CN101748299A

CN101748299A - 铸造镁合金的制造方法

Info

Publication number: CN101748299A
Application number: CN200810203866A
Authority: CN
Inventors: 陈斌; 吴国华; 侯正全; 丁文江; 李宝辉; 迟秀梅; 邱立新
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Space Precision Machinery Research Institute
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Space Precision Machinery Research Institute
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-23

Abstract

本发明公开了一种铸造镁合金的制造方法，包括：步骤1：配料：计算元素百分含量，包括：Gd，Y，Zr，余下为Mg；计算元素的重量和各自配料重量；步骤2：熔炼：Gd、Y、Zr以中间合金的形式依次加入：Mg、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr；通入SF₆/CO₂保护气体，进行精炼；捞出坩埚底的熔渣，然后重新升温到780～800℃，保温静置30分钟，随炉冷却至730～740℃后撇去表面浮渣；步骤3：浇注：模具预热，调整镁合金液温度至700～740℃后浇注；步骤4：热处理：包括固溶处理、时效处理。本发明解决了成本高、延伸率低、以及所制材料耐热性不足、环境污染等问题，取得了所制材料强度高，耐热性好，疏松、偏析和裂纹倾向小等有益效果。

Description

铸造镁合金的制造方法

技术领域

本发明涉及铸造合金材料的制造方法，特别涉及一种航天和航空等行业使用的高比强耐热铸造镁合金。

背景技术

现有技术制造的铸造镁合金存在强度偏低和耐热性不足的问题。例如，WE54是典型的高强耐热镁合金，化学组成为Mg-(4.75～5.5)％Y-(2.0～4.0)％RE-(0.4～1.0)％Zr，其室温抗拉强度为250MPa，使用温度约为200～250℃。

为了改善上述材料的品质，以Th代替RE加入镁合金中，从而使其300℃以上具有良好的机械性能，但是由于Th引起的环境污染问题而失去竞争优势，成为一种被淘汰的合金。最近开发的Mg-20％Gd，Mg-20％Tb耐热镁合金，在250℃的抗拉强度为280～320MPa，与WE系合金和铝合金的强度相比，又有了大幅度的提高。但单纯加入重稀土使得镁合金成本太高，密度更大和室温延伸率过低，很难得到实际应用。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

为了解决现有技术制造的铸造镁合金存在的成本太高、密度更大、室温延伸率过低、以及耐热性不足、环境污染等问题，本发明的目的在于提供一种铸造镁合金的制造方法。利用本发明方法制造的铸造镁合金材料具备良好的性能，可以制作航天和航空等行业用零件。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种铸造镁合金的制造方法，包括如下步骤：

步骤1：配料，包括：

1-1根据合金化学成分要求与元素烧损规律，计算每种元素所需百分含量，包括：Gd，Y，Zr，余下为Mg；

1-2根据每种元素所需百分含量，根据原料重量计算所需每种元素的重量包括：Gd；Y；Zr；Mg；

1-3根据原材料使用Mg、Mg-25wt％Gd、Mg-25wt％Y、Mg-30wt％Zr；计算各自配料重量；

步骤2：熔炼，包括：

2-1把称量好的纯Mg及中间合金预热至175～225℃，保温3小时以上；

2-2使用电阻坩埚炉熔炼，坩埚升温至500-600℃，装满经过预热的镁材料，盖上防护炉盖，通入保护气体，升温熔化；

2-3等纯镁完全熔化并升温720～740℃时，使用加料筐把预热好的Mg-Gd中间合金直接加入到熔体中，一边加入一边在熔体上面缓慢搅拌；

2-4熔化后熔体温度回升至720～740℃时，以同样的方式加入Mg-Y中间合金，将炉温升至760～780℃后加入Mg-Zr，待其熔化后撇去表面浮渣，等其完全熔入后，捞底彻底搅拌2～5分钟；

