一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金及其制備方法與流程

本發明屬于輕質合金及加工技術領域，具體涉及一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金及其制備方法。

背景技術：

鎂合金作為目前最輕的結構材料，密度為1.75～1.90g/cm³，僅為鋼鐵的1/4，鋁合金的2/3。相比其他金屬材料，鎂合金具有高的比強度、比剛度，良好的切削加工性能、電磁防護特性、阻尼性能及導熱性，而且易回收。在目前鐵礦、鈦礦和鋁礦資源緊張的情況下，開發和利用鎂作為替代材料已成為必然趨勢。因此，鎂合金被譽為“21世紀商用綠色環保和生態金屬結構材料”，正在汽車工業、電子通訊業和航空航天等領域得到廣泛的應用。

目前，鎂合金在工業生產上用的最多的是鑄造鎂合金，尤其是壓鑄鎂合金。目前商用的壓鑄鎂合金主要有鎂鋁系(鎂-鋁-鋅)、鎂錳系(鎂-鋁-錳)、鎂硅系(鎂-鋁-硅)和鎂稀土系(鎂-鋁-稀土)。其中鎂鋁系和鎂錳系工業應用比較廣泛，但是這兩個系列的合金缺乏良好的抗高溫蠕變性能，只能限制在服役溫度低于120℃的結構件。但是汽車的動力系統工作溫度一般高于150℃，因此開發高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金成為亟待解決的問題。

鎂鋁系合金抗高溫蠕變性能差的原因一般認為是存在低熔點的共晶相mg17al12(溶點473℃)，該相在120℃以上易于軟化和粗化。目前公知的提高鎂鋁系合金抗高溫蠕變性能的途徑就是合金化，通過引入稀土、堿土元素來提高其抗高溫蠕變性能。稀土和堿土元素的加入一方面可形成高熔點的第二相，另一方面可以減少mg17al12，不僅能提高其強度而且也能提高其抗高溫蠕變性能。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有的鑄鎂合金強度低和抗高溫蠕變性能差的問題，而提供一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金及其制備方法。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案。

本發明首先提供一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金，其組成及各組分的質量百分比如下：

al：7.0～11.0wt.％，

zn：0.5～2.5wt.％，

mn：0.2～0.4wt.％，

富y：0.05～2.0wt.％

yb：0.2～3.5wt.％，

sm：0.2～6.0wt.％，

sr：0.1～2.5wt.％，

余量為mg及不可避免的雜質元素。

優選的是，所述一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金，各組分的質量百分比如下：

al：9.0wt.％，

zn：0.8wt.％，

mn：0.35wt.％，

富y：1.0wt.％，

yb：1.8wt.％，

sm：3.5wt.％，

sr：0.6wt.％，

余量為mg及不可避免的雜質元素。

本發明還提供一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將鎂源、鋁源、鋅源、錳源、富釔混合稀土源、鐿源、釤源和鍶源進行熔煉，得到均勻的合金液；

步驟二、將步驟一得到的合金液倒入冷室壓鑄機進行壓鑄，得到一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金。

優選的是，所述步驟一中鎂源為純鎂錠，鋁源為純鋁錠，鋅源為純鋅錠，錳源為含2％錳的鎂錳中間合金；富釔混合稀土源為含20％富釔混合稀土的鎂稀土中間合金，鐿源為含17％鐿的鎂鐿中間合金、釤源為含20％釤的鎂釤中間合金，鍶源為含15％鍶的鎂鍶中間合金。

優選的是，上述富釔混合稀土具體成分為：y：90％，er：4.70％，yb：2.60％，ho：2.0％，tm：0.60，fe：0.05％，si：0.03％，cu：0.01％，ni：0.01％。

