專利名稱：原位合成準(zhǔn)晶及其近似相增強(qiáng)高性能耐熱鎂合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種高性能耐熱鎂合金，具體是一種原位合成準(zhǔn)晶及其近似相增強(qiáng)高性能耐熱鎂合金。屬于金屬材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎂合金結(jié)構(gòu)件目前在汽車上的應(yīng)用只限于儀表盤、方向盤、閥門蓋等附屬件，在較高溫度(120℃-200℃)下工作的部件應(yīng)用上還十分有限，鎂合金高溫力學(xué)性能差是阻礙其在汽車工業(yè)應(yīng)用范圍的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有商業(yè)化的鎂合金如AM和AZ系列，它們?cè)谑覝叵聯(lián)碛幸欢ǖ那?qiáng)度，但在120℃-200℃溫度范圍下的蠕變強(qiáng)度非常低，只有不到20Mpa，不能滿足汽車高溫部件應(yīng)用性能要求。導(dǎo)致Mg-Al基合金蠕變性能低的根本原因就是基體內(nèi)的強(qiáng)化相為Mg17Al12相，該相在晶界以非連續(xù)性形式析出，由于該相的熔點(diǎn)只有437℃，高溫下原子擴(kuò)散的加劇導(dǎo)致其易于軟化和粗化，從而失去對(duì)基體的強(qiáng)化作用。準(zhǔn)晶是一種不同于晶體的新的物質(zhì)形態(tài)，它具有五次、十次等特殊的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。由于準(zhǔn)晶獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)，從而使準(zhǔn)晶具有特殊的物理和機(jī)械性能。研究表明，準(zhǔn)晶具有很高的壓縮強(qiáng)度、高的顯微硬度和彈性模量、低的熱膨脹系數(shù)和表面張力等性能，同時(shí)凝固過程中形成的穩(wěn)定準(zhǔn)晶還具有較高的耐熱、耐蝕和耐磨等性能。鑒于準(zhǔn)晶的上述特性，最近人們努力嘗試引入準(zhǔn)晶顆粒作為第二相來強(qiáng)化Mg合金，提高鎂合金的力學(xué)性能。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0030029526，專利名稱為Quasicrystalline phase-reinforced Mg-based metallic alloy with highwarm and hot formability and method of making the same(具有高熱變形能力的準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂基合金及其制備方法)，該專利是一種具有較好熱變形能力的準(zhǔn)晶增強(qiáng)的Mg-Zn-Y三元合金，其合金組成為1-10at％Zn，0.1-3at％Y，余量為Mg。該合金給出了室溫力學(xué)性能，沒有提供高溫力學(xué)性能，而且主要是作為變形鎂合金使用，合金鑄造后，還需進(jìn)一步的熱變形加工，不能直接用于鑄造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等工作溫度要求較高(120℃-200℃)的零部件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有耐熱鎂合金蠕變性能低的缺陷，提供一種原位合成準(zhǔn)晶及其近似相增強(qiáng)高性能耐熱鎂合金，使其在鎂基體中引入一種新的強(qiáng)化相-準(zhǔn)晶及其近似相，來大幅度地提高鎂合金的高溫蠕變性能，從而大大提高鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明的組分及其重量百分比為5-10％Zn，1-5％Cu，2-6％Gd，雜質(zhì)元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
根據(jù)合金的性能價(jià)格比，本發(fā)明的組分及其重量百分比進(jìn)一步限定為6-8％Zn，2-4％Cu，3-5％Gd，雜質(zhì)元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。以Mg-7Zn-3Cu-4Gd合金為例，常溫壓縮強(qiáng)度及壓縮延伸率分別達(dá)到486MPa，17％。200℃、50MPa條件下高溫拉伸蠕變性能穩(wěn)態(tài)蠕變速率5.7×10-8％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.17％。而相同條件下商業(yè)用耐熱鎂合金AE42的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為4.2×10-6％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.67％。該發(fā)明合金的高溫蠕變性能比AE42(目前評(píng)價(jià)鎂合金耐熱性能的基準(zhǔn)合金)提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
本發(fā)明鎂合金通過以下工藝制備得到(1)配料按照配方質(zhì)量百分比進(jìn)行高純鎂、高純鋅、高純銅、鎂-釓中間合金等原材料進(jìn)行配料，(2)熔煉熔煉前將所有配料在200℃左右進(jìn)行烘干1小時(shí)，而后放入常規(guī)電阻爐(中頻感應(yīng)爐)內(nèi)，在熔劑(氣體)保護(hù)熔煉條件下進(jìn)行熔煉。
