sm為第二組分，Sm可以降低Y在Mg中的固溶度，從而增加Y的時效析出強化效應，另外Sm的加入也可以提前時效硬度峰值的出現。Sm在Mg中的最大固溶度為5.8wt％，因此Sm的加入量應不高于6wt％，又為了充分發揮Sm的固溶強化及時效析出強化作用，Sm的加入量應不低于2wt％。采用Zr作為晶粒細化劑，以提高合金的韌性和改善合金的工藝性能。
本發明還提供上述的高強度耐熱鎂合金的制備方法，具體為將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預熱到180-220℃，然后將純鎂放入有氣體保護的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在720-740℃加入Mg-Y、Mg-Sm中間合金，升溫到750-770℃加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣、攪拌、精煉，精煉后靜置，待鎂液降溫至720-740℃后進行澆鑄，澆鑄用剛制模具預先加熱至180-220℃，得到本發明Mg-Y-Sm-Zr高強度耐熱鎂合金。
本發明還可以通過以下的熱處理工藝進一步提高合金的力學性能。熱處理工藝包括固溶處理和時效處理，具體為將得到的Mg-Y-Sm-Zr合金在經500-550℃、6-12小時的固溶處理后，在175-250℃的溫度下進行6-50小時時效處理。
本發明的Mg-Y-Sm-Zr鎂合金的室溫強度及高溫瞬時拉伸強度相對于WE系列合金得到顯著提高。以Mg-4Y-3.5Sm-0.5Zr為例，經過熱處理后室溫抗拉強度為350MPa，延伸率為7.0％，200℃抗拉強度為318MPa，250℃抗拉強度為274MPa；而相同條件下WE54合金的室溫抗拉強度為280MPa，延伸率為4.0％，200℃抗拉強度為241MPa，250℃抗拉強度為230MPa。Mg-Y-Sm-Zr合金的機械性能明顯高于WE54合金。
具體實施例方式
結合本發明技術方案的內容提供以下實施例實施例1合金的成分(重量百分比)為3.0％Y，4.0％Sm，0.5％Zr，雜質元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預熱到200℃，然后將純鎂放入有CO2/SF6氣體保護的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在730℃加入Mg-Y中間合金，Mg-Y熔化后鎂液溫度回升至730℃時再加入Mg-Sm中間合金，升溫到760℃保溫30分鐘，然后加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣，攪拌3分鐘，再將鎂液溫度升至760℃保溫20分鐘后760℃精煉6分鐘，精煉后升溫到770℃以上，靜置30分鐘，待鎂液降溫至730℃后進行澆鑄，澆鑄用剛制模具預先加熱至200℃，得到Mg-3Y-4Sm-0.5Zr合金。合金的熱處理工藝為500℃固溶處理6小時，175℃等溫時效6小時。
本實施例所得的合金，其室溫抗拉強度為337MPa，屈服強度為215MPa，延伸率為10.0％，200℃的抗拉強度為313MPa，250℃的抗拉強度為271MPa。
實施例2合金的成分(重量百分比)為6.0％Y，6.0％Sm，0.8％Zr，雜質元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預熱到200℃，然后將純鎂放入有CO2/SF6氣體保護的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在730℃加入Mg-Y中間合金，Mg-Y熔化后鎂液溫度回升至730℃時再加入Mg-Sm中間合金，升溫到760℃保溫30分鐘，然后加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣，攪拌3分鐘，再將鎂液溫度升至760℃保溫20分鐘后760℃精煉6分鐘，精煉后升溫到770℃以上，靜置30分鐘，待鎂液降溫至730℃后進行澆鑄，澆鑄用剛制模具預先加熱至200℃，得到Mg-6Y-6Sm-0.8Zr合金。合金的熱處理工藝為525℃固溶處理8小時，200℃等溫時效16小時。
本實施例所得的合金，其室溫抗拉強度為316MPa，屈服強度為230MPa，延伸率為1.9％，200℃的抗拉強度為308MPa，250℃的抗拉強度為282MPa。
實施例3合金的成分(重量百分比)為12.0％Y，2.0％Sm，0.35％Zr，雜質元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為先將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預熱到200℃，然后將純鎂放入有CO2/SF6氣體保護的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后在730℃加入Mg-Y中間合金，Mg-Y熔化后鎂液溫度回升至730℃時再加入Mg-Sm中間合金，升溫到760℃保溫30分鐘，然后加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣，攪拌3分鐘，再將鎂液溫度升至760℃保溫20分鐘后760℃精煉6分鐘，精煉后升溫到770℃以上，靜置30分鐘，待鎂液降溫至730℃后進行澆鑄，澆鑄用剛制模具預先加熱至200℃，得到Mg-12Y-2Sm-0.35Zr合金。合金的熱處理工藝為550℃固溶處理12小時，250℃等溫時效48小時。
本實施例所得的合金，其室溫抗拉強度為365MPa，屈服強度為245MPa，延伸率為3.0％，200℃的抗拉強度為331MPa，250℃的抗拉強度為312MPa。
權利要求
1.一種高強度耐熱鎂合金，其特征在于組分及重量百分比為3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，雜質元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg。
2.一種高強度耐熱鎂合金的制備方法，其特征在于所述的高強度耐熱鎂合金組分及重量百分比為3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，雜質元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg，制備方法為先將純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預熱，然后將純鎂放入有氣體保護的熔爐中熔化，待鎂錠熔化后加入Mg-Y、Mg-Sm中間合金，升溫加入Mg-Zr中間合金，待其熔化后去除表面浮渣、攪拌、精煉，精煉后靜置，待鎂液降溫后進行澆鑄，得到Mg-Y-Sm-Zr合金。
3.根據權利要求2的高強度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是純鎂、中間合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr預熱溫度為180-220℃。
4.根據權利要求2的高強度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是待鎂錠熔化后在720-740℃加入Mg-Y、Mg-Sm中間合金，升溫到750-770℃加入Mg-Zr中間合金。
5.根據權利要求2的高強度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是待鎂液降溫至720-740℃后進行澆鑄。
6.根據權利要求2的高強度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是澆鑄用剛制模具預先加熱至180-220℃。
7.根據權利要求2的高強度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是將Mg-Y-Sm-Zr合金進行500-550℃、6-12小時的固溶處理。
8.根據權利要求3的高強度耐熱鎂合金的制備方法，其特征是將經固溶處理后的Mg-Y-Sm-Zr合金在175-250℃的溫度下進行6-50小時的時效處理。
全文摘要
一種金屬材料技術領域的高強度耐熱鎂合金及其制備方法，鎂合金的組分及其重量百分比為3－12％Y、2－6％Sm、0.35－0.8％Zr，雜質元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02％，余量為Mg，熔煉時分別以Mg－Y、Mg－Sm、Mg－Zr中間合金的形式向鎂熔體中添加Y、Sm、Zr，熔煉后得到的鎂合金在經500－550℃、6－12小時的固溶處理后，在175－250℃的溫度下進行6－50小時時效處理提高其強度。本發明通過添加合金元素Sm代替WE系列合金中的Nd，并通過熔煉及熱處理工藝條件，獲得高強度耐熱鎂合金，此類鎂合金具有比傳統WE系列商業鎂合金優越的室溫強度、高溫強度等力學性能。
文檔編號C22C1/03GK1814837SQ20061002408
公開日2006年8月9日 申請日期2006年2月23日 優先權日2006年2月23日
發明者李大全, 王渠東, 丁文江 申請人:上海交通大學