一種高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，由以下重量百分比的組分組成：3%～5%Y，1%～2%Gd，0.5%～1.5%Sm，0.5%～1.5%Nd，0.5%～1%Ca，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，在耐熱性能上具有一個(gè)突出的特點(diǎn)，即高溫抗拉強(qiáng)度非常穩(wěn)定，在200℃到300℃范圍內(nèi)，合金的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高降低的幅度很小，約10%；在室溫時(shí)的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)246MPa，在300℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度仍可達(dá)到200MPa以上；與商用耐熱鎂合金WE54合金相比，具有更為低廉的成本，高溫強(qiáng)度更加穩(wěn)定，在航空航天、汽車工業(yè)、武器裝備等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鎂合金【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂及鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在許多領(lǐng)域應(yīng)用都有十分顯著的優(yōu)勢(shì)，特別是在航空、航天和汽車、摩托車、高速輕軌列車方面具有難以替代的優(yōu)勢(shì)，但是，鎂合金的耐熱性能和抗蠕變性能不佳，嚴(yán)重阻礙其在航空航天、軍工、汽車及其它行業(yè)中的應(yīng)用，因此提高鎂合金的高溫強(qiáng)度和耐熱性能，提高其高溫工況下使用的可靠性，擴(kuò)大其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用范圍是發(fā)展鎂合金材料的重要課題。
[0003]現(xiàn)有的耐熱鎂合金研制主要從限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)化晶界入手，通過添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，引入熱穩(wěn)定性高的第二相、降低各元素在鎂基體中的擴(kuò)散速率或者改善晶界結(jié)構(gòu)狀態(tài)和組織形態(tài)等手段來實(shí)現(xiàn)提高鎂合金熱強(qiáng)性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元素。大部分稀土元素在鎂中具有較大的固溶度極限，且隨溫度下降，固溶度急劇降低，可以得到較大的過飽和度，從而在隨后的時(shí)效過程中析出彌散的、高熔點(diǎn)的稀土化合物相；稀土元素還可以細(xì)化晶粒、提高室溫強(qiáng)度，而且分布在晶內(nèi)和晶界(主要是晶界)的彌散的、高熔點(diǎn)稀土化合物，在高溫時(shí)仍能釘扎晶內(nèi)位錯(cuò)和晶界滑移，從而提高了鎂合金的高溫強(qiáng)度，這使得Mg-RE合金適于在較高溫度環(huán)境下長期工作。Mg-RE (如Mg-Y系)合金是非常重要的耐熱鎂合金系列，具有高的高溫強(qiáng)度和優(yōu)異的抗蠕變性能。當(dāng)前在200~300°C下長期工作的鎂合金零部件絕大部分為Mg-RE系合金，Mg-RE系合金已成為發(fā)展高強(qiáng)耐熱鎂合金的一個(gè)重要合金系。作為鎂和稀土資源第一大國，中國關(guān)于Mg-RE系合金的研究近年來不斷增多和深入，稀土鎂合金的成功研發(fā)將有助于我們利用這一優(yōu)勢(shì)。
[0004]目前的商業(yè)耐熱稀土鎂合金如WE54和近年發(fā)展起來的Mg-Gd系合金，其均含有較高的稀土元素Y、Nd、Gd等，其合金中稀土總含量均超過了 8%，甚至高達(dá)20%，極大增加了合金成本，且其高溫性能有限，特別是存在耐熱性能不夠穩(wěn)定，高溫時(shí)強(qiáng)度下降較多等缺點(diǎn)。在保持少量Y、Nd、Gd稀土元素的基礎(chǔ)上，適度引入其他稀土元素和堿土元素，發(fā)揮各元素的共同強(qiáng)化作用，在控制合金成本的基礎(chǔ)上開發(fā)耐熱性能優(yōu)異的鎂合金具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，由以下重量百分比的組分組成:3%~5%Y, 1%~2%Gd，0.5%~1.5%Sm, 0.5%~1.5%Nd,
0.5%~l%Ca，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)。
[0007]所述Y、Gd、Sm、Nd的質(zhì)量百分比之和為6%~8%。
[0008]所述高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金是由鎂和中間合金Mg-Y、Mg-Sm> Mg-Nd> Mg-Gd>Mg-Ca為原料熔煉鑄造并經(jīng)過固溶和時(shí)效熱處理制成的。
[0009]按上述組分配制合金，其熔鑄工藝為:采用剛玉坩堝、中頻感應(yīng)爐，在C02+SF6混合氣體保護(hù)下熔煉，先加入Mg，熔化后加入中間合金，待鎂液升溫至750°C時(shí)，澆鑄到鋼制模具中，得鑄態(tài)鎂合金，后進(jìn)行熱處理。所述熱處理是對(duì)鑄態(tài)鎂合金依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。所述固溶處理的處理溫度為525°C，處理時(shí)間為8小時(shí)。所述時(shí)效處理的處理溫度為250°C，處理時(shí)間為16小時(shí)。
