專利名稱：一種多元稀土鎂合金及其制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料技術領域，具體涉及一種多元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，每百公里節油0.5L，同時減少尾氣排放，因此進行鎂合金的研究開發對于節約能源、抑制環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、汽車及其它行業中的應用，因此提高鎂合金的強度和耐熱性是發展鎂合金材料的重要課題。現有的耐熱鎂合金主要從限制位錯運動和強化晶界入手，通過適當的合金化，通過引入熱穩定性高的第二相、降低元素在鎂基體中的擴散速率或者改善晶界結構狀態和組織形態等手段來實現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系成為發展高強度耐熱鎂合金的一個重要合金系。目前的商業 耐熱鎂合金如WE43，其存在的主要不足是耐熱性能不夠穩定，高溫時強度下降較多，還不能完全滿足航空航天、軍工、汽車及其它行業在較寬的溫度范圍特別是在200°C _300°C使用時對強度的更高的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種多元稀土鎂合金，高溫性能穩定，具有較高的高溫抗拉強度。本發明的另一個目的是提供一種多元稀土鎂合金的制備方法。為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是:一種多元稀土鎂合金，由以下質量百分比的組分組成:2% 6%Gd, 2% 3%Y, 1% 2.5%Nd, 0.5% 1.5%Sm, 0.4% 0.8%Sb,雜質元素S1、Fe、Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。所述Gd、Y、Nd、Sm的質量百分比之和為7% 11%。該多元稀土鎂合金是由Mg、Sb和中間合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-NcUMg-Sm為原料熔煉。一種多元稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:
I)將 Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm 預熱；2)將Mg和Sb在C02+SF6混合氣體保護下熔化，持續攪拌，于720 740°C加入中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm ；3)當中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續攪拌，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，得鑄態合金；5)將步驟4)所得鑄態合金進行熱處理，即得所述多元稀土鎂合金。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。本發明合金組分為Mg-Gd-Y-Nd-Sm-Sb。本發明采用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2wt%，而又為了避免合金密度增加太多，以及合金過分脆化，因此本發明的Gd加入量不高于6wt%。本發明采用Y為第二組分，Y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，而且Y在Mg中的最大固溶度為12wt%，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2wt%，而又為了避免合金密度增加太多，以及合金過分脆化，因此本發明的Y加入量不高于3wt%0本發明采用NcUSm作為復合添加稀土，以提高合金的韌性和改善合金的工藝性能，Nd能夠使合金塑性得到較大幅度提高，同時強度得到一定改善；Sm在鎂中能產生良好的固溶強化和時效強化效果，Sm,Y,Gd與鎂生成的室溫平衡相分別為:Mg41Sm5、Mg24Y5 ;Mg5Gd，可見，少量Sm在鎂合金中具有高于與其等量的Y、Gd所能達到的析出強化效果，同時還降低合金重量與成本，因此本發明的Sm加入量不高于1.5wt。另外，廉價的金屬Sb可與Mg形成以穩定性好的Mg3Sb2相，(0001)Mg3Sb2與(10]:0)。錯配度小(δ =13.09%〈15%)，可細化鎂合金晶粒。本發明的多元稀土鎂合金，組分為Mg-Gd-Y-Nd-Sm-Sb，具有較高的高溫抗拉強度，高溫性能穩定；在室溫到250°C區間內，具有反常溫度效應，即隨著溫度的升高，抗拉強度也隨之升高，到達一定的溫度后，一般為300°C，抗拉強度才隨之下降；本發明的多元稀土鎂合金，與商用耐熱鎂合金WE54合金相比，具有更高的使用溫度和高溫抗拉伸強度，在航空航天、汽車工業、武器裝備等領域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
對本發明作進一步的說明。本發明實施例中涉及到的原料鎂(Mg)、銻(Sb)，中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd,Mg-Sm均為市售產品。所述原料的純度為99.9%的Mg,99.5%的Sb，Mg_30%Gd、Mg_25%Y、Mg-30%Nd、Mg-25%Sm。實施例1本實施例的多元稀土鎂合金，由以下質量百分比的組分組成:6%Gd，3%Y，l%Nd,l%Sm, 0.4%Sb，雜質元素S1、Fe、Cu和Ni總量小于0.02%,余量為Mg。所述Gd、Y、Nd、Sm的質量百分比之和為11%。本實施例的多元稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將 Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm 預熱到 190°C ;2)將Mg和Sb放入預熱到500°C的坩堝中，在C02+SF6-合氣體保護下，大功率快速加熱熔化，持續攪拌，于730°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd和Mg-Sm，小功率緩慢加熱熔化；3)當中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續攪拌，將溫度升至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710°C后進行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至180°C，澆鑄后得鑄態合金；5)將步驟4)所得鑄態合金進行熱處理，熱處理為540°C固溶處理5小時，225°C等溫時效處理15小時，即得所述多元稀土鎂合金。實施例2本實施例的多元稀土鎂合金，由以下質量百分比的組分組成:4%Gd，2%Y，2.5%Nd，
