專利名稱：高強耐熱變形鎂合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及鎂合金，特別是涉及一種具有高強韌性和高蠕變強度的鎂合金，它適用常溫和高溫場合下使用的結構材料。本發明是一種高強耐熱變形鎂合金。
背景技術：
最近二十年來，世界范圍內許多國家都在積極研究開發滿足可持續發展戰略需求的輕質高性能生態型材料。在眾多的輕質材料中，鎂合金由于比強度高、比模量高、耐沖擊、抗電磁屏蔽性好，容易鑄造成型，易于回收再生，加之資源豐富等優勢，日益引起許多工業發達國家和發展中國家政府研究人員的重視。與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金具有更高的力學性能和更廣闊的應用前景。在一定程度上可以說，變形鎂合金的發展與應用程度反映和代表了鎂合金的研究與應用水平。目前的變形鎂合金(AZ系、ZK系、Mg-Zn-RE系)雖然塑性較好，但室溫和高溫強度較低和抗蠕變性偏低，很難滿足航空、航天、兵器和民用轎車領域對高強韌、高耐熱性和高蠕變強度的輕質結構材料的要求。
為了提高形變鎂合金材料的強韌性和耐熱性，許多科研工作者開展了大量研究工作Kun Yu等人在《Scripta Materialia》2003年第48卷報道了一種新型形變鎂合金Mg-2.8％Ce-0.7％Zn-0.7％Zr(wt.％)，該合金在25℃具有抗拉強度257.8MPa、延伸率12％。但該合金的合金元素與本發明相差甚遠，且力學性能也不能和本發明相比。L.L. Rokhlin等人在《Magnesium Alloys Containing Rare Earth Metals》報道了幾種高強度形變鎂合金Mg-10％Gd-0.6Mn(wt.％)，Mg-10％Gd-6Y-0.6Mn(wt.％)Mg-10Gd-5Y-0.5Mn、Mg-10Gd-3Y-0.4Zr，S.M.He等人在《Journalof Alloys and Compounds》報道了一種高強度形變鎂合金Mg-10Gd-2Y-0.5Zr，所述合金都不含Zn或不同時含Zn和Mn，與本發明的合金無關。
經在現有的信息系統和網絡中檢索，尚未發現有與本發明的合金材料和性能完全相同的文獻報道。
發明內容
本發明的目的是要克服目前變形鎂合金存在的缺點，有效提高材料的室溫和高溫機械性能，開發一種高強韌、高耐熱性、高蠕變強度、易于工業化生產、可在25℃～300℃長期使用的高強耐熱變形鎂合金。
本發明的實現是該高強耐熱變形鎂合金，按重量百分比(wt％)該合金的化學成分為在于包括釓、釔、鋅、鋯和錳，其重量百分比(wt％)為Gd4.5～12.5，Y2.5～5.0，Zn0.2～1.0，Zr0.2～1.0，Mn 0.1～0.5，其余為Mg和不可避免的雜質組成。
本發明中釓是合金主要的強化元素，它通過固溶強化和沉淀強化提高合金的室溫強度。并且釓與鎂形成耐熱性高的β相(Mg5Gd)可以提高合金的高溫強度。Y的加入可以改善耐熱強化相的形態，提高耐熱強化相的熱穩定性，從而提高釓的室溫和高溫強化能力。Zn和Mn的加入可以改善合金的塑性和熱加工性。
本發明的實現還在于該高強耐熱變形鎂合金，其中所述的不可避免的雜質Si、Fe、Ni、Cu每一種的許用重量百分含量為Si＜0.025、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003、Cl＜0.003。對于合金而言，雜質越少越好。
本發明的實現還在于其二次成型采用溫擠壓或鍛造或軋制或劇烈塑性變形，鑄造方法為金屬型鑄造。
本發明的實現還在于其二次成型采用溫擠壓或鍛造或軋制或劇烈塑性變形，其鑄造方法為是連續鑄造。即鑄造方法為是連續鑄造，二次成型采用溫擠壓或鍛造或軋制或劇烈塑性變形。
本發明高強耐熱合金，不僅可以用普通變形鎂合金制備方法制備成鑄錠，供隨后二次成型使用，也可以用連續鑄造方法制成鑄錠，溫擠壓成型材或鍛造成鍛件，對于航空、航天、兵器和民用車輛領域中要求高強韌、高耐熱性、高蠕變強度的輕質材料結構件有廣泛的應用需求。
由于本發明在鎂合金的化學成份中加入了稀土元素釓、釔和金屬元素鋅、鋯和錳，稀土元素釓和釔增強了鎂合金的高溫性能，鋅、鋯和錳的加入提高了鎂合金的塑性和熱加工性。本發明反復實驗調整加入量到適度的比例和配量，采用普通的工藝和設備就可實現生產，所制備的高強耐熱變形鎂合金既有高強韌、高耐熱性、高蠕變強度，同時還具有適當的塑性和熱加工性能。其抗拉強度、屈服強度相對于商業形變鎂合金均有大幅度的提高，相對于商業形變鎂合金，本發明的室溫抗拉強度平均提高14％，高溫抗拉強度平均提高56％；室溫屈服強度平均提高13％，高溫屈服強度平均提高74％。
