CN103305738B

CN103305738B - 含硅耐热稀土镁合金及其制备方法

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Publication number: CN103305738B
Application number: CN201310257384.0A
Authority: CN
Inventors: 汪欢; 王渠东; 杨俊�
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: CN103305738A

Abstract

本发明公开了一种含硅耐热稀土镁合金及其制备方法；所述合金包含如下重量百分比的各组分：Gd5～10%，Y2～8%，Si0.3～2%，Zr0.35～0.8%，Gd+Y11～13%，杂质小于0.02%，余量为镁；本发明还涉及前述的含硅耐热稀土镁合金的制备方法，所述方法包括：原料预热、熔炼和后续热处理；所述熔炼在熔剂或SF₆和CO₂混合气体保护下进行；所述后续热处理为将所述含硅耐热稀土镁合金进行固溶处理，时效处理。本发明工艺简单，稀土含量较低，在提高合金强度的同时保证了优良的塑性，通过调整合金成分和热处理工艺，得高强高韧耐热耐磨的镁合金，可应用于汽车航空航天军工等多领域，满足多种应用场合的需要。

Description

含硅耐热稀土镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属结构材料领域的镁合金及其制备方法，具体地说，涉及的是一种含硅耐热稀土镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前应用的最轻的金属结构材料，具有高比强度、比刚度，良好的导热、导电和电磁屏蔽性能，在汽车、电子、家电、通信、仪表以及航天航空等领域有着广阔的应用前景。尤其是能够满足汽车产业在轻量化、低能耗、高环保方面的要求，因此受到了广泛的关注。然而，普通镁合金在高温下强度低和塑性差的缺陷制约了其在发动机和动力***零件上的应用。所以提高镁合金的力学性能，包括高温强度、塑性，抗蠕变性及耐磨性等是扩大其工业应用的基础。因此，需要开发出高性能的耐热镁合金。近年来，研究发现稀土元素的加入可以很大程度地提高合金的高温性能和抗蠕变性，因此开发出一系列能够在200～250℃条件长时使用的耐热镁合金，如Mg-Y-RE系列合金WE54和WE43合金，这些合金已经获得了商业化应用。铸态WE54合金经T6处理后，室温抗拉强度为280MPa，屈服强度为172MPa，延伸率为2%；200℃时抗拉强度为240MPa，屈服强度150MPa，延伸率为7%；200℃/80MPa蠕变100h变形量为0.1%。

针对现有技术的文献检索发现，Gd和Y元素在镁合金中具有良好的固溶强化和时效强化作用，能够显著提高镁合金的性能，从而得到Mg-Gd-Y系合金。在专利文献，中国专利，其公开号为CN1804083A中记载了一种高强耐热稀土镁合金，其组分及重量百分比为：Gd2～10%，Y3～12%，Gd和Y的重量之和为13～14%，Zr0.3～0.7%和不大于0.3%的活化元素（Zn、Ag、Cu、Sr、Sr、Ca、Ti、Bi、Cd中任一种），或0.6～1.5%的Mn和不大于0.3%的活化元素（Sn，Si，Sb，Ca任一种），其余为镁。这种稀土镁合金通过析出物构成网状相结构，具有高的强度和抗蠕变力，在300℃条件下极限抗拉强度为180MPa。然而该专利中稀土成分较高且并不是最优化的，一方面带来成本的增加，另一方面高稀土含量导致塑性和其他性能稍差制约了其在动力***零件中全面需求的应用；并且，Si元素仅和Mn一起加入且很微量，不是作为专门的强化元素。结合目前专利中关于活塞应用型含Si的Mg-Al-Si及Mg-Al-Si-RE(如中国专利，其公开号为CN1796024A)和Mg-Zn-Si-RE类合金（如中国专利：申请号为200410102511，公开号为CN1886528A和公开号为CN101027420A）具有较好的耐热性能及耐磨性能，本发明旨在综合含Si和稀土元素的镁合金所具有的综合优异性能，优化合理的RE含量及后续热处理工艺，得到一种高强高韧耐热耐磨的高性能镁合金。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种含硅耐热稀土镁合金及其制备方法。通过向Mg中加入Gd，Y，Zr及少量的Si元素，并优化固溶和时效工艺参数，实现在合理的稀土元素总量下，获得优异的室温和高温强度及塑性，并且在保持合金的耐热性能的同时提高合金的耐磨性，获得综合性能优异的耐热镁合金。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明涉及一种含硅耐热稀土镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：