1.5%Sm, 0.8%Sb,雜質元素 S1、Fe、Cu 和 N i 總量小于 0.02%,余量為 Mg。所述 Gd、Y、Nd、Sm的質量百分比之和為10%。本實施例的多元稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將 Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd 和 Mg-Sm 預熱到 220°C ；2)將Mg和Sb放入預熱到500°C的坩堝中，在C02+SF6-合氣體保護下，大功率快速加熱熔化，持續攪拌，于740°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd和Mg-Sm，小功率緩慢加熱熔化；3)當中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續攪拌，將溫度升至770°C后保持IOmin得混合液；4)待步驟3)所得混合液的溫度降至730°C后進行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至210°C，澆鑄后得鑄態合金；5)將步驟4)所得鑄態合金進行熱處理，熱處理為525°C固溶處理10小時，180°C等溫時效處理20小時，即得所述多元稀土鎂合金。實施例3本實施例的多元稀土鎂合金，由以下質量百分比的組分組成:2%Gd，2.5%Y，2%Nd，
0.5%Sm, 0.6%Sb,雜質元素 S1、Fe、Cu 和 Ni 總量小于 0.02%,余量為 Mg。所述 Gd、Y、Nd、Sm的質量百分比之和為7%。本實施例的多元稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟:I)將 Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm 預熱到 150°C ;2)將Mg和Sb放入預熱到500°C的坩堝中，在C02+SF6—合氣體保護下，大功率快速加熱熔化，持續攪拌，于720°C加入中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd和Mg-Sm，小功率緩慢加熱熔化；3)當中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續攪拌，將溫度升至775°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°C后進行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預先加熱至250°C，澆鑄后得鑄態合金；5)將步驟4)所得鑄態合金進行熱處理，熱處理為490°C固溶處理20小時，250°C等溫時效處理8小時，即得所述多元稀土鎂合金。實驗例本實驗例對實施例1 3所得多元稀土鎂合金進行拉伸強度實驗，實驗方法為:將所得多兀稀土鎂合金的試樣，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 3所得多元稀土鎂合金的拉伸強度實驗結果
權利要求
1.一種多元稀土鎂合金，其特征在于:由以下質量百分比的組分組成:2% 6%Gd，2% 3%Y, 1% 2.5%Nd, 0.5% 1.5%Sm, 0.4% 0.8%Sb,雜質元素 S1、Fe、Cu 和 Ni 總量小于0.02%，余量為Mg。
2.根據權利要求1所述的多元稀土鎂合金，其特征在于:所述Gd、Y、Nd、Sm的質量百分比之和為7% 11%。
3.根據權利要求1所述的多元稀土鎂合金，其特征在于:該多元稀土鎂合金是由Mg、Sb和中間合金Mg-Gd、Mg-Y, Mg-Nd, Mg-Sm為原料熔煉而成。
4.一種如權利要求1所述的多元稀土鎂合金的制備方法，其特征在于:包括下列步驟: 1)將Mg、Sb、中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm 預熱； 2)將Mg和Sb在C02+SF6混合氣體保護下熔化，持續攪拌，于720 740°C加入中間合金 Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd 和 Mg-Sm ； 3)當中間合金熔化后，去除表面浮渣，持續攪拌，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，得鑄態合金； 5)將步驟4)所得鑄態合金進行熱處理，即得所述多元稀土鎂合金。
5.根據權利要求4所述的多元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.根據權利要求4所述的多元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.根據權利要求4所述的多元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合金依次進行固溶處理和時效處理。
8.根據權利要求7所述的多元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.根據權利要求7所述的多元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
本發明公開了一種多元稀土鎂合金及其制備方法，該鎂合金由以下質量百分比的組分組成2%～6%Gd，2%～3%Y，1%～2.5%Nd，0.5%～1.5%Sm，0.4%～0.8%Sb，雜質元素Si、Fe、Cu和Ni總量小于0.02%，余量為Mg。本發明的多元稀土鎂合金，組分為Mg-Gd-Y-Nd-Sm-Sb，具有較高的高溫抗拉強度，高溫性能穩定；在室溫到250℃區間內，具有反常溫度效應；本發明的多元稀土鎂合金，與商用耐熱鎂合金WE54合金相比，具有更高高溫抗拉伸強度和使用溫度，在航空航天、汽車工業、武器裝備等領域有著廣闊的應用前景。
文檔編號C22C23/06GK103146972SQ20131008188
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者李全安, 付三玲, 張清, 陳君, 劉文健, 陳志 , 宋曉杰 申請人:河南科技大學