本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耐熱稀土鎂合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

汽車輕量化設(shè)計是指在保證汽車產(chǎn)品使用、安全性能和成本控制的前提下，依靠材料輕量化、設(shè)計技術(shù)輕量化和制造技術(shù)輕量化的有機(jī)結(jié)合。在汽車工業(yè)中，汽車輕量化是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。汽車重量每減重100kg，每百公里油耗可下降0.3~0.5l，同時有利于減少尾氣排放，起到環(huán)保的作用。

鎂合金是迄今為止最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度僅相當(dāng)于鋁的2/3，鋼的1/4，使其擁有很高的比強(qiáng)度及比剛度。另外，鎂合金還具有良好的阻尼減震性、機(jī)械加工性、尺寸穩(wěn)定性和易回收等特點，使其被廣泛運用于3c產(chǎn)業(yè)、汽車制造和航空航天配件等方面。常規(guī)鎂合金的價格雖然相對便宜，但高溫性能較差，限制其運用于耐熱零部件，在常規(guī)鎂合金中添加稀土元素可以提高鎂合金高溫性能，

現(xiàn)有技術(shù)中，常見的耐熱鎂合金有ae44（e為ce、la、pr、nd）和alcela44，ae44含有貴稀土pr和nd，成本極高；alcela44不含稀土pr和nd，有效降低了成本，但ce和la在mg中的固溶度低，固溶強(qiáng)化的效果較差。本發(fā)明在alcela44的基礎(chǔ)上引入稀土元素sm，其在mg中的固溶度大，并且sm與al結(jié)合形成al2sm相，從而抑制了mg17al12相的生成，提高耐熱鎂合金在高溫下的力學(xué)性能，制備成本比alcela44更低。本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金在高溫下具有較好的力學(xué)性能，在150℃時的抗拉強(qiáng)度為137mpa~151mpa，屈服強(qiáng)度為101mpa~113mpa，延伸率為30％~34.5％；在200℃時的抗拉強(qiáng)度為112mpa~125mpa，屈服強(qiáng)度90mpa~103mpa，延伸率為27％~30％。本發(fā)明還提供了一種鎂合金的制備方法，包括料預(yù)熱，熔煉，合金化，精煉等步驟得到純凈且均勻化的鎂合金液，最后壓鑄得到耐熱稀土鎂合金，本制備方法得到的產(chǎn)品更純凈均勻，品質(zhì)高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種耐熱稀土鎂合金，在保持高溫抗拉強(qiáng)度的同時，具有較高的品質(zhì)。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種耐熱稀土鎂合金的制備方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種耐熱稀土鎂合金，由以下質(zhì)量百分比的組分組成：3.0~5.0%al，0.1~3.5%ce，0.1~3.5%la，0.1~3.5%sm，0.1~0.5%mn，84.0%~96.6%mg。

優(yōu)選的，所述耐熱稀土鎂合金，質(zhì)量百分比組成為：3.5~4.5%al，1.0~2.0%ce，1.0~2.0%la，0.5~1.5%sm，0.2~0.35%mn，89.6%~93.8%mg。所述金屬al和金屬mg的純度優(yōu)選為不低于99.7%，金屬mg的燒損率按照5%計算，金屬al的燒損率按照8%計算；所述ce和la以鎂鈰鑭中間合金形式添加，所述ce與la在鎂鈰鑭中間合金中的質(zhì)量總含量優(yōu)選為30%，所述ce和la的燒損率均按照20%計算；所述sm以鎂釤中間合金形式添加，sm在鎂釤中間合金中的質(zhì)量含量為20%，并且sm的燒損率按照25%計算；所述mn為純mn粉或鎂錳中間合金形式添加，當(dāng)以鎂錳中間合金形式添加時，所述mn在mg-mn中間合金中的質(zhì)量含量為5%，所述鎂錳中間合金需要優(yōu)先預(yù)計0.15%的除鐵使用量，燒損率按照4%計算。

