CN104195397B

CN104195397B - 一种高强耐热变形镁合金及其制造方法

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Publication number: CN104195397B
Application number: CN201410455627.6A
Authority: CN
Inventors: 李华伦; 樊世波; 王泽晓
Original assignee: Shanxi Yinguang Huasheng Magnesium Co Ltd
Current assignee: Shanxi Yinguang Huasheng Magnesium Co Ltd
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: CN104195397A

Abstract

本发明涉及变形镁合金，它的化学成分以质量百分比计为：4.5～6.5％Gd，1.5～3.5％Ymm，1.5～2.5％Zn，0.3～0.5%Zr，余量为Mg。制备时，先加入炉料中的全部纯镁锭、纯锌锭，待其全部熔化并升温至730～750℃精炼，在坩埚内液面撒5号熔剂，搅拌后静置；当合金液继续升温至780～800℃时，分批加入预热后的Mg‑Zr中间合金、Mg‑Gd中间合金、Mg‑Ymm中间合金，再搅拌、静置；降温后浇注成热变形加工用的铸坯；铸坯经固溶后再加热至350‑450℃后，进行热塑性成形加工。本发明所述的镁合金具有良好强韧性的力学性能和变形加工性能，并具备较好的耐热性能。

Description

一种高强耐热变形镁合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及镁合金及其制造技术，尤其涉及一种高强耐热变形镁合金及其制造方法。

背景技术

汽车、航空航天、轨道交通、建筑、军工等高端结构面临减轻结构重量的巨大压力。铝合金已难于进一步大幅度的减重；成层材料、纤维增强复合材料等的高低温性能不佳、不导电、损伤容限性能低、成本高，只适于制造部分的原型结构。普通镁合金也很难满足高端结构需要，普通镁合金室温强度偏低、高温强度和抗蠕变性能也较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高强耐热变形镁合金及其制备方法。

本发明所述的一种变形镁合金，它的化学成分以质量百分比计为：4.5～6.5％Gd，1.5～3.5％Ymm，1.5～2.5％Zn，0.3～0.5%Zr，余量为Mg。

Y和Gd在镁固溶体中具有较高固溶度，且其固溶度随温度的降低而呈指数关系显著减小，这意味着Mg-Gd-Y系合金系可以通过热处理获得沉淀强化效果。在Mg-Gd-Y的基础上进一步多元合金化，可获得优良的高温强度、抗蠕变性能及耐热性能以及良好的塑性和耐腐蚀性。在稀土-镁合金系中加入微量的Zn可以提高合金的固溶强化和析出强化效果，从而进一步改善合金的性能。

镁合金熔炼配料需要将稀土元素烧损考虑进去，并在熔炼时降低烧损，降低杂质元素污染，加强合金液净化操作。稀土镁合金对杂质的敏感性比常规镁合金更高，稀土与杂质发生反应生成高密度化合物并沉淀，虽然能使材料纯净化，但造成稀土元素急剧损耗。对原材料的有害杂质元素适当限制，使用杂质元素含量低的原材料。本发明所述的变形镁合金中杂质元素总量≤0．2％，杂质中：Si≤0．05％、Fe≤0．004％、Cu≤0．01％、Ni≤0．00２％。

作为一种优选的技术方案，本发明所述的变形镁合金的化学成分以质量百分比计为： 88.6％Mg，6％Gd，3％Ymm，2％Zn，0.4%Zr。

本发明所述的变形镁合金的制造方法，包括：

步骤一，先将镁合金熔化炉加热到400～500℃，加入炉料中的全部纯镁锭、纯锌锭，待其全部熔化并升温至730～750℃精炼，为了预防升温过程镁合金的氧化、燃烧和吸收潮气，在坩埚内液面撒占炉料质量为0.5-1.0%的5号熔剂，5号熔剂的成分为

20-35%MgCl₂,16-29%KCl,8-12%BaCl₂,14-23%MgF₂,14-23%CaF₂，并上下搅拌5～8分钟后静置5～10分钟。所述的炉料是指纯镁锭、纯锌锭和Mg-Zr中间合金、Mg-Gd中间合金，Mg-Ymm中间合金，纯镁锭、纯锌锭是指炉料中除以中间合金形态的镁外全部纯金属锭，其占总合金质量百分比不固定，这与步骤二中采用的中间合金成分有关。采用含一定量的铬元素的钢板焊接坩埚，熔炼工艺规定先将纯镁锭精炼后，升温较高的温度后再分批搅拌加入锆及稀土元素的中间合金，以较快的熔化速尽量缩短熔化时间。

