適于砂型鑄造的稀土鎂合金及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鎂合金及其制備方法，具體地說，涉及的是一種適于砂型鑄造的稀土鎂合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002]稀土鎂合金具有良好的室溫、高溫機械性能和抗腐蝕性能，在航空航天和國防軍事工業領域具有廣闊的應用前景。不過，航空航天鎂合金部件大多因結構復雜、尺寸大而采用砂型鑄造方法生產，但砂型鑄造由于冷卻速度慢，晶粒粗化現象十分嚴重，且凝固過程中易產生縮松、熱裂等缺陷。鎂合金是密排六方(hep)晶體結構，室溫下只有3個獨立的滑移系，鎂合金的塑性變形能力較差，其晶粒大小對力學性能的影響十分顯著。鎂合金結晶溫度范圍較寬，熱導率較低，體收縮較大，砂型鑄造條件下晶粒粗化傾向嚴重，力學性能偏低，難以滿足零部件對力學性能的指標要求。因此，開發適于砂型鑄造的高強耐熱稀土鎂合金是發展鎂合金材料的重要課題。
[0003]在共晶點溫度，釹(Nd)在鎂(Mg)中的極限固溶度是3.6wt.%，且隨溫度的降低顯著下降，200°C時在Mg固溶體中的固溶度幾乎為零，即Mg-Nd 二元合金是典型可以通過熱處理沉淀強化的鎂合金。其次，鋅(Zn)和銀(Ag)作為穩定元素，可以與鎂合金中的Mg和RE(如Nd)元素發生反應生成穩定的共晶相，發揮固溶強化和時效硬化的作用，并改善熔體流動性，同時，Zn和Ag與空位結合能較大，可優先與空位結合，使原子擴散減慢，細化析出相。再者，目前稀土鎂合金常用的鋯(Zr)細化劑主要是以二元Mg-Zr中間合金的形式加入。經對現有技術的文獻檢索發現，中國發明專利號為ZL200410020594.9的專利公開了一種鎂鋯中間合金的生產方法，生產工藝簡單，操作容易。不過，以Mg-Zr中間合金形式加入Zr的方法仍存在合金雜質偏高、成分不均勻、比重偏析、Zr損耗嚴重等問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種適于砂型鑄造的稀土鎂合金，其通過在Mg - Nd合金中添加Zn和Ag與鎂合金中的Mg和Nd元素發生反應生成穩定的共晶相，降低合金熔體的結晶范圍，并改善熔體流動性，增強稀土鎂合金的固溶和時效強化效果，有效提高了合金的力學性能，同時，添加ZrC14混合鹽(ZrCl4 - LiCl - CaF2)和三氧化二硼(B2O3)作為復合晶粒細化劑，有效抑制了合金在砂型鑄造以及而后固溶過程中的晶粒長大，實現對鎂合金的復合晶粒細化，進一步改善了合金的力學性能。該類稀土鎂合金可以用于復雜結構航空航天零部件的砂型鑄造。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0006]一方面，本發明提供了一種適于砂型鑄造的稀土鎂合金，其由按重量百分數計的如下元素組成:Nd、2 ?4wt.% ;Ζη、0.2 ?0.6wt.% ;Ag、0.5 ?2.5wt.% ;Zr、0.2 ?0.6wt.% ;B、0.1?0.2wt.% ;余量為Mg和不可避免的雜質，其中，S1、Fe、Cu和Ni的總量小于 0.02wt.% ο
[0007]另一方面，本發明還提供了一種制備所述的稀土鎂合金的方法，其包括熔煉和熱處理兩個步驟。
[0008]作為優選方案，所述熔煉步驟包括如下操作:
[0009]按所述稀土鎂合金中各元素的化學計量比分別稱取Mg - Nd中間合金、ZrC14混合鹽、B203、純Zn、純Ag和純Mg ；
[0010]將所述純Mg、純Zn、純Ag、Mg - Nd中間合金、ZrClJg合鹽和B 203在180?220°C進行預熱；
[0011]在SFf^P CO2混合氣體保護條件下，將純Mg熔化后，670?690°C下在加入純Zn，待純Zn熔化后，繼續升溫至720?740 °C，加入Mg - Nd中間合金，待Mg - Nd熔化后升溫至740?780°C后加入純Ag，待Ag熔化后升溫至760?780°C，加入ZrClJg合鹽和B 203；
[0012]待所述ZrClJg合鹽和B 203完全熔化后，在760?780°C下保溫保溫25?35分鐘后降溫至740?760°C，不斷電精煉10?15分鐘后升溫至770?780°C靜置25?35分鐘，然后在720?740°C后撇去表面浮渣，用砂型模具進行澆鑄，得到鑄錠；
[0013]其中，所述ZrC14混合鹽由ZrCl4、LiCl和CaF2組成。
[0014]作為優選方案，所述Mg-Nd中間合金中，Nd的含量為20?30wt.%。
[0015]作為優選方案，所述ZrCl4混合鹽中，ZrCl 4、LiCl和CaF2的含量分別為50wt.%、25wt.%和 25wt.% ο
[0016]作為優選方案，所述砂型模具在進行澆鑄前先預熱至200?250°C。