優選的是，步驟一中熔煉溫度為720～750℃，熔煉時間為10-15min。

優選的是，步驟一熔煉過程中，當熔煉溫度達到750℃時，通入氬氣除氫。

優選的是，步驟一中通氣完畢后，加入6號熔劑進行精煉，然后靜置50～70min。

優選的是，步驟二中壓鑄的溫度為690～715℃，壓鑄時間為20～40s。

優選的是，步驟二中壓鑄的壓射速度為1.5～4.5m/s。

本發明的有益效果

本發明首先提供一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金，其組成及各組分的質量百分比如下：al：7.0～11.0wt.％，zn：0.5～2.5wt.％，mn：0.2～0.4wt.％，富y：0.05～2.0wt.％，yb：0.2～3.5wt.％，sm：0.2～6.0wt.％，sr：0.1～2.5wt.％，余量為mg及不可避免的雜質元素。與現有技術的壓鑄az91合金相比，本發明提供的一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金優點之處在于：富釔混合稀土、鐿和釤、微量的鍶引入到az91合金中，一方面稀土元素能與鎂能形成熱穩定的第二相、產生固溶強化、彌散強化；另一方面，稀土和堿土金屬能與鋁反應，生成第二相，消耗鋁的量，有效地減少mg17al12的量。鐿、釤與鎂能夠形成熱穩定的第二相，分別是mg2yb，mg41sm5和mg3sm第二相，此外，鐿和釤在鎂中具有比較大的固溶度，能夠很好的發揮固溶強化和彌散強化效果；另一方面，少量的富釔和微量的鍶優先與鋁反應，生產熱穩定的第二相al2y和al4sr相，極大地消耗了al的含量，抑制mg和al的共晶反應，有效減少了mg17al12的體積分數。因此，富釔、鐿和釤、微量的鍶引入到az91合金后，其強度和抗高溫蠕變性能得到明顯改善。

本發明還提供一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的制備方法，該制備方法簡單、原料易得，制備得到的鎂合金具有高強度和良好的抗高溫蠕變性能。經測試表明：在施加應力50mpa，測試溫度160℃的條件下，100h穩態蠕變速率為1.05×10^-9s^-1，100h蠕變應變為0.14％；室溫抗拉強度、屈服強度、延伸率分別是293mpa、202mpa、8.6％。

附圖說明

圖1為本發明實施例2制備的高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的鑄態金相組織。

圖2為本發明實施例2制備的高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金在160℃，50mpa條件下100h后的蠕變時間-應變曲線。

具體實施方式

本發明首先提供一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金，其組成及各組分的質量百分比如下：

al：7.0～11.0wt.％，zn：0.5～2.5wt.％，mn：0.2～0.4wt.％，富y：0.05～2.0wt.％，yb：0.2～3.5wt.％，sm：0.2～6.0wt.％，sr：0.1～2.5wt.％，余量為mg及不可避免的雜質元素。優選的是，al：9.0wt.％，zn：0.8wt.％，mn：0.35wt.％，富y：1.0wt.％，yb：1.8wt.％，sm：3.5wt.％，sr：0.6wt.％。

按照本發明，所述雜質元素包括：fe、cu、si、ni，各雜質元素質量百分比為：fe≤0.005％，cu≤0.0005％，si≤0.005％，ni≤0.0005％。

本發明還提供一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將鎂源、鋁源、鋅源、錳源、富釔混合稀土源、鐿源、釤源和鍶源進行熔煉，得到均勻的合金液；

步驟二、將步驟一得到的合金液倒入冷室壓鑄機進行壓鑄，得到一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金。

按照本發明，先將鎂源、鋁源、鋅源、錳源、富釔混合稀土源、鐿源、釤源和鍶源進行熔煉，所述的熔煉溫度優選為720～750℃，熔煉時間優選為10-15min，得到均勻的合金液；優選當熔體溫度為750℃時，通入氬氣除氫，通氣速度適當，以不使鎂液發生飛濺為原則，通氣持續時間優選為20～30s，通氣完畢后，加入6號熔劑進行精煉，待6號熔劑充分融入熔體之后，靜置50～70min，得到合金液；