步骤二，当合金液继续升温至780～800℃时，清除表面浮渣，用预热的钟罩分批将预热至250～300℃的Mg-Zr中间合金、Mg-Gd中间合金，Mg-Ymm中间合金用熔炼工具压入坩埚中合金液并沿水平方向移动钟罩，使之全部溶解后，再搅拌1～2分钟后静置。高温加中间合金能避免大密度元素或其化合物的沉淀损耗。

步骤三，静置期间将合金液的温度逐步降低到710-730℃后，用合金液泵通过管道输送到半连铸机的结晶器内，浇注成热变形加工用的铸坯。

可以采用铸铁模浇注或电磁半连铸获得更高质量的铸坯铸造组织是由树枝状晶、晶界共晶和晶内分布的析出物呈孤岛状。基体相为溶有Gd、Y、Nd、Zn等的α-Mg相，晶界和晶内分布的析出物为Mg5(Gd,Y)和 Mg24(Y,Gd)5或更复杂的化合物等。在基体中均匀分布有凝固过程析出0.3-2微米的高熔点稀土化合物颗粒。这类颗粒一般熔点较高具有良好的热力学稳定性所以在合金凝固过程中不溶于镁基体。在高温弥散相能阻止位错的移动保持了合金的高温强度。晶界网状共晶相使铸造性能明显改善，特别是在Mg-Gd-Y系极易出现的铸锭开裂缺陷消失，铸坯料良品率显著提高。

步骤四，将铸坯在400-460℃、保温8-12小时后取出，空冷至室温，固溶处理的铸坯再加热至350-450℃后实施热塑性成形加工。也可以在取出后进行多道次热轧，制造镁合金板材。

均匀化或固溶处理工艺主要保障坯料成分均匀化和更易于实施热塑性成形加工。固溶处理宜先较低温度保温，以利于共晶先行溶解，尤其是避免发生过烧，然后升温到高温段加热保温，确保合金成分均匀化，并使铸造偏析和铸造过剩相全部溶解，高熔点相颗粒适当粗化和球化，为热塑性成形性并获得细小均匀的动态再结晶组织创造条件。热处理工艺还需要促进颗粒相形成尺寸略大于0.75微米、间距约为2-10微米。硬质点在热变形时能随软性且连续a-基体“流动，既不影响热变形的塑性，同时促进位错繁殖和促进动态再结晶，并阻止晶粒再结晶长大。在随后的时效过程，促进时效峰的出现。特别是本发明的高温过饱和析出相包含一定量的的准晶相，准晶与基体变形时协调能力强，不会在相界面开裂，既可提高强度、又有好的塑性，尤其是对组织的高温稳定性有利，有助于高温蠕变性能改善。越大和越薄制品一般选择较高的温度。

作为优选的技术方案，熔化炉加热到450℃，分别加入全部的纯镁锭和纯锌锭，并在上面撒0.8%的5号熔剂，升温至750℃后，用5号熔剂搅拌精炼6分钟、静置8分钟并升温至790℃，搅拌加入预热至300℃，分批加入Mg-30%Zr中间合金、Mg-40%Gd中间合金，Mg-30%Ymm中间合金后，镁合金液静置并降温到720℃，用半连铸机浇注成热变形加工用的铸坯。

本发明所述的方法中，利用Ymm富钇混合稀土使稀土元素多元化，以降低稀土元素的使用量，在保持其有良好的室温强度和高温强度的同时，使热塑性变形工艺性能得到改善，采用多种工艺制造热强性能好的镁合金制品。

通过上述步骤制造的镁合金通过一定的工艺过程配比适当的比例的镁、钆、富Y混合稀土、锌、及锆元素，并且经过精炼和铸造，从而得到具有良好强韧性的力学性能和变形加工性能，并具备较好的耐热性能。

具体实施方式

本发明所述的Ymm代表富钇混合稀土，各家生产商的产品成分略有差别，本发明以下实施例中选用的Ymm的成分为:26.20%Y，16.89%Nd，15.30%Gd，14.56%Dy，10.54%La，余量为Ce、Pr、Ho、Er等稀土元素。

实施例1：

镁合金1包含下列组分的元素

将镁合金熔化炉加热到500℃，加入纯镁锭、纯锌锭，待熔化后并升温至750℃时，在炉料上一层撒占炉料质量1.0%的镁合金5号熔剂，上下搅拌，精炼8分钟后静置10分钟。继续升温至800℃时，清除表面浮渣，用钟罩分批将预热至300℃的Mg-30%Zr、Mg-30%Gd、Mg-30%Ymm中间合金用熔炼工具压入坩埚中合金液并沿水平方向移动钟罩，使之全部溶解，再搅拌2分钟，静置并降温到720℃后，人工浇注成铸坯。将铸坯均匀化热处理，工艺参数为加热至460℃、保温8小时后取出空冷至室温。热塑性变形工艺参数为：加热至450℃，锻模预热到400℃，油压机上的热模锻阳模下压速度为50mm/分钟。某筒形锻件的力学性能如下：