(3)澆鑄將熔化了的金屬液澆入鑄型中得到鑄件，鑄造方法可以采用砂型鑄造、低壓鑄造、金屬型鑄造或壓鑄。
(4)時(shí)效處理將鑄件進(jìn)行加熱到100-400℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品。
本發(fā)明含有一種特殊強(qiáng)化相-準(zhǔn)晶及其近似相，所獲得的準(zhǔn)晶及其近似相組織具有封閉型骨架形貌結(jié)構(gòu)，對(duì)鎂基體能很好地起到加固增強(qiáng)作用；同時(shí)所獲得的準(zhǔn)晶及其近似相具有很高的熱穩(wěn)定性能，高溫強(qiáng)化作用能保持到200℃以上。通過對(duì)本發(fā)明材料進(jìn)行時(shí)效處理工藝，使基體析出MgZn強(qiáng)化相，可以進(jìn)一步強(qiáng)化基體，提高鎂合金的力學(xué)性能。
與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，本發(fā)明是一種基于Mg-Zn-Cu-Gd的能原位合成準(zhǔn)晶及其近似相的四元合金組分，合金除具有良好的室溫力學(xué)性能外，尤其具有優(yōu)異的抗高溫蠕變性能。200℃，50Mpa拉伸蠕變條件下的最小穩(wěn)態(tài)蠕變速率為5.2×10-8％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.15％；而相同條件下AE42鎂合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為4.2×10-6％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.67％。即本發(fā)明的新合金的抗高溫蠕變性能要比AE42耐熱鎂合金(目前評(píng)價(jià)鎂合金耐熱性能的基準(zhǔn)合金)提高近2個(gè)數(shù)量級(jí)。而且因?yàn)槭氰T造用鎂合金，不需熱變形加工，可直接用于鑄造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等工作溫度要求較高(120℃-200℃)的零部件，制備工藝更為簡(jiǎn)單。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實(shí)施例實(shí)施例1合金成分重量百分比5.0％Zn、1％Cu、2％Gd，雜質(zhì)元素Fe≤0.005％、Ni≤0.002％，其余為Mg。
按照上述成分配置合金，在電阻爐中加入工業(yè)純鎂8.6Kg，工業(yè)純銅0.1Kg，工業(yè)純鋅0.5Kg，Mg-25Gd中間合金0.8Kg，在氣體(或溶劑)保護(hù)下熔煉，待合金元素全部溶解后，繼續(xù)升高溫度至720℃-740℃，然后保溫靜置30分鐘，撈去表面浮渣后即可用澆包進(jìn)行砂型澆鑄，澆鑄過程中在熔體上方通保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)。本發(fā)明合金的常溫壓縮強(qiáng)度及壓縮延伸率分別達(dá)到408MPa，18％。200℃、50MPa條件下高溫拉伸蠕變性能穩(wěn)態(tài)蠕變速率3.1×10-7％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.30％。而相同條件下商業(yè)用耐熱鎂合金AE42的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為4.2×10-6％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.67％。該發(fā)明合金的高溫蠕變性能比AE42提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。
實(shí)施例2合金成分重量百分比6.0％Zn、2％Cu、3％Gd，雜質(zhì)元素Fe≤0.005％，Ni≤0.002％，其余為Mg。
按照上述成分配置合金，在中頻感應(yīng)爐中加入工業(yè)純鎂8Kg，工業(yè)純銅0.2Kg，工業(yè)純鋅0.6Kg，Mg-25Gd中間合金1.2Kg，在氣體保護(hù)下熔煉，待合金元素全部溶解后，繼續(xù)升高溫度至720℃-740℃，然后保溫靜置10分鐘，撈去表面浮渣后在進(jìn)行金屬型澆鑄。本發(fā)明合金的常溫壓縮強(qiáng)度及壓縮延伸率分別達(dá)到438MPa，18％。200℃、50MPa條件下高溫拉伸蠕變性能穩(wěn)態(tài)蠕變速率9.1×10-8％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.25％。而相同條件下商業(yè)用耐熱鎂合金AE42的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為4.2×10-6％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.67％。該發(fā)明合金的高溫蠕變性能比AE42提高1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
實(shí)施例3合金成分重量百分比7.0％Zn、3％Cu、4％Gd，雜質(zhì)元素Fe≤0.005％，Ni≤0.002％，其余為Mg。