[0017]作為優選方案，所述熱處理步驟包括如下操作:
[0018]將熔煉步驟中得到的鑄錠在480?540°C下進行固溶處理4?20h后先進行淬水處理，然后在180?240°C下進行時效處理8?24h。
[0019]采用ZrCl,合鹽和B 203作為復合晶粒細化劑，不但可達到采用Mg - Zr中間合金作為細化劑達到的細化效果，且比Mg - Zr中間合金的細化工藝簡單，Zr和B元素偏析較小，Zr和B元素收得率高，抗衰退性更強，降低鎂合金生產成本，特別適于砂型鑄造成型。因此有理由相信，通過在Mg - Nd合金中添加Zn和Ag形成穩定的共晶相，并改善熔體流動性，加入ZrClJg合鹽和B 203作為復合晶粒細化劑，顯著細化合金晶粒，進而制備出適于砂型鑄造的稀土鎂合金。
[0020]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0021](I)通過在Mg-Nd鎂合金中添加Zn和Ag增強了稀土鎂合金的固溶和時效強化效果，有效提高了合金的力學性能；加入ZrCl^合鹽和B 203有效抑制了合金在砂型鑄造以及而后固溶過程中的晶粒長大，實現對鎂合金的復合晶粒細化，進一步改善了合金的力學性會K ;
[0022](2)本發明采用的ZrCl,合鹽和B2O3作為復合晶粒細化劑，不但可達到采用Mg -Zr中間合金作為細化劑達到的細化效果，且比Mg - Zr中間合金的細化工藝簡單，Zr和B元素偏析較小，Zr和B元素收得率高，抗衰退性更強，降低鎂合金生產成本，特別適于砂型鑄造成型。
【附圖說明】
[0023]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0024]圖1為經本發明鑄態Mg-2Nd-0.2Zn_2.5Ag-0.2Zr_0.2B鎂合金的金相組織照片；
[0025]圖2為經本發明T6熱處理態Mg-2Nd-0.2Zn-2.5Ag-0.2Zr-0.2B鎂合金的金相組織照片；
[0026]圖3為經本發明鑄態Mg-4Nd-0.6Zn_0.5Ag-0.6Zr_0.1B鎂合金的金相組織照片；
[0027]圖4為經本發明T6熱處理態Mg-4Nd-0.6Zn-0.5Ag-0.6Zr-0.1B鎂合金的金相組織照片；
[0028]圖5為經本發明鑄態Mg-3Nd-0.4Zn_l.5Ag-0.4Zr_0.15B鎂合金的金相組織照片;
[0029]圖6為經本發明T6熱處理態Mg-3Nd-0.4Zn_L 5Ag-0.4Zr-0.15B鎂合金的金相組織照片。
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0031]實施例1
[0032]本實施例所述一種適于砂型鑄造的稀土鎂合金的組分及其質量百分比為:2wt.%Nd、0.2wt.% Ζη、2.5wt.% Ag、0.2wt.% Zr、0.2wt.% B，雜質元素 S1、Fe、Cu 和 Ni 的總量小于0.02wt.%，余量為Mg(wt.%是指組分占所制備的鎂合金總質量的百分比，總質量為Mg、Zn、Ag、ZrClJg合鹽、B 203和Mg - Nd中間合金的質量和)。
[0033]該鎂合金的制備方法包括熔煉工藝和熱處理工藝兩個部分。
[0034]所述熔煉工藝在SF#P CO 2混合氣體保護條件下進行，步驟如下:(I)備料:準備含配制合金總重量2wt.% Nd的Mg - 20wt.% Nd中間合金，含0.2wt.% Zr的ZrCl4混合鹽(50wt.% ZrCl4 - 25wt.% LiCl - 25wt.% CaF2)，含 0.2wt.% B 的 B2O3,0.2wt.% 的純 Zn，2.5wt.%的純Ag，余量為純Mg; (2)烘料:將純Mg、純Zn、純Ag、Mg-Nd中間合金、ZrClOg合鹽和B2O3在180°C預熱3小時；(3)熔鎂:采用坩禍電阻爐將烘干后的純鎂熔化；⑷加Zn、Nd和Ag:往670°C的鎂液中加入純Zn，當鎂液溫度達到720°C后，加入Mg - Nd中間合金，待Mg - Nd熔化后升溫至740°C時加入純Ag ； (5)加Zr和B:待純Mg、純Zn、純Ag和Mg - Nd完全熔化后升溫至760°C時加入ZrClJg合鹽和B 203； (6)砂型鑄造:待ZrCl 4混合鹽和B 203完全熔化，攪拌后將鎂液溫度升至760°C保溫35分鐘，然后降溫至740°C，不斷電精煉15分鐘，精煉后升溫至770°C靜置35分鐘，靜置后在720°C后撇去表面浮渣并進行澆鑄，澆鑄用砂型模具預先加熱至200°C ；
[0035]所述熱處理工藝，具體為:對熔煉得到的合金進行固溶處理，固溶處理溫度為480°C，時間為20小時，淬水處理，而后對固溶處理后的合金進行時效處理，時效處理溫度為240°C，時間為8小