所述的上述原料的來源沒有特殊限制，是稀土鎂合金制備領域公知來源即可，一般鎂源為純鎂錠，鋁源為純鋁錠，鋅源為純鋅錠，錳源為含2％錳的鎂錳中間合金；富釔混合稀土源為含20％富釔混合稀土的鎂稀土中間合金，鐿源為含17％鐿的鎂鐿中間合金、釤源為含20％釤的鎂釤中間合金，鍶源為含15％鍶的鎂鍶中間合金。鎂的質量百分比由鎂錳中間合金、鎂鐿中間合金、鎂釤中間合金、鎂鍶中間合金和鎂稀土中間合金中的鎂共同決定。

上述富釔混合稀土具體成分為：y：90％，er：4.70％，yb：2.60％，ho：2.0％，tm：0.60，fe：0.05％，si：0.03％，cu：0.01％，ni：0.01％。

按照本發明，所述的6號熔劑為本領域技術人員熟知的產品，可以通過商購獲得，主要成分(質量百分數)為：kcl：54-56％，bacl2：14-16％，nacl：1.5-2.5％，cacl2：27-29％。所述的6號熔劑加入量為各原料總質量的0.8％～1.5％；所述的6號熔劑的加入方式沒有特殊限制，優選采用邊加邊攪拌的方式。

按照本發明，將上述得到的合金液倒入冷室壓鑄機進行壓鑄，得到一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金；所述壓鑄的溫度優選為690～715℃，壓鑄時間為優選20～40s，壓射速度優選為1.5～4.5m/s。

本發明的鑄鎂合金通過引入廉價的富釔混合稀土(yttrium-richmischmetal，簡稱：富y)、具有較大固溶度的鐿和釤、微量的堿土金屬鍶，來形成一系列具有高熔點、熱穩定性良好的第二相，提高合金的抗高溫蠕變性能和強度。釔和鎂金屬的晶體結構相同，同屬密排六方晶格，二者的原子半徑、晶格常數接近，根據“尺寸結構相匹配”的結晶形核核心原則，釔可作為鎂合金的異質形核核心，阻礙晶粒長大，因而對鎂合金產生顯著的細化效果。此外，釔還具有凈化熔體、除硫、除氧的作用；釔在鎂中具有較大的固溶度(12.47wt.％)，在鎂中能夠產生很好的固溶強化效果，而且釔與鋁、鎂能夠形成熱穩定性良好的第二相，能夠有效提高其高溫性能。考慮到純釔價格昂貴，因此在鎂中添加富釔混合稀土來降低成本。重稀土鐿元素，在鎂中擴散速率比較低，能夠很好的固溶在鎂基質中，提高鎂合金的高強度性。此外，yb與mg能形成熱穩定性良好的具有高熔點(熔點為718℃)的第二相mg2yb，從而提高其耐熱性能。釤元素在鎂中具有比較大的固溶度，而且也能與鎂形成熱穩定性良好的mg41sm5和mg3sm第二相。因此，釤能夠有效的提高鎂合金的耐熱性能。微量堿土金屬鍶元素不僅能提高鎂鋁系合金的抗高溫蠕變性能，而且還能減小合金的熱裂烈傾向。富釔、鐿和釤、微量的鍶引入到鎂鋁系合金中，一方面稀土元素能與鎂能形成熱穩定的第二相、產生固溶強化、彌散強化；另一方面，稀土和堿土金屬能與鋁反應，生成第二相，消耗鋁的量，有效地減少mg17al12的量。因此，稀土、堿土金屬的引入可以明顯改善鎂鋁系合金的強度和抗高溫蠕變性能。

實施例1

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金，是由如下質量百分比的組分制成的，al：8.5wt.％；zn：0.5wt.％；mn：0.2wt.％；富y：0.1wt.％；yb：0.8wt.％；sm：3.0wt.％；sr：0.2wt.％；余量為純鎂及不可避免的雜質。