按照上述成分配置合金，在中頻感應(yīng)爐中加入工業(yè)純鎂7.4Kg，工業(yè)純銅0.3Kg，工業(yè)純鋅0.7Kg，Mg-25Gd中間合金1.6Kg，在氣體保護(hù)下熔煉，待合金元素全部溶解后，繼續(xù)升高溫度至720℃-740℃，然后保溫靜置10分鐘，撈去表面浮渣后在低壓鑄造爐內(nèi)采用氮?dú)饨o壓進(jìn)行低壓鑄造。本發(fā)明合金的常溫壓縮強(qiáng)度及壓縮延伸率分別達(dá)到486MPa，17％。200℃、50MPa條件下高溫拉伸蠕變性能穩(wěn)態(tài)蠕變速率5.7×10-8％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.17％。而相同條件下商業(yè)用耐熱鎂合金AE42的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為4.2×10-6％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.67％。該發(fā)明合金的高溫蠕變性能比AE42提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
實(shí)施例4合金成分重量百分比8.0％Zn、4％Cu、5％Gd，雜質(zhì)元素Fe≤0.005％，Ni≤0.002％，其余為Mg。
按照上述成分配置合金，在中頻感應(yīng)爐中加入工業(yè)純鎂6.8Kg，工業(yè)純銅0.4Kg，工業(yè)純鋅0.8Kg，Mg-25Gd中間合金2.0Kg，在氣體保護(hù)下熔煉，待合金元素全部溶解后，繼續(xù)升高溫度至720℃-740℃，然后保溫靜置10分鐘，撈去表面浮渣后進(jìn)行金屬型澆鑄。本發(fā)明合金的常溫壓縮強(qiáng)度及壓縮延伸率分別達(dá)到480MPa，16％。200℃、50MPa條件下高溫拉伸蠕變性能穩(wěn)態(tài)蠕變速率5.4×10-8％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.16％。而相同條件下商業(yè)用耐熱鎂合金AE42的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為4.2×10-6％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.67％。該發(fā)明合金的高溫蠕變性能比AE42提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
實(shí)施例5合金成分重量百分比10.0％Zn、5％Cu、6％Gd，雜質(zhì)元素Fe≤0.005％，Ni≤0.002％，其余為Mg。
按照上述成分配置合金，在中頻感應(yīng)爐中加入工業(yè)純鎂6.1Kg，工業(yè)純銅0.5Kg，工業(yè)純鋅1.0Kg，Mg-25Gd中間合金2.4Kg，在氣體保護(hù)下熔煉，待合金元素全部溶解后，繼續(xù)升高溫度至720℃-740℃，然后保溫靜置20分鐘，撈去表面浮渣后即可進(jìn)行金屬型澆鑄。本發(fā)明合金的常溫壓縮強(qiáng)度及壓縮延伸率分別達(dá)到450MPa，11％。200℃、50MPa條件下高溫拉伸蠕變性能最小穩(wěn)態(tài)蠕變速率為5.2×10-8％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.15％。而相同條件下AE42鎂合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為4.2×10-6％/S，100小時(shí)后的蠕變應(yīng)變?yōu)?.67％。該發(fā)明合金的高溫蠕變性能比AE42提高近2個(gè)數(shù)量級(jí)。
在上述5個(gè)實(shí)施例中，實(shí)施例2，3，4中合金具有較好的綜合性能價(jià)格比。而實(shí)施例3中合金除了具有最好的壓縮強(qiáng)度外，同時(shí)兼有優(yōu)異的高溫蠕變性能。此外，與實(shí)施例4、5相比，實(shí)施例3含有較低含量的Gd，合金成本相對(duì)較低，因而具有最好的綜合性能價(jià)格比。
權(quán)利要求
1.一種原位合成準(zhǔn)晶及其近似相增強(qiáng)高性能耐熱鎂合金，其特征在于，組分及其重量百分比為5-10％Zn，1-5％Cu，2-6％Gd，雜質(zhì)元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位合成準(zhǔn)晶及其近似相增強(qiáng)高性能耐熱鎂合金，其特征是，對(duì)其重量百分比進(jìn)一步限定為6-8％Zn，2-4％Cu，3-5％Gd，雜質(zhì)元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。
全文摘要
一種原位合成準(zhǔn)晶及其近似相增強(qiáng)高性能耐熱鎂合金，組分及其重量百分比為5－10％Zn，1－5％Cu，2－6％Gd，雜質(zhì)元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余為Mg。本發(fā)明合金具有一種特殊強(qiáng)化相——準(zhǔn)晶及其近似相，它們以一種骨架結(jié)構(gòu)圍繞著基體起強(qiáng)化作用；同時(shí)通過時(shí)效處理工藝，使基體析出MgZn相，從而進(jìn)一步增強(qiáng)該合金的力學(xué)性能。本發(fā)明合金具有優(yōu)異的耐熱性能，其蠕變性能(200℃，50MPa拉伸蠕變條件下)要比AE42耐熱鎂合金提高1－2個(gè)數(shù)量級(jí)。本發(fā)明高性能耐熱鎂合金將大大提高鎂合金的應(yīng)用溫度范圍。
文檔編號(hào)C22C23/00GK1644739SQ20051002328
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者袁廣銀, 丁文江 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)