CN102409213B

CN102409213B - 一种热处理强化的高强镁合金的制备方法

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Publication number: CN102409213B
Application number: CN 201110389303
Authority: CN
Inventors: 徐春杰; 屠涛; 马涛; 余玲; 张忠明
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: CN102409213A

Abstract

本发明公开了一种热处理强化的高强镁合金，组分由Gd：3-8％，Y：1-6％，Zn：0.5-3.5％，Mn：0.5-2.5％，Zr≤1.0％，其余为Mg组成。将Mn粉置于镁锭钻好的孔中，在镁锭上撒上熔剂，一同熔化，使镁液升温后加入Mg-Y和Mg-Gd中间合金并搅拌，然后再次升温后加入Mg-Zr中间合金并搅拌，最后降温后加入工业纯Zn锭并搅拌，然后将合金液进行精炼处理，再浇入经预热的底注式金属型中，得到镁合金铸锭；将镁合金铸锭在450-520℃保温6-18小时，然后在空气中进行冷却，之后时效处理，最后挤压制成棒材。克服了现有镁合金稀土添加量高，制备工艺复杂而导致的成本高昂的问题。

Description

一种热处理强化的高强镁合金的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及冶金技术领域，尤其涉及一种热处理强化的高强镁合金，本发明还涉及该高强镁合金的制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的实用金属材料，其具有高的比强度和比刚度，很好的抗磁性，高的电负性和导热性，良好的抗震吸震能力以及优良的切削加工，易回收再利用，加之资源丰富，已成为汽车、3C产业、航空工业等领域的首选材料。随着镁合金应用领域的扩大，镁合金的研究和开发也进入了新时代。但是，镁合金的抗拉强度和屈服强度一般低于300MPa和200MPa。此外，高温性能差也是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一。工业纯镁的力学性能较差，经常不作为结构材料直接用，而是通过形变硬化、晶粒细化、合金化、热处理强化、镁基复合等多种方法或这些方法的综合运用，来使镁的力学性能大幅度改善。在这些方法中镁的合金化是实际中最基本、最常用和最有效的强化途径，而合金元素的选择以及热处理工艺又是强化的关键。所以通过向合金中加入一定量的微量元素并通过热处理工艺获得成分均匀、组织细小，性能优异和综合力学性良好的镁合金成为镁合金领域的重要研究方向。

为了提高镁合金的强度和耐热性，在合金元素的选择上都以添加大量的稀土元素并通过复杂的工艺获得高强度镁合金。王渠东公开的专利《含稀土高强度耐热镁合金及其制备方法》(申请号：200910045405.6，公开号： CN101463441A，公开日：2009.6.24)其制备的高强耐热镁合金的成分为3％≤Y≤16％，0％≤Gd≤10％，0％≤Ca≤5％，0.1％≤Zr≤1.5％，余量为Mg及其它。经热处理后，其300℃时的瞬时极限抗拉强度为262MPa。张磊，董选普，李继强共同发表的《Mg-15Gd-3Y挤压合金的时效强化》(中国有色金属学报，2010，20(4)：600-605)通过对Mg-15Gd-3Y合金挤压时效后其室温抗拉强度达到446.67MPa。肖阳，张新明，陈健美共同发表的《高强耐热Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金的性能》(中南大学学报，2006，37(5)：851-855)所制备的Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金室温抗拉强度为370MPa。但是上述公开的专利和文献中所涉及的高强耐热镁合金均采用较高含量的稀土元素，稀土元素不仅价格昂贵，而且比重大，通过添加高稀土含量制备高强耐热镁合金将导致合金的成本大幅提高。

张济仙公开的专利《一种高强韧镁合金的制备方法》(申请号：200810112215.7，公开号：CN101279361A，公开日：2008.10.8)采用气体保护喷射沉积成型技术制备的高强镁合金室温抗拉强度达到435MPa。但其喷射沉积设备昂贵，制备工艺复杂，工业化困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种热处理强化的高强镁合金，克服了现有镁合金稀土添加量高，制备工艺复杂而导致的成本高昂的问题。