圖1本發明實施例1合金的鑄態金相組織照片；圖2本發明實施例1合金的擠壓后時效處理的金相組織照片；圖3本發明實施例2合金的鑄態金相組織照片；圖4本發明實施例2合金的擠壓后時效處理的金相組織照片；圖5本發明實施例3合金的鑄態金相組織照片；圖6本發明實施例3合金的擠壓后時效處理的金相組織照片；圖7實施例1、實施例2、實施例3、實施例4、實施例11和商用變形鎂合金ZK60的力學性能對照表，圖中ZK60的數據均為同樣條件下制備的試樣，并在同樣測試條件下獲得的數據。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行詳細說明實施例1采用鑄造方法為普通金屬型鑄造，二次成型為普通溫擠壓制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd12.5，Y3.0，Zn0.5Zr0.5，Mn 0.2，其余為Mg和不可避免的雜質組成。不可避免的雜質Si、Fe、Ni、Cu、Cl每一種的許用重量百分含量為Si＜0.025、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003、Cl＜0.003。經熔配，熱擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。通常采用普通變形鎂合金制備方法就可以達到如上雜質量的要求。圖1是該合金的鑄態金相組織照片，圖2是該合金的擠壓后熱處理的金相組織照片。從圖2照片可見，該合金擠壓后熱處理的組織為均勻的動態再結晶晶粒(平均尺寸為5μm)和第二相組成。從圖7表明，該合金具有很高的室溫和高溫力學性能，比商業形變鎂合金ZK60的室溫抗拉強度提高了28％，高溫抗拉強度提高95％；室溫屈服強度平均提高了近27％，高溫屈服強度平均提高了117％。
實施例2采用鑄造方法為普通金屬型鑄造，二次成型為軋制制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd8.5，Y5.0，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，其余為Mg和不可避免的雜質組成。不可避免的雜質Si、Fe、Ni、Cu、Cl每一種的許用重量百分含量為Si＜0.025、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003、Cl＜0.003。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。圖3是該合金的鑄態金相組織照片，圖4是該合金的擠壓后熱處理的金相組織照片。可以看出該合金的擠壓后熱處理的組織為均勻的動態再結晶晶粒(平均尺寸為10μm)和第二相組成。參見圖7，可見本實施例制備的高強耐熱形變鎂合金相對于商業形變鎂合金ZK60的室溫抗拉強度提高了13％，高溫抗拉強度提高47％；室溫屈服強度的提高為18％，高溫屈服強度提高了66％。
實施例3采用鑄造方法為普通金屬型鑄造，二次成型為軋制制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd4.5，Y5.0，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材，圖5是該合金的鑄態金相組織照片，圖6是該合金的擠壓后熱處理的金相組織照片。可以看出該合金的擠壓后熱處理的組織為均勻的動態再結晶晶粒(平均尺寸為8μm)和第二相組成。參見圖7，可見本實施例制備的高強耐熱形變鎂合金相對于商業形變鎂合金ZK60的室溫抗拉強度與ZK60的室溫抗拉強度相同，高溫抗拉強度提高20％；室溫屈服強度降低了4％，高溫屈服強度平均提高25.7％。
實施例4采用鑄造方法為普通金屬型鑄造，二次成型為普通溫擠壓制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y4.0，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。該合金具有較高的室溫和高溫力學性能、良好的塑性。參見圖7，本實施例的高強耐熱形變鎂合金相對于商業形變鎂合金ZK60，其室溫抗拉強度平均提高8％，高溫抗拉強度平均提高56.8％；室溫屈服強度平均提高7.9％，高溫屈服強度平均提高77％。
實施例5采用鑄造方法為連續鑄造，二次成型為普通溫擠壓制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y2.5，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。該合金具有較高的室溫和高溫力學性能、良好的塑性。
實施例6采用鑄造方法為連續鑄造，二次成型為軋制制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr1.0，Mn 0.5，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。
實施例7采用鑄造方法為連續鑄造，二次成型為劇烈塑性變形制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.2，Zr1.0，Mn 0.5，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。劇烈塑性變形就是等通道溫擠壓。