本發(fā)明提供了一種耐熱稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟：

s1.將原料金屬mg、金屬al、鎂鈰鑭中間合金體、鎂釤中間合金體和鎂錳中間合金體預(yù)熱；

s2.將預(yù)熱好的金屬mg和鎂錳中間合金體在保護(hù)氣體n2和sf6下熔煉，得到中間鎂合金液；

s3.將金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金依次加入s2的中間合金液中融化得到鎂合金液；每熔化一種合金或金屬后，進(jìn)行人工攪拌3min，然后再靜置5min。

s4.將s3中得到的鎂合金液進(jìn)行攪拌，保溫，撈渣后得到均勻化的鎂合金液；

s5.將s4中得到的鎂合金液進(jìn)行精煉，降溫，靜置及扒渣后得到純凈的均勻化鎂合金液；

s6.將s5中得到的鎂合金液進(jìn)行壓鑄，得到鎂合金試樣。

優(yōu)選的，s1中的預(yù)熱溫度為220~330℃，預(yù)熱時間為0.5~3.0h。

優(yōu)選的，s2中優(yōu)選對熔煉設(shè)備及操作工具進(jìn)行預(yù)熱，所述預(yù)熱溫度優(yōu)選為300~450℃，更優(yōu)選為390~410℃；熔煉溫度為710~760℃，更優(yōu)選為720~750℃；，n2的流量優(yōu)選為0.8~1.8m³/h，更優(yōu)選為0.9~1.1m³/h，sf6的流量為0.25~0.65ml/min，更優(yōu)選為0.3~0.4ml/min。

優(yōu)選的，所述s3中的加料溫度均為710~760℃，更優(yōu)選為730~740℃；攪拌時間優(yōu)選為3~7min，更優(yōu)選為3~4min；加料間隔時間優(yōu)選為5~10min，更優(yōu)選為5~6min。

優(yōu)選的，所述步驟s4中的攪拌溫度為710~740℃，更優(yōu)選為710~720℃；攪拌時間為10~25min，更優(yōu)選為15~17min。

優(yōu)選的，所述步驟s4中的保溫溫度為700~730℃，；保溫時間為15~30min。

優(yōu)選的，所述步驟s5中的精煉溫度為700~720℃，更優(yōu)選為710~720℃；精煉時間為10~30min，更優(yōu)選為25~30min；精煉劑ar流量為0.1~0.5m³/h。

優(yōu)選的，所述步驟s5中的靜置溫度為680~710℃，更優(yōu)選為700~710℃；靜置時間為20~60min，更優(yōu)選為30~35min。

優(yōu)選的，所述步驟s6中的壓鑄溫度為680~710℃，更優(yōu)選為695~705℃。

本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金，組分為mg-al-la-ce-sm-mn，比現(xiàn)有技術(shù)中常見的耐熱鎂合金alcela44多引入了一種稀土元素sm，并改進(jìn)了各成分組成的比例。al是耐熱鎂合金中最常見的合金元素，在mg中的最大固溶度達(dá)12.7%，并且al和mg會反應(yīng)生成β-mg17al12相，β-mg17al12相在高溫下易發(fā)生軟化、粗化，不能有效釘扎晶界，高溫力學(xué)性能性能較差，β-mg17al12相隨著al含量的增加而增多，而al的含量在5%~6.0%時，mg-al系合金具有最佳的強(qiáng)度和延展性組合，所以綜合考慮al含量選擇為3.0~5.0%。ce加入mg-al系中可以提高鎂合金的抗氧化燃燒性和耐腐蝕性能，細(xì)化組織晶粒并且同時形成可強(qiáng)化第二相的al4ce化合物，提高鎂合金的力學(xué)性能；la加入mg-al系中會形成al11la3相，阻礙β-mg17al12的生成，但ce和la在mg中的固溶度低，固溶強(qiáng)化的效果較差，所以ce和la的質(zhì)量含量控制在0.1~3.5%。sm在mg中的最大固溶度達(dá)5.88%，加入mg-al合金中可生成高熱穩(wěn)定性的al2sm相（熔點為1500℃），有效抑制低熔點β-mg17al12相相的析出，從而提高其高溫力學(xué)性能。有研究表明，mg-al系合金加入1.5%sm后的組織與力學(xué)性能達(dá)到最好。所以sm含量選擇為0.1~3.5%。mn的主要作用是降低了有害雜質(zhì)元素fe的含量，mn的質(zhì)量含量選擇為0.1~0.5%。