Gd5～10%，

Y2～8%，

Si0.3～2%，

Zr0.35～0.8%，

Gd+Y11～13%，

杂质小于0.02%，

余量为镁。

优选地，所述杂质的各成分的重量百分比为：Fe＜0.005%，Cu＜0.005%，Ni＜0.002%，Ca＜0.01%。

第二方面，本发明还涉及前述的含硅耐热稀土镁合金的制备方法，所述方法包括：原料预热、熔炼和后续热处理：

步骤1，原料预热：将原料镁锭、Mg-Si、Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Zr中间合金进行预热；

步骤2，熔炼：所述熔炼在熔剂或SF₆和CO₂混合气体保护下进行，包括如下步骤：

步骤2.1，将镁锭加热熔炼；

步骤2.2，待镁锭完全熔化后，加入Mg-Si中间合金并搅拌，再依次加入Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金，保温，加精炼剂精炼，静置，扒渣，浇包浇铸或低压铸造，得含硅耐热稀土镁合金；

步骤3，后续热处理包括如下步骤：

将所述含硅耐热稀土镁合金进行固溶处理，时效处理。

优选地，步骤1中，所述预热温度为180～220℃。

优选地，步骤2.2中，待镁液温度为660～680℃时加入Mg-Si中间合金，搅拌时间为3～5分钟；待镁液温度为730～750℃时加入Mg-Gd中间合金，待镁液温度回升至730～750℃并稳定后加入Mg-Y合金，待镁液温度为780～790℃时加入Mg-Zr中间合金，所述保温温度为780℃，保温时间为5～15min。

优选地，步骤2.2中，所述精炼时间为5～15分钟，所述静置温度为760～780℃，所述静置时间为20～30分钟，所述扒渣温度为700～720℃。

优选地，所述步骤3中，所述固溶处理的温度为480～520℃，时间为4～20h；所述时效处理的温度为200～250℃，时间为8～50h。

优选地，所述镁锭中镁的质量分数﹥99.9%，所述熔剂和精炼剂为含MgCl₂、KCl、CaF₂的镁合金熔剂。

优选地，所述SF₆和CO₂混合气体中SF₆体积百分数为0.2%。

优选地，所述精炼过程中伴随搅拌。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明合金通过添加少量Si，并将Gd和Y的含量进一步优化，使得合金具有较高的强度及良好的塑性；在保证足够强化效果的前提下，控制稀土元素总量，加入的Si形成Mg₂Si及(RE_xSi_y)硬质相，其熔点高，比刚度高,可有效提高合金的耐磨性；加入Zr通过异质形核显著细化晶粒，增强细晶强化效果并改善合金塑性；

（2）本发明结合优化固溶和时效工艺参数，增加时效析出相数量并使其细化。通过以上原理和方法，使本发明合金具有稀土含量较低，强度高，塑性好和耐热耐磨等优异特性。

（3）本发明工艺简单，稀土含量较低，在提高合金强度的同时保证了优良的塑性，并可通过调整合金成分和热处理工艺，获得不同优良性能组合的高强高韧耐热耐磨的镁合金。适合大规模生产，可应用于汽车航空航天军工等多领域，满足多种应用场合的需要。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种含硅耐热稀土镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：

9%Gd，2%Y，0.5%Si和0.35%Zr，其余为Mg和不可避免的杂质（重量百分比小于0.02%）。其中杂质元素含量为：Fe＜0.005%，Cu＜0.005%，Ni＜0.002%，Ca＜0.01%。

本实施例还涉及前述含硅耐热稀土镁合金该合金的制备方法，所述方法包括：原料预热、熔炼和后续热处理：

步骤1，原料预热：将原料镁锭、Mg-Si、Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Zr中间合金进行预热至200℃；

步骤2，熔炼：在SF₆和CO₂混合气体（SF₆体积百分数为0.2%）保护下进行，包括如下步骤：（1）加镁：在电阻坩埚炉中加入纯镁，进行熔炼；（2）加Si：待镁完全熔化后，在680℃时加入Mg-Si中间合金并搅拌5分钟；（3）加Gd和Y：升温至730℃后加入Mg-Gd中间合金，待镁液温度回升至730℃时加入Mg-Y中间合金；（4）加Zr：升高镁液温度至780℃加入Mg-Zr中间合金；（5）精炼：在780℃保温约15分钟后，不断电精炼15分钟，精炼过程需充分搅拌；（6）铸造：精炼后在760℃静置30分钟，待镁液冷却至700℃撇去浮渣，用金属型模具浇铸，浇铸用钢模具预热至250℃，之后得含硅耐热稀土镁合金；

步骤3，后续热处理：在温度为500℃条件下，进行6h固溶处理，然后在温度为250℃的条件下，进行8h时效处理即可。

实施效果：本实施例制备的含硅耐热稀土镁合金在室温抗拉强度330MPa，屈服强度210MPa，延伸率10%；200℃抗拉强度310MPa，屈服强度190MPa，延伸率16%；200℃/80MPa条件下蠕变100小时变形量为0.065%。