实施例2：

镁合金2包含下列组分的元素

将镁合金熔化炉加热到450℃，加入纯镁锭、纯锌锭，待熔化后并升温至740℃时，在炉料上一层撒占炉料质量0.8%的镁合金5号熔剂，上下搅拌，精炼6分钟后静置8分钟。继续升温至790℃时，清除表面浮渣，用钟罩分批将预热至300℃的Mg-30%Zr、Mg-30%Gd、Mg-30%Ymm中间合金用熔炼工具压入坩埚中合金液并沿水平方向移动钟罩，使之全部溶解，再搅拌2分钟，静置并降温到720℃后，浇注成铸坯。将铸坯均匀化热处理，工艺参数为加热至440℃、保温10小时后取出空冷至室温。热轧工艺参数为：加热至440℃，在380℃热挤压成形加工。

热轧板力学性能如下：

实施例3：

镁合金3包含下列组分的元素

将镁合金熔化炉加热到500℃，加入纯镁锭、纯锌锭，待熔化后并升温至730℃时，在炉料上一层撒占炉料质量0.5%的镁合金5号熔剂，上下搅拌，精炼8分钟后静置6分钟。继续升温至780℃时，清除表面浮渣，用钟罩分批将预热至300℃的Mg-30%Zr、Mg-30%Gd、Mg-30%Ymm中间合金用熔炼工具压入坩埚中合金液并沿水平方向移动钟罩，使之全部溶解，再搅拌2分钟，静置并降温到710℃后，浇注成铸坯。将铸坯均匀化热处理，工艺参数为加热至460℃、保温12小时后取出空冷至室温。热轧工艺参数为：铸坯加热至450℃，多道次成2毫米厚度的板材。

挤压态（R）棒材的力学性能如下：

实施例4：

镁合金4包含下列组分的元素

将镁合金熔化炉加热到400℃，加入纯镁锭、纯锌锭，待熔化后并升温至740℃时，在炉料上一层撒占炉料质量1.0%的镁合金5号熔剂，上下搅拌，精炼5分钟后静置5分钟。继续升温至780℃时，清除表面浮渣，用钟罩分批将预热至250℃的Mg-30%Zr、Mg-30%Gd、Mg-30%Ymm中间合金用熔炼工具压入坩埚中合金液并沿水平方向移动钟罩，使之全部溶解，再搅拌1分钟，静置并降温到730℃后，浇注成铸坯。将铸坯均匀化热处理，工艺参数为加热至400℃、保温12小时后取出空冷至室温。热轧工艺参数为：铸坯加热至350℃，多道次成2毫米厚度的板材。

Claims

1.一种变形镁合金的制备方法，其特征在于：所述变形镁合金的化学成分以质量百分比计为：4.5～6.5％Gd，1.5～3.5％Ymm，1.5～2.5％Zn，0.3～0.5%Zr，余量为Mg；

步骤包括：步骤一，先将镁合金熔化炉加热到400～500℃，加入炉料中的全部纯镁锭、纯锌锭，待其全部熔化并升温至730～750℃精炼，在坩埚内液面撒占炉料质量为0.5-1.0%的5号熔剂，并上下搅拌5～8分钟后静置5～10分钟；

步骤二，当合金液继续升温至780～800℃时，用预热的钟罩分批将预热至250～300℃的Mg-Zr中间合金、Mg-Gd中间合金、Mg-Ymm中间合金用熔炼工具压入坩埚中合金液并沿水平方向移动钟罩，使之全部溶解后，再搅拌1～2分钟后静置；

步骤三，静置期间将合金液的温度逐步降低到710-730℃后，用合金液泵通过管道输送到半连铸机的结晶器内，浇注成热变形加工用的铸坯；

步骤四，将铸坯在400-460℃、保温8-12小时后取出，空冷至室温，固溶处理的铸坯再加热至350-450℃后，进行热塑性成形加工。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：变形镁合金的化学成分以质量百分比计为： 88.6％Mg，6％Gd，3％Ymm，2％Zn，0.4%Zr。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：熔化炉加热到450℃，分别加入全部的纯镁锭和纯锌锭，待其全部熔化并升温至740℃，在坩埚内液面撒占炉料质量为0.8%的5号熔剂，上下搅拌精炼6分钟后静置8分钟；继续升温至790℃，用预热的钟罩分批加入预热至300℃的Mg-30%Zr中间合金、Mg-40%Gd中间合金、Mg-30%Ymm中间合金后，镁合金液静置并降温到720℃，用半连铸机浇注成热变形加工用的铸坯。