本發(fā)明達(dá)到的有益效果如下：

按照本發(fā)明的原料配比以及控制生產(chǎn)工藝參數(shù)得到的耐熱稀土鎂合金，在常溫與高溫下較alcela44具有更好的力學(xué)性能。在常溫20℃下，本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金抗拉強(qiáng)度較alcela44提高2.3%，屈服強(qiáng)度提高4.3%，延伸率提高4%；在150℃下，本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金抗拉強(qiáng)度比alcela44提高6.3%，屈服強(qiáng)度提高6.6%，延伸率提高1.7%；在200℃下，雖然本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金和alcela44抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度接近，但本發(fā)明的延伸率較alcela44提高1.7%。

本發(fā)明技術(shù)方案中使用了獨有的稀土元素sm，目前市場上擁有大量的sm資源堆積，若能產(chǎn)業(yè)化運用本發(fā)明中的耐熱稀土鎂合金，可以解決許多企業(yè)稀土sm資源堆積浪費的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金拉伸試樣尺寸圖。

圖2為本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金制備工藝流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限定本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明實施例中涉及到的原料金屬mg、金屬al、鎂鈰鑭中間合金、鎂釤中間合金和鎂錳中間合金均為市售商品。金屬mg和金屬al的純度不低于99.7%，金屬mg的燒損率優(yōu)選按照5%計算，金屬al的燒損率優(yōu)選按照8%計算；ce與la在鎂鈰鑭中間合金中的質(zhì)量總含量為30%，ce和la的燒損率優(yōu)先按照20%計算；sm的燒損率優(yōu)先按照25%計算；mn優(yōu)選為純mn粉或鎂錳合金的形式添加，當(dāng)以鎂錳中間合金的形式添加時，所述mn在鎂錳中間合金中的質(zhì)量含量優(yōu)選為5%，所述鎂錳中間合金需要優(yōu)先預(yù)計0.15%的除鐵使用量，燒損率優(yōu)選按照4%計算。

對比例中的耐熱稀土鎂合金采用的是alcela44。

對比例1：

本對比例的耐熱稀土鎂合金的成分質(zhì)量百分比組成如下：

按5%的燒損率稱取金屬mg73.17kg；按4.00%的質(zhì)量含量和8%的燒損率稱取金屬al3.78kg；按4.00%的質(zhì)量含量和20%的燒損率稱取鎂鈰鑭中間合金16.00kg，ce和la在鎂鈰鑭中間合金中的質(zhì)量總含量為30%；按0.35%的質(zhì)量含量及0.15%除鐵消耗的質(zhì)量含量和4%的燒損率稱取鎂錳中間合金10.40kg，其中mn元素占比為5%。

本對比例中的耐熱稀土鎂合金的制備方法包括以下步驟：

s1.配料：按照質(zhì)量百分比組成稱取原料；

s2.預(yù)熱：將配制好的原料置于烤箱中預(yù)熱至320℃；

s3.熔煉：將預(yù)熱好的金屬mg和鎂錳中間合金裝入400℃預(yù)熱好的坩堝中，并在n2和sf6混合氣體保護(hù)下將坩堝內(nèi)溫度升至740℃，其中，n2的流量為1.0m³/h，sf6的流量為0.3ml/min，待合金熔化；

s4.合金化：控制鎂液溫度為740℃，依次加入經(jīng)預(yù)熱好的金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金，每熔化一種合金或金屬后，進(jìn)行人工攪拌3min，然后再靜置5min。

s5.攪拌保溫：待加完合金或金屬后，降低鎂液溫度至為730℃進(jìn)行人工攪拌15min，待攪拌完后撈掉底部沉渣并扒去表面浮渣，然后繼續(xù)在730℃保溫20min。

s6.精煉靜置：控制鎂液溫度為720℃，往熔爐底部以上10cm的位置通入流量為0.2m³/h的氬氣，持續(xù)時間為20min，待精煉完后降溫并同時靜置，靜置時間為40min，以便雜質(zhì)沉淀，待完成靜置后，扒掉表面浮渣；

s7.成份分析：取部分熔湯，澆注成光譜分析試樣，并進(jìn)行成份分析，若成份不符合目標(biāo)成分要求，則重復(fù)步驟（4），直至成份符合要求；

s8.將熔煉好的合金在700℃進(jìn)行壓鑄。

實施例2

本實施例的耐熱稀土鎂合金的成分質(zhì)量百分比組成如下：

按5%的燒損率稱取金屬mg76.38kg；按3.50%的質(zhì)量含量和8%的燒損率稱取金屬al3.78kg；按照質(zhì)量含量1.66%的ce，0.97%的la和20%的燒損率稱取鎂鈰鑭中間合金10.50kg，ce和la在鎂鈰鑭中間合金中的質(zhì)量總含量為30%；按0.88%的質(zhì)量含量和25%的燒損率稱取鎂釤中間合金5.47kg，其中sm元素所占合金比例為20%；按0.20%的質(zhì)量含量及0.15%除鐵消耗的質(zhì)量含量和4%的燒損率稱取鎂錳中間合金7.28kg，其中mn元素占比為5%。