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的制備工藝，步驟如下：

1)將純鎂錠、純鋁錠、純鋅錠、含2％錳的鎂錳中間合金、含20％富釔混合稀土的鎂稀土中間合金、含17％鐿的鎂鐿中間合金、含20％釤的鎂釤中間合金、含15％鍶的鎂鍶中間合金在720℃下進行熔煉，攪拌10分鐘得到均勻的合金液；

2)使爐溫升至750℃，通入氬氣除氫，通氣持續時間為20s；

3)通氣完畢后，加入0.8％的6號溶劑精煉，然后靜置50分鐘.得到合金液；

4)使爐溫降到690℃，將合金液倒入壓室，進行壓鑄，壓射速度保持為1.5m/s，壓鑄時間為20s，得到高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金。

檢測到實施例1的高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金在160℃，50mpa測試條件下的穩態蠕變速率和蠕變應變如表1所示；室溫力學性能如表2所示。

實施例2

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金，是由如下質量百分比的組分制成的，al：9.0wt.％；zn：0.8wt.％；mn：0.35wt.％；富y：1.0wt.％；yb：1.8wt.％；sm：3.5wt.％；sr：0.6wt.％；余量為純鎂及不可避免的雜質。

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的制備工藝，步驟如下：

1)將純鎂錠、純鋁錠、純鋅錠、含2％錳的鎂錳中間合金、含20％富釔混合稀土的鎂稀土中間合金、含17％鐿的鎂鐿中間合金、含20％釤的鎂釤中間合金、含15％鍶的鎂鍶中間合金在725℃下進行熔煉，攪拌12分鐘得到均勻的合金液；

2)使爐溫升至750℃，通入氬氣除氫，通氣持續時間為30s；

3)通氣完畢后，加入1.5％的6號溶劑精煉，然后靜置60分鐘.得到合金液；

4)使爐溫降到700℃，將合金液倒入壓室，進行壓鑄，壓射速度保持為2m/s，壓鑄時間為30s，得到高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金。

檢測到實施例2的高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金在160℃，50mpa測試條件下的穩態蠕變速率和蠕變應變如表1所示；室溫力學性能如表2所示。

圖1為本發明實施例2制備的高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的鑄態金相組織。圖1說明該實施例2制備的合金組織由白色的初晶α-mg、灰色的共晶α-mg和黑色的共晶化合物mg17al12組成，并且可以看到典型的樹枝晶組織和等軸晶。

圖2為本發明實施例2制備的高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金在160℃，50mpa條件下100h后的蠕變時間-應變曲線。圖2說明該實施例制備的合金在160℃，50mpa條件具有良好的抗高溫蠕變性能。

實施例3

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金，是由如下質量百分比的組分制成的，al：10.0wt.％；zn：1.2wt.％；mn：0.4wt.％；富y：2.0wt.％；yb：2.5wt.％；sm：4.5wt.％；sr：1.5wt.％；余量為純鎂及不可避免的雜質。

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的制備工藝，步驟如下：

1)將純鎂錠、純鋁錠、純鋅錠、含2％錳的鎂錳中間合金、含20％富釔混合稀土的鎂稀土中間合金、含17％鐿的鎂鐿中間合金、含20％釤的鎂釤中間合金、含15％鍶的鎂鍶中間合金在730℃下進行熔煉，攪拌15分鐘得到均勻的合金液；

2)使爐溫升至750℃，通入氬氣除氫，通氣持續時間為20s；

3)通氣完畢后，加入1.0％的6號溶劑精煉，然后靜置70分鐘.得到合金液；

4)使爐溫降到715℃，將合金液倒入壓室，進行壓鑄，壓射速度保持為4.5m/s，壓鑄時間為20s，得到高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金。

檢測到實施例3的高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金在160℃，50mpa測試條件下的穩態蠕變速率和蠕變應變如表1所示；室溫力學性能如表2所示。