2-5搅拌完毕后，把合金熔液快速升温至780℃，并保温20分钟；

2-6降温至750～755℃，加入2％精炼剂进行精炼处理，精炼时要彻底捞底，并使精炼剂能与合金液充分接触，精炼时间控制在10分钟；

2-7精炼完毕后，捞出坩埚底的熔渣，然后重新升温到780～800℃间，保温静置25～40分钟，再降温到浇注温度准备浇注；

步骤3：浇注，包括：

3-1使用金属型模具，模具预热温度200～250℃，预热时间以模具热透为止，浇注时在浇注***中放置陶瓷过滤网；

3-2调整镁合金液温度至700～740℃，进行浇注；

步骤4：热处理，包括：

4-1热处理使用箱式电阻炉；

4-2固溶处理温度为500～525℃，保温时间为6～12小时，采用水淬；

4-3时效处理温度为225～250℃，保温时间为15～20小时，采用空冷。

上述步骤1-1，每种元素所需百分含量如下(wt％)：9.0～12.5Gd，2.8～4.5Y，0.4～1.0Zr，余下为Mg。上述步骤1-2，200kg原料所需每种元素的重量为：Gd：24kg；Y：10kg；Zr：3kg；Mg：163kg。上述步骤1-3，200kg原料所需的配料重量为：Mg-Gd：96kg；Mg-Y：40kg；Mg-Zr：10kg；Mg：54kg。

本发明铸造镁合金的制造方法，由于采用上述化学成分及其制备方法得到的铸造镁合金材料强度高，耐热性性好。经测试，室温下的性能指标达到：σ_b≥330Mpa，δ≥4％；200℃下，σ_b≥280MPa，δ≥8％；300℃，σ_b≥180MPa，δ≥15％。因此，解决了现有技术存在的成本太高、密度更大、室温延伸率过低、以及耐热性不足、环境污染等问题，取得了强度高，耐热性好，疏松、偏析和裂纹倾向小等有益效果。

具体实施方式

下面以熔炼200kg原材料为实施例，对本发明铸造镁合金的制造方法进行详细的描述，该方法包括如下的步骤：

步骤1：配料，包括：

1-1根据合金化学成分要求与元素烧损规律，计算每种元素所需百分含量如下(wt％)：9.0～12.5Gd，2.8～4.5Y，0.4～1.0Zr，余下为Mg。本发明实施例中，上述元素百分含量优选为：12Gd，5Y，1.5Zr，余量为Mg。

1-2根据每种元素所需百分含量计算200kg原料所需每种元素的重量，如下：Gd：24kg；Y：10kg；Zr：3kg；Mg：163kg。

1-3原材料使用Mg、Mg-25wt％Gd、Mg-25wt％Y、Mg-30wt％Zr。计算各自配料重量。Mg-25wt％Gd：96kg；Mg-25wt％Y：40kg；Mg-30wt％Zr：10kg；Mg：54kg。

步骤2：熔炼

2-1把称量好的纯Mg及中间合金预热至175～225℃，保温3小时以上。

2-2使用电阻坩埚炉熔炼，坩埚升温预热至暗红色，约500-600℃，装满经过预热的镁材料，盖上防护炉盖，通入SF₆/CO₂保护气体，升温熔化。

2-3等纯镁完全熔化后并升温720～740℃时(用热电偶测量)，使用加料筐把预热好的Mg-Gd中间合金直接加入到熔体中，一边加入一边在熔体上面缓慢搅拌，以避免金属元素下沉偏析。

2-4熔化后熔体温度回升至720～740℃时，以同样的方式加入Mg-Y中间合金，将炉温升至760～780℃后加入Mg-Zr，待其熔化后撇去表面浮渣，等其完全熔入后，捞底彻底搅拌2～5分钟，使合金元素充分均匀。

2-5搅拌完毕后，把合金熔液快速升温至780℃，并保温20分钟左右。

2-6降温至750～755℃，加入2％精炼剂进行精炼处理，精炼时要彻底捞底，并使精炼剂能与合金液充分接触，精炼时间控制在10分钟左右为宜。

2-7精炼完毕后，捞出坩埚底的熔渣，然后重新升温到780～800℃间，保温静置25～40分钟，再降温到浇注温度准备浇注。

步骤3：浇注，包括：

3-1使用金属型模具，模具预热温度200～250℃，预热时间以模具热透为止，浇注时在浇注***中放置陶瓷过滤网。

3-2调整镁合金液温度至700～740℃，进行浇注。

步骤4：热处理，包括：

4-1热处理，使用箱式电阻炉。

4-2固溶处理，温度为500～525℃，保温时间为6～12小时，采用水淬。

4-3时效处理，温度为225～250℃，保温时间为15～20小时，采用空冷。

上述步骤2-3和2-4中，熔炼时，Gd、Y、Zr以中间合金的形式加入，加入顺序依次为Mg、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr。熔炼过程中通入SF₆/CO₂保护气体，在750～760℃进行精炼。精炼完毕后，捞出坩埚底的熔渣，然后重新升温到780～800℃，保温静置30分钟，随炉冷却至730～740℃后撇去表面浮渣即可进行浇铸。

