一種新型釔鈰鎂合金及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種新型釔鈰鎂合金及其制備方法，制得的該合金是由以下重量百分比的組分組成：稀土元素Y：2.5％～3.5％、稀土元素Ce：0.7％～2.0％、Ca：0.5％～1.0％、Zr：0.3％～0.8％，余量為鎂和微量雜質，組分的百分比之和為100％。其制備方法是通過氣體保護熔煉并經過一定的熱處理工藝，其室溫抗拉強度，屈服強度和延伸率等力學性能優良，具有更為經濟的成本，可批量生產應用。
【專利說明】
一種新型釔鈰鏌合金及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種鎂合金及其制備方法，具體涉及一種新型的釔鈰鎂合金及其制備 方法。
【背景技術】
[0002] 鎂合金作為最輕的工程結構材料，具有比重小、比強度和比剛度高、減振性好和易 于回收等優點，用于機動車殼體可以減輕自重，節省能源，被譽為21世紀綠色工程金屬結構 材料。但是，鎂合金易氧化，常溫條件下只有三個基面滑移系，難以發生塑性變形，且高溫條 件下極容易燃燒。目前鎂合金的成型方式大多數為鑄造成型，這極大的限制了鎂合金在工 業中更廣泛地應用。因此，新型阻燃大變形鎂合金材料的開發已經成為鎂合金研究和開發 的主要方向之一。而常用的AZ和AM系的合金無法保證其強度和塑性同時提高，難以滿足鎂 合金板材的大變形乳制成型要求。近年來稀土 AE系鎂合金發展迅速，解決了很多性能不足 的問題，但是合金中稀土元素總量均超過8%，有的甚至達到20%以上，增加了合金的成本。 在保證合金性能的基礎上，加入低廉的其他合金元素，實現共同強化的效果，已經成為新型 鎂合金開發的熱點，也具有十分重要的現實意義。
【發明內容】
[0003] 針對上述現有技術存在的缺陷或不足，本發明的目的在于，提供一種新型的釔鈰 鎂合金及其制備方法，制得的該新型的釔鈰鎂合金強度塑性均可滿足生產要求，性能良好， 且經濟成本低，可以大批量生產。
[0004] 為實現上述任務，本發明采用的技術方案是：
[0005] -種新型釔鈰鎂合金，其特征在于：制得的該新型釔鈰鎂合金由以下重量百分比 的組分組成:稀土元素 Υ:2·5%~3.5%、稀土元素〇6:0.7%~2.0%丄3:0.5%~1.0%、2『： 0.3%~0.8%，余量為鎂和微量雜質，組分的百分比之和為100%。
[0006] 作為優選，上述組分的重量百分比組成為：稀土元素 Υ: 3 %，稀土元素 Ce: 1.5 %， Ca:0.9%，Zr:0.6%，余量為鎂和極微量的雜質。
[0007] 所述稀土元素 Y，稀土元素 Ce的質量百分比之和為3.2%~5.5%。
[0008] 上述新型釔鈰鎂合金的制備方法，其特征在于，采用井式電阻坩堝加熱爐，在C02+ SF6混合氣體的保護下熔煉，熔煉過程是：
[0009] 先將電阻感應爐溫升至740°C~750°C，加入經過預熱至200°C的純Mg，并通入保護 C〇2+SF6混合氣體，其中，C〇2的通入量為130ml/min，SF62的通入量為20ml/min;
[0010] 待純鎂完全熔化后，依次加入中間合金Mg-30 % Ce、Mg_30 % Ca和Mg-30 % Y，待中間 合金完全熔化后，溫度升至760°C~780°C，將SF6由20ml/min調為40ml/min，加入中間合金 Mg-30 % Zr，并立即扒渣，之后攪拌3min;
[0011]持續通入調整SF6后的C02+SF6混合氣體，靜置3min后，加入精煉劑，精煉劑含量為 6 %的六氯乙燒;再按常規方法通入氬氣精煉6~1 Omin;
[0012] 精煉完成后780°C條件下保溫靜置20min，將溫度降低到720°C，進行澆鑄，即獲得 鑄態釔鈰鎂合金。