實施例4

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金，是由如下質量百分比的組分制成的，al：7.0wt.％；zn：0.5wt.％；mn：0.2wt.％；富y：0.05wt.％；yb：0.2wt.％；sm：0.2wt.％；sr：0.1wt.％；余量為純鎂及不可避免的雜質。

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的制備工藝，步驟如下：

1)將純鎂錠、純鋁錠、純鋅錠、含2％錳的鎂錳中間合金、含20％富釔混合稀土的鎂稀土中間合金、含17％鐿的鎂鐿中間合金、含20％釤的鎂釤中間合金、含15％鍶的鎂鍶中間合金在730℃下進行熔煉，攪拌15分鐘得到均勻的合金液；

2)使爐溫升至750℃，通入氬氣除氫，通氣持續時間為20s；

3)通氣完畢后，加入1.0％的6號溶劑精煉，然后靜置60分鐘.得到合金液；

4)使爐溫降到715℃，將合金液倒入壓室，進行壓鑄，壓射速度保持為4.5m/s，壓鑄時間為20s，得到高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金。

檢測到實施例4的高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金在160℃，50mpa測試條件下的穩態蠕變速率和蠕變應變如表1所示；室溫力學性能如表2所示。

實施例5

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金，是由如下質量百分比的組分制成的，al：11.0wt.％；zn：2.5wt.％；mn：0.4wt.％；富y：2.0wt.％；yb：3.5wt.％；sm：6.0wt.％；sr：2.5wt.％；余量為純鎂及不可避免的雜質。

一種高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金的制備工藝，步驟如下：

1)將純鎂錠、純鋁錠、純鋅錠、含2％錳的鎂錳中間合金、含20％富釔混合稀土的鎂稀土中間合金、含17％鐿的鎂鐿中間合金、含20％釤的鎂釤中間合金、含15％鍶的鎂鍶中間合金在720℃下進行熔煉，攪拌15分鐘得到均勻的合金液；

2)使爐溫升至750℃，通入氬氣除氫，通氣持續時間為20s；

3)通氣完畢后，加入1.0％的6號溶劑精煉，然后靜置60分鐘.得到合金液；

4)使爐溫降到710℃，將合金液倒入壓室，進行壓鑄，壓射速度保持為4.5m/s，壓鑄時間為20s，得到高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金。

檢測到實施例5的高強度、抗高溫蠕變壓鑄鎂合金在160℃，50mpa測試條件下的穩態蠕變速率和蠕變應變如表1所示；室溫力學性能如表2所示。

對比例

對比例為az91壓鑄鎂合金，是由如下質量百分比的組分制成的，mg：9.0wt.％；zn：0.8wt.％；mn：0.35wt.％；余量為純鎂及不可避免的雜質。

對比例az91壓鑄鎂合金制備工藝，步驟如下：

1)將鎂源、鋅源、錳源進行熔煉，得到均勻的合金液，熔煉溫度保持在730℃，攪拌15分鐘；

2)使爐溫升至750℃，通入氬氣除氫，通氣持續時間為30s；

3)通氣完畢后，加入1％的6號溶劑精煉，然后靜置50分鐘；

4)使爐溫降到700℃，將合金液倒入壓室，進行壓鑄，壓射速度保持為2.5m/s，得到鑄鎂合金。

檢測到對比例az91壓鑄鎂合金在160℃，50mpa測試條件下的穩態蠕變速率和蠕變應變如表1所示；室溫力學性能如表2所示。

具體實施過程中，熔煉溫度要求720～750℃；壓鑄的溫度要求690～715℃，錳源、鐿源、釤源、富釔混合稀土源、鍶源的加入以中間合金(mg-2％mn，mg-17％yb，mg-20％sm，mg-20％富y，mg-15％sr,)的方式加入。

表1

表2

以上所述是本發明的優選實施方案，應當指出，對于本技術領域一般的技術人員來說，在不脫離本發明專利的原理及核心思想的前提下，還可以做出若干的修飾和改進，這些修飾和改進也視為本發明專利的保護范圍之內。