[0010]本發(fā)明的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金的合金組分為Mg-Y-Gd-Sm-Nd-Ca。本發(fā)明采用Y元素為第一組分，Y是鎂合金中一種重要的稀土元素，它在Mg中的最大固溶度為12wt%，它在Mg中產(chǎn)生顯著的時(shí)效析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化效果，本發(fā)明中Y的加入量為3%~5%，過多的Y會(huì)增加合金密度以及引起合金脆化；Gd與Y —樣在Mg中有很大的固溶度，在鎂合金中有明顯的固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化效果，本發(fā)明中Gd的加入量為2%~3%。本發(fā)明在添加重稀土元素Y和Gd的基礎(chǔ)上，采用輕稀土元素Nd、Sm與之組合使用，Nd、Sm可以降低Y、Gd在Mg中的固溶度，從而增加Y、Gd的時(shí)效析出強(qiáng)化效應(yīng)；Nd、Sm在Mg中的最大固溶度分別為3.6wt%、5.7wt%,因此本發(fā)明的Nd、Sm加入量均不高于2wt% ;為了保證本發(fā)明合金的強(qiáng)化效果而又盡量降低總的稀土含量，減少合金密度和降低成本，因此本發(fā)明合金的稀土元素Y、Gd、Sm、Nd加入量都較低。另外加入少量的Ca可改善鎂合金的顯微組織和力學(xué)性能，Ca可細(xì)化晶粒，提高室溫強(qiáng)度，也可與Mg生成高熔點(diǎn)強(qiáng)化相Mg2Ca,改善高溫強(qiáng)度，但Ca過量會(huì)影響鑄造性能，因此本發(fā)明的Ca加入量不高于lwt% ;綜合利用稀土元素(Y、Gd、Sm、Nd)和堿土元素(Ca)的強(qiáng)化作用，進(jìn)一步提高合金的高溫強(qiáng)度。
[0011]本發(fā)明的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，合金組分為Mg-Y-Gd-Sm-Nd-Ca，在耐熱性能上具有一個(gè)突出的特點(diǎn)，即高溫抗拉強(qiáng)度非常穩(wěn)定，在200°C到300°C范圍內(nèi)，合金的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高降低的幅度約10% ;在室溫時(shí)的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)246MPa，200°C、250°C和300°C時(shí)的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到223MPa、214MPa和203MPa ;在300°C時(shí)，抗拉強(qiáng)度仍可達(dá)到200MPa以上；而在相同條件下，WE54鎂合金的室溫抗拉強(qiáng)度為280MPa，延伸率為
4.0%，200°C抗拉強(qiáng)度為241MPa，250°C抗拉強(qiáng)度為230MPa，300°C抗拉強(qiáng)度降到180MPa，從200°C到300°C，抗拉強(qiáng)度約降低25%。本發(fā)明的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金與商用耐熱鎂合金WE54合金相比，具有更為低廉的成本，高溫強(qiáng)度更加穩(wěn)定，在航空航天、汽車工業(yè)、武器裝備等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0013]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中涉及到的原料鎂和中間合金Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Sm、Mg_Nd、Mg-Ca均為市售產(chǎn)品。所述原料的純度為99.8%的Mg，99.8%的Mg_20%Y、Mg_25%Gd、Mg-25%Sm、Mg-17%Nd 和 Mg_25%Ca。
[0014]實(shí)施例1
[0015]本實(shí)施例的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，由以下重量百分比的組分組成:3%Y，2%Gd, 1.5%Sm, 0.8%`Nd, 0.5%Ca,余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)。稀土總含量為7.3%。
[0016]所述高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金是由鎂和中間合金Mg-Y、Mg-Sm> Mg-Nd> Mg-Gd>Mg-Ca為原料熔煉鑄造并經(jīng)過固溶和時(shí)效熱處理制成的。[0017]按上述組分配制合金，其熔鑄工藝為:采用剛玉坩堝、中頻感應(yīng)爐，在C02+SF6混合氣體保護(hù)下熔煉，先加入Mg，熔化后加入中間合金，待鎂液升溫至750°C時(shí)，澆鑄到鋼制模具中，得鑄態(tài)鎂合金，后進(jìn)行熱處理。所述熱處理是對(duì)鑄態(tài)鎂合金依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。所述固溶處理的處理溫度為525°C，處理時(shí)間為8小時(shí)。所述時(shí)效處理的處理溫度為250°C，處理時(shí)間為16小時(shí)。
[0018]本實(shí)施例的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的方法:經(jīng)固溶時(shí)效處理后的試樣，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB6397-86《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)試樣》加工成5倍標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣；在日本島津AG-1250kN精密萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為lmm/min ;高溫拉伸時(shí)，要保溫10分鐘，再進(jìn)行拉伸。
[0019]本實(shí)施例所得耐熱鎂合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為232MPa，延伸率為4.31%，200°C的抗拉強(qiáng)度為216MPa，250°C的抗拉強(qiáng)度為206MPa，300°C時(shí)抗拉強(qiáng)度仍達(dá)到195MPa。本實(shí)施例的耐熱鎂合金的抗拉強(qiáng)度在200°C至300°C內(nèi)，拉伸強(qiáng)度僅降低21MPa，約10%，抗拉強(qiáng)度極其穩(wěn)定。
[0020]實(shí)施例2
[0021]本實(shí)施例的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，由以下重量百分比的組分組成:4%Y，
1.5%Gd, 0.8%Sm, 0.5%Nd, 0.8%Ca,余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)。稀土總含量為6.8%。