本发明的技术方案为，一种热处理强化的高强镁合金，按照质量百分比，由以下各组分组成：Gd：3-8％，Y：1-6％，Zn：0.5-3.5％，Mn：0.5-2.5％，Zr≤1.0％，其余为Mg，以上各组份质量百分比总和为100％。

本发明特点还在于，

组分组成中Gd与Y的质量百分比总和不大于总质量分数的10％。

本发明还提供上述镁合金的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤1，分别取事先钻好孔的镁锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、工业纯Zn锭、Mn粉和Mg-Zr中间合金，使各物质间质量关系满足以下质量百分比：Gd：3-8％，Y：1-6％，Zn：0.5-3.5％，Mn：0.5-2.5％，Zr≤1.0％，其余为Mg，且组分组成中Gd与Y的质量百分比总和不大于总质量分数的10％；

步骤2，将步骤1称取好的Mn粉置于镁锭上事先钻好的孔中，在镁锭上撒上熔剂，并一同放入井式电阻炉中熔化，并使镁液温度升至720-750℃，再加入Mg-Y和Mg-Gd中间合金机械搅拌15分钟，然后将金属液温度升至785-800℃，加入Mg-Zr中间合金，并机械搅拌10-15分钟，最后将金属液降温至720-740℃，加入工业纯Zn锭并机械搅拌10分钟，然后将合金液温度升至745-785℃进行精炼处理，再将温度调整至750-760℃，浇入经预热的底注式金属型中，得到镁合金铸锭；

步骤3，将步骤2得到的镁合金铸锭在450-520℃保温6-18小时，然后在空气中进行冷却，之后在220-300℃保温6-24小时时效处理，最后再挤压制成棒材。

其中步骤1中Mn粉粒径为50-200目。

其中步骤2中熔剂采用工业RJ-2熔剂，溶剂的添加量为所熔炼合金质量的5-10％。

其中步骤2中底注式金属型的预热温度为350℃±10℃。

其中步骤3中挤压制成棒材时的挤压比为1∶5-20，挤压温度为260-350℃。

本发明的有益效果是，通过适度合金化和优选的热处理工艺使合金微观组织具备长周期堆垛有序结构，合金稀土元素含量少、密度低、价格低廉、操作简单，既具有室温高强度，在高温条件下也具有良好力学性能。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种热处理强化的高强镁合金，按照质量百分比，由以下各组分组成：Gd：3-8％，Y：1-6％，Zn：0.5-3.5％，Mn：0.5-2.5％，Zr≤1.0％，其余为Mg，以上各组份质量百分比总和为100％。其中Gd与Y的质量百分比总和不大于总质量分数的10％。

本发明还提供上述镁合金的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤2，将步骤1称取好的50-200目的Mn粉置于镁锭上事先钻好的孔中，按照熔炼合金质量的5-10％称取工业RJ-2熔剂，在镁锭上撒上熔剂，并一同放入井式电阻炉中熔化，并使镁液温度升至720-750℃，再加入Mg-Y和Mg-Gd中间合金机械搅拌15分钟，然后将金属液温度升至785-800℃，加入Mg-Zr中间合金，并机械搅拌10-15分钟，最后将金属液降温至720-740℃，加入工业纯Zn锭并机械搅拌10分钟，然后将合金液温度升至745-785℃进行精炼处理，再将温度调整至750-760℃，浇入预热温度为350℃±10℃的底注式金属型中，得到镁合金铸锭；

步骤3，将步骤2得到的镁合金铸锭在450-520℃保温6-18小时，然后在空气中进行冷却，之后在220-300℃保温6-24小时时效处理，最后再挤压制成棒材，挤压比为1∶5-20，挤压温度为260-350℃。

实施例1

合金成分按质量百分比组成为：3％Gd，4％Y，3.5％Zn，1.5％Mn，0.8％Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。