[0013] 與現有的技術相比，本發明制備工藝簡單、成分合理，所制備的含釔鈰的鎂合金具 有優良的綜合力學性能，價格相對低廉且具有優良的塑性和優異的高溫強度。以制備的18-3Y-1.5Ce-0.9Ca-0.6Zr鑄態釔鈰鎂合金為例，其室溫抗拉強度、屈服強度和延伸率分別是 195.3510^、117.4910^和21%。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明制備的新型釔鈰鎂合金的鑄態組織掃描圖。
[0015] 以下結合附圖和實施例和具體的工藝過程對本發明作進一步細詳的說明，本發明 不限于下述的實施例。
【具體實施方式】
[0016] 本發明制得的新型釔鈰鎂合金由以下重量百分比的組分組成：稀土元素 Y: 2.5 % ~3.5%、稀土元素 Ce:0.7%~2.0%、Ca:0.5%~1.0%、Zr :0.3%~0.8%，余量為鎂和微 量雜質，組分的百分比之和為100%。
[0017] 制備原理和優勢如下：
[0018] 高溫下熔煉釔鈰鎂合金，合金液面可能發生如下化學反應：
[0019] 2Mg(l)+〇2(g) = 2MgO(s) (1)
[0020] 4/3Y(l)+〇2(g) = 2/3Y2〇3(s) (2)
[0021] 4/3Ce(l)+〇2(g) = 2/3Ce2〇3(s) (3)
[0022] 2Y(l)+3MgO(s)=Y2〇3(s)+3Mg(l) (4)
[0023] 2Ce(l)+3MgO(s)=Ce2〇3(s)+Mg(l) (5)
[0024] 2Y( 1) +Ce2〇3 (s) = Y2O3 (s)+2Ce (1) (6)
[0025] 以固態純物質為標準態，以摩爾分數代替元素活度，用氣體體積分數代替氣體活 度。在反應起始時，取活度a(MgO) =a(Ce2〇3) =a(Y2〇3) = l，a(Mg) = [Mg]m〇ie = 0.98534，a(Y) =[Y]m〇ie = 0.00972，a(Ce) = [Ce]Mie = 0.00240，a(〇2) = [02]mcile = 〇. 25。計算溫度為 1033K〇
[0026] 將參數代入式（1)~(6)得式(7)~（15):
[0030]
[0036] 從式（7)、（9)和（11)可知，開始時Mg、Ce和Y三種元素均有可能發生氧化。另一方 面，根據式(8)、（10)和（12)中各氧化物分解壓的計算，Mg0、Y 203、Ce203分解壓的大小順序為 PYMgOpPYCe^spPYYSOS)。按熱力學規律，此時合金將分層氧化，即氧化膜外層氧壓高生 成的氧化物其分解壓也大，氧化膜內層氧壓低生成的氧化物其分解壓也低。所以，對釔鈰鎂 合金來說，將按這樣順序來氧化:最外層是MgO，其次是Ce 203，最內層是Y203，形成初始的氧 化膜。氧化膜繼續生長，根據式（13)和（15)，Υ與Mg0、Ce 203發生如式(4)和(6)所示的置換反 應生成Y2〇3。
[0037] 初始形成的MgO和Ce203都不能穩定存在，將瞬間發生置換反應生成Υ20 3 ;此后隨著 反應的繼續進行，Υ含量越來越低，從而形成了 Y2〇3+MgO的外層氧化膜，并在內部形成MgO的 氧化膜，雙層氧化膜均勻而又致密，具有較好的阻燃保護作用。從熱力學計算結果可知，〇> Δ GQ(Mg0)> Δ GQ(Ce2〇3)> Δ GQ(Y2〇3)，Ce完全滿足第三元素的熱力學條件，因此在釔鈰鎂合 金的氧化膜形成過程中，Ce元素起到了"吸氣劑"的作用，抑制氧向合金內部擴散，從而抑制 了Y元素的內氧化，提升了鎂合金的阻燃性，使鎂合金能夠高溫條件下發生變形，從而激活 鎂合金的錐面滑移系和棱柱面滑移系而提升鎂合金的塑性。
[0038]此外，Zr元素作為晶粒細化劑，在凝固形核過程中抑制了 α-Mg的長大，從而使合金 的晶粒更加細小均勻，在提升合金塑性的同時保證了合金的強度。
[0039] 以下是發明人給出的具體實施例。
[0040] 實施例：
[0041 ] 本實施例給出一種新型含釔鈰的鎂合金，采用純Mg和中間合金Mg-30 % Y，Mg-30 % Ce，Mg-30 % Ca，Mg-30 % Zr為原料熔煉鑄造而成。
[0042] 一級純鎂錠:純度蘭99.98 %;