[0022]所述高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金是由鎂和中間合金Mg-Y、Mg-Sm> Mg-Nd> Mg-Gd>Mg-Ca為原料熔煉鑄造并經(jīng)過固溶和時(shí)效熱處理制成的。
[0023]按上述組分配制合金，其熔鑄工藝為:采用剛玉坩堝、中頻感應(yīng)爐，在C02+SF6混合氣體保護(hù)下熔煉，先加入Mg，熔化后加入中間合金，待鎂液升溫至750°C時(shí)，澆鑄到鋼制模具中，得鑄態(tài)鎂合金，后進(jìn)行熱處理。所述熱處理是對(duì)鑄態(tài)鎂合金依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。所述固溶處理的處理溫度為525°C，處理時(shí)間為8小時(shí)。所述時(shí)效處理的處理溫度為250°C，處理時(shí)間為16小時(shí)。
[0024]本實(shí)施例的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的方法:經(jīng)固溶時(shí)效處理后的試樣，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB6397-86《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)試樣》加工成5倍標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣；在日本島津AG-1250kN精密萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為lmm/min ;高溫拉伸時(shí)，要保溫10分鐘，再進(jìn)行拉伸。
[0025]本實(shí)施例所得耐熱鎂合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為239MPa，延伸率為3.69%，200°C的抗拉強(qiáng)度為223MPa，250°C的抗拉強(qiáng)度為214MPa，300°C時(shí)抗拉強(qiáng)度仍達(dá)到203MPa。本實(shí)施例的耐熱鎂合金的抗拉強(qiáng)度在200°C至300°C內(nèi)，拉伸強(qiáng)度僅降低20MPa，約10%，抗拉強(qiáng)度極其穩(wěn)定。
[0026]實(shí)施例3
[0027]本實(shí)施例的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，由以下重量百分比的組分組成:5%Y，l%Gd, 0.5%Sm, 1.5%Nd, l%Ca，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)。稀土總含量為8%。
[0028]所述高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金是由鎂和中間合金Mg-Y、Mg-Sm> Mg-Nd> Mg-Gd>Mg-Ca為原料熔煉鑄造并經(jīng)過固溶和時(shí)效熱處理制成的。
[0029]按上述組分配制合金，其熔鑄工藝為:采用剛玉坩堝、中頻感應(yīng)爐，在C02+SF6混合氣體保護(hù)下熔煉，先加入Mg ，熔化后加入中間合金，待鎂液升溫至750°C時(shí)，澆鑄到鋼制模具中，得鑄態(tài)鎂合金，后進(jìn)行熱處理。所述熱處理是對(duì)鑄態(tài)鎂合金依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。所述固溶處理的處理溫度為525°C，處理時(shí)間為8小時(shí)。所述時(shí)效處理的處理溫度為250°C，處理時(shí)間為16小時(shí)。
[0030]本實(shí)施例的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的方法:經(jīng)固溶時(shí)效處理后的試樣，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB6397-86《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)試樣》加工成5倍標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣；在日本島津AG-1250kN精密萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為lmm/min ;高溫拉伸時(shí)，要保溫10分鐘，再進(jìn)行拉伸。
[0031]本實(shí)施例所得耐熱鎂合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為246MPa，延伸率為3.45%，200°C的抗拉強(qiáng)度為221MPa，250°C的 抗拉強(qiáng)度為208MPa，300°C時(shí)抗拉強(qiáng)度仍達(dá)到198MPa。本實(shí)施例的耐熱鎂合金的抗拉強(qiáng)度在200°C至300°C內(nèi)，拉伸強(qiáng)度僅降低23MPa，約10%，抗拉強(qiáng)度極其穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，其特征在于:由以下重量百分比的組分組成:3% ~5%Y, 1% ~2%Gd, 0.5% ~1.5%Sm, 0.5% ~1.5%Nd, 0.5% ~l%Ca,余量為 Mg 和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，其特征在于:所述Y、Gd、Sm、Nd的質(zhì)量百分比之和為6%~8%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金，其特征在于:所述高溫強(qiáng)度穩(wěn)定的耐熱鎂合金是由鎂和中間合金Mg-Y、Mg-Sm、Mg-Nd、Mg-Gd、Mg-Ca為原料熔煉鑄造并經(jīng)過固溶和時(shí)效熱處理 制成的。
【文檔編號(hào)】C22C23/06GK103774019SQ201410001137
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】陳君, 李全安, 陳曉亞, 張清, 付三玲, 李梅菊, 陳雷雷, 劉文闖 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)