实施例2

本实施例涉及一种含硅耐热稀土镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：8%Gd，3%Y，1%Si和0.6%Zr，其余为Mg和不可避免的杂质（重量百分比小于0.02%），其中杂质元素含量为：Fe＜0.005%，Cu＜0.005%，Ni＜0.002%，Ca＜0.01%。

本实施例还涉及前述含硅耐热稀土镁合金该合金的制备方法，所述方法包括：所述方法包括：原料预热、熔炼和后续热处理：

步骤1，原料预热：将原料镁锭、Mg-Si、Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Zr中间合金进行预热至220℃；

步骤2，熔炼：在SF₆和CO₂混合气体（SF₆体积百分数为0.2%）保护下进行，包括如下步骤：（1）加镁：在电阻坩埚炉中加入纯镁，进行熔炼；（2）加Si：待镁完全熔化后，在660℃时加入Mg-Si中间合金并搅拌4分钟；（3）加Gd和Y：升温至740℃后加入Mg-Gd中间合金，待镁液温度回升至740℃时加入Mg-Y中间合金；（4）加Zr：升高镁液温度至790℃加入Mg-Zr中间合金；（5）精炼：在780℃保温约10分钟后，不断电精炼10分钟，精炼过程需充分搅拌；（6）铸造：精炼后在770℃静置25分钟，待镁液冷却至710℃撇去浮渣，用金属型模具浇铸，浇铸用钢模具预热至240℃，之后得含硅耐热稀土镁合金；

步骤3，后续热处理：在温度为500℃条件下，进行8h固溶处理，然后在温度为225℃条件下，进行16h时效处理，即可。

实施效果：本实施例制备的含硅耐热稀土镁合金在室温抗拉强度350MPa，屈服强度220MPa，延伸率8%；200℃抗拉强度320MPa，屈服强度205MPa，延伸率14%；200℃/80MPa条件下蠕变100小时变形量为0.052%。

实施例3

本实施例涉及一种含硅耐热稀土镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：10%Gd，3%Y，2%Si和0.5%Zr，其余为Mg和不可避免的杂质（重量百分比小于0.02%），其中杂质元素含量为：Fe＜0.005%，Cu＜0.005%，Ni＜0.002%，Ca＜0.01%。

步骤1，原料预热：将原料镁锭、Mg-Si、Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Zr中间合金进行预热至210℃；

步骤2，熔炼：在SF₆和CO₂混合气体（SF₆体积百分数为0.2%）保护下进行，包括如下步骤：（1）加镁：在电阻坩埚炉中加入纯镁，进行熔炼；（2）加Si：待镁完全熔化后，在670℃时加入Mg-Si中间合金并搅拌3分钟；（3）加Gd和Y：升温至750℃后加入Mg-Gd中间合金，待镁液温度回升至750℃时加入Mg-Y中间合金；（4）加Zr：升高镁液温度至790℃加入Mg-Zr中间合金；（5）精炼：在780℃保温约5分钟后，不断电精炼5分钟，精炼过程需充分搅拌；（6）铸造：精炼后在780℃静置20分钟，待镁液冷却至720℃撇去浮渣，用金属型模具浇铸，浇铸用钢模具预热至260℃，之后得含硅耐热稀土镁合金；

步骤3，后续热处理：在温度为490℃条件下，进行10h固溶处理，然后在温度为200℃条件下，进行50h时效处理，即可。

实施效果：本实施例制备的含硅耐热稀土镁合金在室温抗拉强度360MPa，屈服强度230MPa，延伸率6%；200℃抗拉强度340MPa，屈服强度215MPa，延伸率12%；200℃/80MPa条件下蠕变100小时变形量为0.042%。

实施例4

本实施例涉及一种含硅耐热稀土镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：5%Gd，8%Y，1.5%Si和0.4%Zr，其余为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素含量为：Fe＜0.005%，Cu＜0.005%，Ni＜0.002%，Ca＜0.01%。

步骤1，原料预热：将原料镁锭、Mg-Si、Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Zr中间合金进行预热至180℃；