本實施例中的耐熱稀土鎂合金的制備方法包括以下步驟：

s1.配料：按照質(zhì)量百分比組成稱取原料；

s2.預(yù)熱：將配制好的原料置于烤箱中預(yù)熱至300℃；

s3.熔煉：將預(yù)熱好的金屬mg和鎂錳中間合金裝入380℃預(yù)熱好的坩堝中，并在n2和sf6混合氣體保護(hù)下將坩堝內(nèi)溫度升至710℃，其中，n2的流量為0.8m³/h，sf6的流量為0.28ml/min，待合金熔化；

s4.合金化：控制鎂液溫度為730℃，依次加入經(jīng)預(yù)熱好的金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金，每熔化一種合金或金屬后，進(jìn)行人工攪拌3min，然后再靜置5min。

s5.攪拌保溫：待加完合金或金屬后，降低鎂液溫度至為710℃進(jìn)行人工攪拌15min，待攪拌完后撈掉底部沉渣并扒去表面浮渣，然后繼續(xù)在710℃保溫20min。

s6.精煉靜置：控制鎂液溫度為690℃，往熔爐底部以上10cm的位置通入流量為0.15m³/h的氬氣，持續(xù)時間為15min，待精煉完后降溫并同時靜置，靜置時間為20min，以便雜質(zhì)沉淀，待完成靜置后，扒掉表面浮渣；

s7.成份分析：取部分熔湯，澆注成光譜分析試樣，并進(jìn)行成份分析，若成份不符合目標(biāo)成分要求，則重復(fù)步驟（4），直至成份符合要求；

s8.將熔煉好的合金在700℃進(jìn)行壓鑄。

實施例3：

本實施例的耐熱稀土鎂合金的成分質(zhì)量百分比組成如下：

按5%的燒損率稱取金屬mg71.00kg；按4.00%的質(zhì)量含量和8%的燒損率稱取金屬al4.32kg；分別按質(zhì)量含量為1.89%的ce，1.11%的la和20%的燒損率稱取鎂鈰鑭中間合金12.00kg，ce和la在鎂鈰鑭中間合金中的質(zhì)量總含量為30%；按1.00%的質(zhì)量含量和25%的燒損率稱取鎂釤中間合金6.25kg，其中sm元素所占合金比例為20%；按0.35%的質(zhì)量含量及0.15%除鐵消耗的質(zhì)量含量和4%的燒損率稱取鎂錳中間合金10.40kg，其中mn元素占比為5%。

本實施例中的耐熱稀土鎂合金的制備方法包括以下步驟：

s1.配料：按照質(zhì)量百分比組成稱取原料；

s2.預(yù)熱：將配制好的原料置于烤箱中預(yù)熱至320℃；

s3.熔煉：將預(yù)熱好的金屬mg和鎂錳中間合金裝入400℃預(yù)熱好的坩堝中，并在n2和sf6混合氣體保護(hù)下將坩堝內(nèi)溫度升至740℃，其中，n2的流量為1.0m³/h，sf6的流量為0.3ml/min，待合金熔化；

s4.合金化：控制鎂液溫度為730℃，依次加入經(jīng)預(yù)熱好的金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金，每熔化一種合金或金屬后，進(jìn)行人工攪拌3min，然后再靜置5min。

s5.攪拌保溫：待加完合金或金屬后，降低鎂液溫度至為720℃進(jìn)行人工攪拌15min，待攪拌完后撈掉底部沉渣并扒去表面浮渣，然后繼續(xù)在720℃保溫20min。

s6.精煉靜置：控制鎂液溫度為710℃，往熔爐底部以上10cm的位置通入流量為0.2m³/h的氬氣，持續(xù)時間為20min，待精煉完后降溫并同時靜置，靜置時間為30min，以便雜質(zhì)沉淀，待完成靜置后，扒掉表面浮渣；