[0043] 中間合金為Mg-30% Y、Mg-30%Ce、Mg-30%Ca、Mg-30%Zr，雜質含量蘭 0 · lwt %。
[0044] 本實施例中的新型含釔鈰的鎂合金的組成(重量百分比）為:稀土元素 Y:3%、稀土 元素06:1.5%、03:0.9%、2〇0.6%，其余為1%，組分的百分比之和為100%。
[0045] 該新型含釔鈰的鎂合金的熔煉工藝為：按照上述組分配制含釔鈰鎂合金，含釔鈰 鎂合金在熔煉前進行預熱處理，將一級純鎂錠、中間合金Mg-30 % Y、Mg-30 % Ce、Mg-30 % Ca、 Mg-30 % Zr在保溫箱內預熱到200 °C，保溫30min。
[0046] 熔煉采用井式電阻坩堝加熱爐，待爐溫升至740°C~750°C，通入⑶2(130ml/min) 和SF 6 (20ml/min)的混合保護氣氛，將經過預熱至200 °C的一級純鎂錠置入加熱爐膛內的坩 堝中，待其熔化后依次加入中間合金Mg-30 % Ce、Mg-30 % Ca和Mg-30 % Y，待這些中間合金完 全熔化后，對熔液液面浮渣進行清除。將爐溫調至780°C，將SF6的氣體流量調至40ml/min， 溫度穩定后再加入中間合金Mg_30%Zr，立即扒渣，然后攪拌3min，持續通入調整SF 6后的C02 +SF6混合氣體，靜置3min。然后加入精煉劑，精煉劑含量為6 %的六氯乙烷，此后繼續對熔液 進行常規的吹Ar精煉，攪拌6min，精煉后攪拌后扒渣，再將爐膛溫度上升至780°C并且保溫 靜置20min，而后將熔液隨爐冷卻至720°C，扒渣澆鑄，澆鑄使用的模具為事先在保溫箱內經 過220°C預熱30min的低碳鋼鋼制模具，澆鑄前應對模具進行清理，澆鑄完成3min后開模取 出鑄錠并進行水冷。得到Mg-3Y-1.5Ce-0.9Ca-0.6Zr釔鈰鎂合金。
[0047] 本實施例制備的新型鑄態釔釤鎂合金的鑄態組織掃描圖如圖1所示，經檢測，其室 溫抗拉強度、屈服強度和延伸率分別是195.35MPa、117.49MPa和21 %。
【主權項】
1. 一種新型釔鈰鎂合金，其特征在于：制得的該新型釔釤鎂合金由以下重量百分比的 組分組成：稀土元素 Y: 2.5 % ~3.5%、稀土元素 Ce :0.7% ~2.0%、Ca :0.5 % ~1.0%、Zr: 0.3%~0.8%，余量為鎂和微量雜質，組分的百分比之和為100%。2. 如權利要求1所述的新型釔鈰鎂合金，其特征在于，所述稀土元素 Y和稀土元素 Ce的 質量百分比之和為3.2%~5.5%。3. 如權利要求1或2所述的新型釔鈰鎂合金，其特征在于，制得的該新型鎂合金由以下 重量百分比的組分組成:稀土元素 Y:3%，稀土元素 Ce: 1.5%，Ca:0.9%，Zr :0.6%，余量為 鎂和微量雜質。4. 權利要求1至3其中之一所述的新型釔鈰鎂合金的制備方法，其特征在于，采用井式 電阻坩堝加熱爐，在C02+SF 6混合氣體的保護下熔煉，熔煉過程是： 先將電阻感應爐溫升至740°C~750°C，加入經過預熱至200°C的純Mg，并通入保護CO2+ SF6混合氣體，其中，CO2的通入量為130ml/min，SF62的通入量為20ml/min; 待純鎂完全熔化后，依次加入中間合金Mg-30 % Ce、Mg-30 % Ca和Mg-30 % Y，待中間合金 完全熔化后，溫度升至760°C~780°C，將SF6由20ml/min調為40ml/min，加入中間合金Mg-30 % Zr，并立即扒渣，之后攪拌3min; 持續通入調整SF6后的C02+SF6混合氣體，靜置3min后，加入精煉劑，精煉劑含量為6 %的 六氯乙燒;再按常規方法通入氬氣精煉6~IOmin; 精煉完成后780°C條件下保溫靜置20min，將溫度降低到720°C，進行澆鑄，即獲得鑄態 釔鈰鎂合金。
【文檔編號】C22C23/06GK105908039SQ201610307358
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】王文禮, 雷寧寧
【申請人】西安建筑科技大學