下面对本发明铸造镁合金制造方法的机理进行描述。

上述步骤1-1中，Gd在镁合金中的极限固溶度是23.5％，且随温度的降低显著下降，这说明Gd具有强烈的固溶强化和时效强化作用。通过研究Mg-Gd-Y三元相图，已发现富镁端Mg-Gd-Y三元相图与Mg-Gd和Mg-Y二元相图富镁端类似，能够在Mg-Gd和Mg-Y二元***中最靠近Mg端的金属间化合物固溶度线和Mg端构成的类三角区域中形成连续固溶体，并且固溶度随着Y：Gd比的增加而减小，因为Y相对Gd在Mg中的固溶度较低(在共晶点温度约为12％)。

上述步骤3-1，在浇注***中放置陶瓷过滤网，是为了去除镁液中的氧化皮、夹渣等，达到净化合金液的目的。

上述步骤4-3时效处理温度为225～250℃，保温时间为15～20小时，采用空冷。由于Mg₅(GdY)三元共晶化合物的存在，经过时效处理后这些化合物均匀弥散分布，具有明显的强硬化作用。Mg-RE系的共晶温度比Mg-Al及Mg-Zn高得多，三价稀土元素被认为提高了电子浓度，可以增强镁合金原子间的结合力，减小了镁在200～300℃的原子扩散速度，特别是稀土金属与镁形成的化合物比Al₁₂Mg₁₇和MgZn的热稳定性高。Zr在镁合金中能强烈细化晶粒，进一步提高合金强度，使合金的综合性能也进一步提高。

采用本发明方法制造的合金密度为2.8g/cm³，适用于砂型铸造和金属型铸造，具有强度高，耐热性好，疏松、偏析和裂纹倾向小的特点。经测试，用本发明制造的材料在室温下的性能指标达到：σ_b≥330Mpa，δ≥4％；200℃下，σ_b≥280MPa，δ≥8％；300℃，σ_b≥180MPa，δ≥15％；因此，完全适用于制作航天和航空等行业用零件。

Claims

1.一种铸造镁合金的制造方法，其特征在于，该方法包括如下的步骤：

步骤1：配料，包括：

1-1根据合金化学成分要求与元素烧损规律，计算每种元素所需百分含量，包括如下元素：Gd，Y，Zr，Mg；

1-2根据每种元素所需百分含量，根据原料重量计算每种所需元素的重量，包括Gd；Y；Zr；Mg的各自重量；

1-3根据原材料使用Mg、Mg-25wt％6d、Mg-25wt％Y、Mg-30wt％Zr；计算各自配料重量；

步骤2：熔炼，包括：

2-2使用电阻坩埚炉熔炼，坩埚升温至500～600℃，装满经过预热的镁材料，盖上防护炉盖，通入保护气体，升温熔化；

2-3等纯镁完全熔化并升温至720～740℃时，使用加料筐把预热好的Mg-Gd中间合金直接加入到熔体中，一边加入一边在熔体上面缓慢搅拌；

步骤3：浇注，包括：

3-2调整镁合金液温度至700～740℃，进行浇注；

步骤4：热处理，包括：

4-1热处理，使用箱式电阻炉；

4-2固溶处理，温度为500～525℃，保温时间为6～12小时，采用水淬；

2.如权利要求1所述的铸造镁合金的制造方法，其特征在于：所述的步骤1-1，每种元素所需百分含量如下(wt％)：9.0～12.5Gd，2.8～4.5Y，0.4～1.0Zr，余下为Mg。

3.如权利要求1所述的铸造镁合金的制造方法，其特征在于：所述的步骤1-2，200kg原料所需每种元素的重量为：Gd：24kg；Y：10kg；Zr：3kg；Mg：163kg。

4.如权利要求1所述的铸造镁合金的制造方法，其特征在于：所述的步骤1-3，200kg原料所需的配料重量为：Mg-Gd：96kg；Mg-Y：40kg；Mg-Zr：10kg；Mg：54kg。

5.如权利要求1所述的铸造镁合金的制造方法，其特征在于：所述的步骤2-3和2-4，熔炼时，Gd、Y、Zr以中间合金的形式加入，加入顺序依次为Mg、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr；熔炼过程中通入SF₆/CO₂保护气体，在750～760℃进行精炼；精炼完毕后，捞出坩埚底的熔渣，然后重新升温到780～800℃，保温静置30分钟，随炉冷却至730～740℃后撇去表面浮渣即可进行浇铸。