s7.成份分析：取部分熔湯，澆注成光譜分析試樣，并進(jìn)行成份分析，若成份不符合目標(biāo)成分要求，則重復(fù)步驟（4），直至成份符合要求；

s8.將熔煉好的合金在700℃進(jìn)行壓鑄。

實施例4：

本實施例的耐熱稀土鎂合金的成分質(zhì)量百分比組成如下：

配料：按5%的燒損率稱取金屬mg65.63kg；按4.50%的質(zhì)量含量和8%的燒損率稱取金屬al4.86kg；分別按質(zhì)量含量為2.13%的ce，1.25%的la和20%的燒損率稱取鎂鈰鑭中間合金13.50kg，ce和la在鎂鈰鑭中間合金中的質(zhì)量總含量為30%；按1.13%的質(zhì)量含量和25%的燒損率稱取鎂錳中間合金7.03kg，其中sm元素所占合金比例為20%；按0.50%的質(zhì)量含量及0.15%除鐵消耗的質(zhì)量含量和4%的燒損率稱取鎂錳中間合金13.52kg，其中mn元素占比為5%；

本實施例中的稀土鎂合金的制備方法包括以下步驟：

s1.配料：按照質(zhì)量百分比組成稱取原料；

s2.預(yù)熱：將配制好的原料置于烤箱中預(yù)熱至330℃；

s3.熔煉：將預(yù)熱好的金屬mg和鎂錳中間合金裝入410℃預(yù)熱好的坩堝中，并在n2和sf6混合氣體保護(hù)下將坩堝內(nèi)溫度升至750℃，其中，n2的流量為1.0m³/h，sf6的流量為0.4ml/min，待合金熔化；

s4.合金化：控制鎂液溫度為740℃，依次加入經(jīng)預(yù)熱好的金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金，每熔化一種合金或金屬后，進(jìn)行人工攪拌4min，然后再靜置6min。

s5.攪拌保溫：待加完合金或金屬后，降低鎂液溫度至為730℃進(jìn)行人工攪拌15min，待攪拌完后撈掉底部沉渣并扒去表面浮渣，然后繼續(xù)在730℃保溫20min。

s6.精煉靜置：控制鎂液溫度為720℃，往熔爐底部以上10cm的位置通入流量為0.3m³/h的氬氣，持續(xù)時間為30min，待精煉完后降溫并同時靜置，靜置時間為40min，以便雜質(zhì)沉淀，待完成靜置后，扒掉表面浮渣；

s7.成份分析：取部分熔湯，澆注成光譜分析試樣，并進(jìn)行成份分析，若成份不符合目標(biāo)成分要求，則重復(fù)步驟（4），直至成份符合要求；

s8.將熔煉好的合金在700℃進(jìn)行壓鑄。

按照gb/t128-2010《金屬材料室溫拉伸實驗方法》的標(biāo)準(zhǔn)和gb/t4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》的標(biāo)準(zhǔn)，測試本發(fā)明對比例1及實施例2、3、4得到的耐熱稀土鎂合金在20℃、150℃、200℃下的力學(xué)性能，測試結(jié)果如表1所示。

表1拉伸測試結(jié)果

由以上對比例與實施例可看出，本發(fā)明提供的耐熱稀土鎂合金具有良好的常溫及高溫拉伸性能。本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金在常溫與高溫下較alcela44具有更好的力學(xué)性能，在常溫20℃下，實施例4的耐熱鎂合金抗拉強(qiáng)度較對比例1的alcela44提高2.3%，屈服強(qiáng)度提高4.3%，延伸率提高4%。本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金在150℃下的抗拉強(qiáng)度為137mpa~151mpa，屈服強(qiáng)度為101mpa~113mpa，延伸率為30％~34.5％；在150℃下，對比例1的alcela44和實施例2的耐熱稀土鎂合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度接近，但實施例2的延伸率比對比例1提高15%；在150℃下，實施例4的耐熱稀土鎂合金抗拉強(qiáng)度比對比例1高6.3%，屈服強(qiáng)度高6.6%，延伸率高1.7%。本發(fā)明的耐熱稀土鎂合金在200℃下的抗拉強(qiáng)度為112mpa~125mpa，屈服強(qiáng)度90mpa~103mpa，延伸率為27％~30％；在200℃下，對比例1的alcela44和實施例3的耐熱稀土鎂合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度接近，但實施例3的延伸率比對比例高1.7%。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。