步骤2，熔炼：在SF₆和CO₂混合气体（SF₆体积百分数为0.2%）保护下进行，包括如下步骤：（1）加镁：在电阻坩埚炉中加入纯镁，进行熔炼；（2）加Si：待镁完全熔化后，在670℃时加入Mg-Si中间合金并搅拌4分钟；（3）加Gd和Y：升温至730℃后加入Mg-Gd中间合金，待镁液温度回升至730℃时加入Mg-Y中间合金；（4）加Zr：升高镁液温度至785℃加入Mg-Zr中间合金；（5）精炼：在780℃保温约10分钟后，不断电精炼10分钟，精炼过程需充分搅拌；（6）铸造：精炼后在760℃静置25分钟，待镁液冷却至700℃撇去浮渣，用金属型模具浇铸，浇铸用钢模具预热至250℃，之后得含硅耐热稀土镁合金；

步骤3，后续热处理：在温度为480℃条件下，进行20h固溶处理，然后在温度为200℃条件下，进行50h时效处理后，即可。

实施效果：本实施例制备的含硅耐热稀土镁合金在室温抗拉强度320MPa，屈服强度215MPa，延伸率7%；200℃抗拉强度295MPa，屈服强度205MPa，延伸率15%；200℃/80MPa条件下蠕变100小时变形量为0.067%。

实施例5

本实施例涉及一种含硅耐热稀土镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：6%Gd，6%Y，0.3%Si和0.8%Zr，其余为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素含量为：Fe＜0.005%，Cu＜0.005%，Ni＜0.002%，Ca＜0.01%。

步骤2，熔炼：在含MgCl₂、KCl、CaF₂的镁合金熔剂保护下进行，包括如下步骤：

（1）加镁：在电阻坩埚炉中加入纯镁，进行熔炼；（2）加Si：待镁完全熔化后，在680℃时加入Mg-Si中间合金并搅拌5分钟；（3）加Gd和Y：升温至740℃后加入Mg-Gd中间合金，待镁液温度回升至740℃时加入Mg-Y中间合金；（4）加Zr：升高镁液温度至790℃加入Mg-Zr中间合金；（5）精炼：在780℃保温约10分钟后，不断电精炼10分钟，精炼过程需充分搅拌；（6）铸造：精炼后在770℃静置25分钟，待镁液冷却至710℃撇去浮渣，用金属型模具浇铸，浇铸用钢模具预热至240℃，之后得含硅耐热稀土镁合金；

步骤3，后续热处理：在温度为520℃条件下，进行4h固溶处理，然后在温度为200℃条件下，进行48h时效处理，即可。

实施效果：本实施例制备的含硅耐热稀土镁合金在室温抗拉强度310MPa，屈服强度210MPa，延伸率8%；200℃抗拉强度290MPa，屈服强度200MPa，延伸率14%；200℃/80MPa条件下蠕变100小时变形量为0.07%。

综上所述，本发明实现在合理的稀土元素总量下，获得优异的室温和高温强度及塑性，并且在保持合金的耐热性能的同时提高合金的耐磨性，获得综合性能优异的耐热镁合金。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims

1.一种含硅耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括：原料预热、熔炼和后续热处理：

步骤2.1，将镁锭加热熔炼；

步骤3，后续热处理：包括如下步骤：

将所述含硅耐热稀土镁合金进行固溶处理，时效处理；

其中，步骤1中，所述预热温度为180～220℃；

步骤3中，所述固溶处理的温度为480～520℃，时间为4～20h；所述时效处理的温度为200～250℃，时间为8～50h；

所述含硅耐热稀土镁合金包含如下重量百分比的各组分：

Gd5～10％，

Y2～8％，

Si0.3～2％，

Zr0.35～0.8％，

其中，Gd与Y的含量之和为11～13％，

杂质小于0.02％，

余量为镁。

2.如权利要求1所述的含硅耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述杂质的各成分及其重量百分比为：Fe＜0.005％，Cu＜0.005％，Ni＜0.002％，Ca＜0.01％。

3.如权利要求1所述的含硅耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，步骤2.2中，待镁液温度为660～680℃时加入Mg-Si中间合金，搅拌时间为3～5分钟；待镁液温度为730～750℃时加入Mg-Gd中间合金，待镁液温度回升至730～750℃稳定后加入Mg-Y合金，待镁液温度为780～790℃时加入Mg-Zr中间合金，所述保温温度为780℃，保温时间为5～15min。

4.如权利要求1所述的含硅耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，步骤2.2中，所述精炼时间为5～15分钟，所述静置温度为760～780℃，所述静置时间为20～30分钟，所述扒渣温度为700～720℃。

5.如权利要求1所述的含硅耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述镁锭中镁的质量分数＞99.9％，所述熔剂和精炼剂为含MgCl₂、KCl、CaF₂的镁合金熔剂。

6.如权利要求1所述的含硅耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述SF₆和CO₂混合气体中SF₆体积百分数为0.2％。

7.如权利要求1所述的含硅耐热稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述精炼过程中伴随搅拌。