實施例8采用鑄造方法為普通金屬型鑄造，二次成型為劇烈塑性變形制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.5，Mn 0.5，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。該合金具有較高的室溫和高溫力學性能、良好的塑性。
實施例9采用鑄造方法為普通金屬型鑄造，二次成型為普通溫擠壓制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.2，Mn 0.5，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。
實施例10采用鑄造方法為普通金屬型鑄造，二次成型為軋制制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.5，Mn 0.3，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。該合金具有較高的室溫和高溫力學性能、良好的塑性。
實施例11采用鑄造方法為普通金屬型鑄造，二次成型為普通溫擠壓制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.5，Mn 0.1，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。參見圖7，本實施例制備的高強耐熱形變鎂合金相對于商業形變鎂合金ZK60，其室溫抗拉強度提高22％，高溫抗拉強度提高63％；室溫屈服強度平均提高17％，高溫屈服強度平均提高85％。圖中ZK60的數據均為同樣條件下制備的試樣，并在同樣測試條件下獲得的數據。
實施例12采用鑄造方法為普通金屬型鑄造，二次成型為鍛造制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y3.0，Zn0.5，Zr0.2，Mn 0.5，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。
實施例13采用鑄造方法為連續鑄造，二次成型為鍛造制備本發明合金，其化學成分(wt％)如下Gd9.0，Y2.5，Zn1.0，Zr1.0，Mn 0.5，雜質含量同實施例1，其余為Mg。經熔配，擠壓、熱處理后制備鎂合金型材。該合金具有較高的室溫和高溫力學性能、良好的塑性。
本發明采用普通變形鎂合金制備方法制備的合金的25℃抗拉強度360～462MPa、延伸率9％～13.7％，250℃抗拉強度270～439MPa、延伸率15％～18％，密度1.78～1.85g/cm3。本發明的合金可以作為輕質高強耐熱的結構材料，也可滿足航空、航天、兵器以及民用車輛等對于輕質高強耐熱新材料的需求。
權利要求
1.一種高強耐熱變形鎂合金，其特征在于包括釓、釔、鋅、鋯、錳和鎂，其重量百分比(wt％)為Gd4.5～12.5，Y2.5～5.0，Zn0.2～1.0，Zr0.2～1.0，Mn 0.1～0.5，其余為Mg和不可避免的雜質組成。
2.根據權利要求1中的高強耐熱鎂合金，其特征在于其中所述的不可避免的雜質Si、Fe、Ni、Cu、Cl每一種的許用重量百分含量為Si＜0.025、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003、Cl＜0.003。
3.根據權利要求1或2中的高強耐熱鎂合金，其特征在于其二次成型采用溫擠壓或鍛造或軋制或劇烈塑性變形，鑄造方法為金屬型鑄造。
4.根據權利要求3的高強耐熱鎂合金，其特征在于其鑄造方法為是連續鑄造。
全文摘要
本發明提供一種可在25℃～300℃長期使用的新型高強耐熱變形鎂合金，其中各組分的重量百分比(wt％)為Gd 4.5～12.5、Y 2.5～5.0、Zn 0.2～1.0、Zr 0.2～1.0、Mn 0.1～0.5，該高強耐熱鎂合金中、Si＜0.025、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003、Cl＜0.003，其余為鎂。稀土元素釓和釔增強了鎂合金的室溫和高溫性能，鋅、鋯和錳的加入提高了鎂合金的塑性和熱加工性。采用普通變形鎂合金制備方法就可制備。該合金經過普通熱擠壓和時效處理后的25℃抗拉強度360～462MPa、延伸率9％～13.7％，250℃抗拉強度270～439MPa、延伸率15％～18％，密度1.78～1.85g/cm
文檔編號C22F1/06GK101078079SQ20071001810
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月22日 優先權日2007年6月22日
發明者李建平, 楊忠, 郭永春, 夏峰 申請人:西安工業大學