合金熔铸工艺为：首先将称取好的50-200目的Mn粉置于镁锭上事先钻好的孔中，按照熔炼合金质量的5％称取工业RJ-2熔剂，在镁锭上撒上熔剂，并一同放入井式电阻炉中熔化，并使镁液温度升至720℃，再加入Mg-Y和Mg-Gd中间合金机械搅拌15分钟，然后将金属液温度升至790℃，加入Mg-Zr中间合金，并机械搅拌10分钟，最后将金属液降温至720℃，加入工业纯Zn锭并机械搅拌10分钟，然后将合金液温度升至760℃进行精炼处理，再将温度调整至750℃，浇入预热温度为350℃±10℃的底注式金属型中，得到镁合金铸锭。

铸态合金热处理工艺为：将镁合金铸锭520℃固溶处理18小时，然后在空气中进行冷却，之后在220℃等温时效24小时。然后通过挤压制成棒材，其挤压比为1∶5，挤压温度为310℃。所获得的挤压棒材其显微组织中仍有长周期堆垛有序结构，该结构所占基体面积比为65％。

本实施例所得的高强镁合金，其室温抗拉强度为361MPa，延伸率为8％。

实施例2

合金成分按重量百分比组成为：5％Gd，4％Y，1％Zn，1.5％Mn，0.8％Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。

合金熔铸工艺为：将步骤1称取好的50-200目的Mn粉置于镁锭上事先钻好的孔中，按照熔炼合金质量的7％称取工业RJ-2熔剂，在镁锭上撒上熔剂，并一同放入井式电阻炉中熔化，并使镁液温度升至740℃，再加入Mg-Y和Mg-Gd中间合金机械搅拌15分钟，然后将金属液温度升至785℃，加入Mg-Zr中间合金，并机械搅拌15分钟，最后将金属液降温至730℃，加入工业纯Zn锭并机械搅拌10分钟，然后将合金液温度升至745℃进行精炼处理，再将温度调整至755℃，浇入预热温度为350℃±10℃的底注式金属型中，得到镁合金铸锭；

铸态合金热处理工艺为：将镁合金铸锭在450℃固溶处理10小时，然后在空气中进行冷却，260℃等温时效8小时。然后通过挤压制成棒材，其挤压比为1∶10，挤压温度为350℃。所获得的挤压棒材其显微组织中仍有长周期堆垛有序结构，该结构所占基体面积比为70％。

本实施例所得的高强耐热镁合金，其室温抗拉强度为382MPa，延伸率为6％。

实施例3

合金成分按重量百分比组成为：8％Gd，1％Y，1％Zn，0.5％Mn，0.8％Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。

合金熔铸工艺为：将步骤1称取好的50-200目的Mn粉置于镁锭上事先钻好的孔中，按照熔炼合金质量的10％称取工业RJ-2熔剂，在镁锭上撒上熔剂，并一同放入井式电阻炉中熔化，并使镁液温度升至750℃，再加入Mg-Y和Mg-Gd中间合金机械搅拌15分钟，然后将金属液温度升至800℃，加入Mg-Zr中间合金，并机械搅拌13分钟，最后将金属液降温至740℃，加入工业纯Zn锭并机械搅拌10分钟，然后将合金液温度升至785℃进行精炼处理，再将温度调整至760℃，浇入预热温度为350℃±10℃的底注式金属型中，得到镁合金铸锭；

铸态合金热处理工艺为：将镁合金铸锭在520℃固溶处理6小时，然后在空气中进行冷却，240℃等温时效6小时。然后通过挤压制成棒材，其挤压比为1∶20，挤压温度为300℃。所获得的挤压棒材其显微组织中仍有长周期堆垛有序结构，该结构所占基体面积比为75％。

本实施例所得的高强耐热镁合金，其室温抗拉强度为396MPa，延伸率为8％。

实施例4

合金成分按重量百分比组成为：6％Gd，4％Y，0.5％Zn，1.5％Mn，0.8％Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。

铸态合金热处理工艺为：将镁合金铸锭在480℃固溶处理12小时，然后在空气中进行冷却，260℃等温时效8小时。然后通过挤压制成棒材，其挤压比为1∶12.5，挤压温度为260℃。所获得的挤压棒材其显微组织中仍有长周期堆垛有序结构，该结构所占基体面积比为75％。

本实施例所得的高强耐热镁合金，其室温抗拉强度为416MPa，延伸率为6.1％。

实施例5

合金成分按重量百分比组成为：4％Gd，6％Y，1％Zn，2.5％Mn，0.6％Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。

铸态合金热处理工艺为：将镁合金铸锭在500℃固溶处理10小时空冷，300℃等温时效8小时。然后通过挤压制成棒材，其挤压比为1∶12.5，挤压温度为300℃。所获得的挤压棒材其显微组织中仍有长周期堆垛有序结构，该结构所占基体面积比为75％。

本实施例所得的高强耐热镁合金，其室温抗拉强度为405MPa，延伸率为5.2％。

本发明通过普通熔铸再经热处理及挤压变形制备的高强镁合金，与现有技术所制备的镁合金相比，所加的稀土的总量明显小，所以合金成本降低，并且该合金中为添加Mn；另外本发明的熔炼工艺、热处理工艺及后续的加工都与现有技术有着明显差异，所获得合金室温强度明显优于现有技术制备出的镁合金。

总之，本发明采用加入稀土元素Gd、Y，但是加入量远小于已有专利和文献，目的是通过适度合金化和优选的热处理等工艺措施降低合金成本，充分发挥镁合金低密度结构材料的特性。

本发明中经热处理后所形成的长周期堆垛有序结构所占晶粒的面积百分比在90％以上。

本发明中稀土Gd、Y分别以Mg-Gd、Mg-Y中间合金加入。Gd、Y的加入均可以起到细化微观组织的作用，并且Y、Gd在Mg中的固溶度很大，可以通过固溶强化和时效沉淀析出强化提高合金的力学性能。

本发明中添加少量的Mn、Zr元素不仅改善了合金的塑性和热加工性，而且由于Zr在镁中的有限固溶度，Zr可以作为异质形核核心细化晶粒，Zr是采用Mg-Zr中间合金方式加入，Mn还可以提高合金的抗蠕变性能。

本发明中添加廉价的Zn元素，不仅可以与镁形成Mg7Zn3和MgZn强化相，而且与Gd、Y稀土元素形成稀土化合物强化晶界。另外通过合理的热处理Gd、Y、Zn、Mg原子可通过调幅分解形成长周期堆垛有序结构，该结构已被证实可明显提高合金的强度及合金的热稳定性。

本发明中通过调整各组成元素配比，运用普通熔铸工艺并通过合理的热处理工艺以及挤压变形即可制备出价格低廉的高强度、低密度镁合金。该镁合金不仅具有优异的室温高强韧性和高温拉伸性能，并且具有较好的塑性变形能力和热加工性能。其室温抗拉强度350-410MPa，延伸率5-15％。

Claims

1.一种热处理强化的高强镁合金的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤1，分别取事先钻好孔的镁锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、工业纯Zn锭、Mn粉和Mg-Zr中间合金，使各物质间质量关系满足以下质量百分比：Gd：3-8%，Y：1-6%，Zn：0.5-3.5%，Mn：0.5-2.5%，Zr≤1.0%，其余为Mg，且组分组成中Gd与Y的质量百分比总和不大于总质量分数的10%；

步骤2，将步骤1称取好的Mn粉置于镁锭上事先钻好的孔中，在镁锭上撒上熔剂，并一同放入井式电阻炉中熔化，并使镁液温度升至720-750℃，再加入Mg-Y和Mg-Gd中间合金机械搅拌15分钟，然后将金属液温度升至785-800℃，加入Mg-Zr中间合金，并机械搅拌10-15分钟，最后将金属液降温至720-740℃，加入工业纯Zn锭并机械搅拌10分钟，然后将合金液温度升至745-785℃进行精炼处理，再将温度调整至750-760℃，浇入底注式金属型中，得到镁合金铸锭，金属型的预热温度为350℃±10℃；

步骤3，将步骤2得到的镁合金铸锭在450-520℃保温6-18小时，然后在空气中进行冷却，之后在220-300℃保温6-24小时时效处理，最后再挤压制成棒材，挤压比为1:5-20，挤压温度为260-350℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中Mn粉粒径为50-200目。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中熔剂采用工业RJ-2熔剂，熔剂的添加量为所熔炼合金质量的5-10%。