CN104294132A

CN104294132A - 一种高强抗蠕变镁合金

Info

Publication number: CN104294132A
Application number: CN201410251345.4A
Authority: CN
Inventors: 张清; 李全安; 陈君; 付三玲; 朱宏喜; 张兴渊
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-01-21

Abstract

本发明公开了一种高强抗蠕变镁合金，该镁合金由以下质量百分比的组分组成：4.0％～5.0％Y，1.5％～2.5％Sm，0.2％～0.5％Sb，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明的高强抗蠕变镁合金，合金组分为Mg-Y-Sm-Sb，具有较高的高温强度和优异的高温抗蠕变性能，300℃时抗拉强度不低于180MPa，在300℃/50MPa条件下的稳态蠕变速率不大于4.0×10^-8s^-1，保证了镁合金在高温条件下工作的安全可靠性；同时，合金元素种类少，尤其是稀土元素种类少，含量低，大大降低了镁合金的熔炼和铸造难度，合金质量得到很好的控制，生产成本低，在航空航天、汽车工业等方面有着广阔的应用前景。

Description

一种高强抗蠕变镁合金

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强抗蠕变镁合金。

背景技术

镁及镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料，在许多应用领域都具有十分显著的优势，特别是在汽车工业、航空航天等方面具有不可替代的优势。但是，普通镁合金的高温强度和抗蠕变性能不佳，严重阻碍其在汽车工业、航空航天等领域的应用。因此，提高镁合金的高温强度和抗蠕变性能，已成为发展镁合金材料的重要课题。

现有的高强抗蠕变镁合金研究主要从限制位错运动和强化晶界入手，通过适当的合金化，引入热稳定性高的第二相、降低元素在镁基体中的扩散速率或者改善晶界结构状态和组织形态等手段，来实现提高镁合金高温强度和抗蠕变性能的目的。目前，在所有合金元素中，稀土(RE)是提高镁合金高温性能最有效的合金元素。大部分稀土元素在镁中具有较高的固溶度极限，而且随温度下降，固溶度急剧减少，从而在随后的时效过程中析出弥散的、高熔点的稀土化合物相；稀土元素还可以细化晶粒、提高室温强度，分布在晶内和晶界(主要是晶界)的弥散的、高熔点稀土化合物，在高温时仍能对晶内位错运动和晶界滑移起到钉扎作用，从而提高镁合金的高温强度和抗蠕变性能；同时，稀土元素在镁基体中的扩散速率较慢，这使得Mg-RE合金适于在较高温度环境下长期工作。Mg-RE系(如Mg-Y-RE系)合金是重要的高强抗蠕变镁合金系，当前在200～300℃下长期工作的镁合金均为Mg-RE系合金，Mg-RE系成为发展高强抗蠕变镁合金的一个重要合金系。

但是，目前市场上所存在的稀土镁合金，往往不能同时兼顾较高的高温强度和优异的高温抗蠕变性能，还不能完全满足航空航天、汽车工业等领域在较高的温度特别是在300℃使用时对高温强度和抗蠕变性能的要求；同时，还存在合金元素(尤其是稀土元素)种类多、含量高，造成熔炼和铸造难度较大，合金质量不好控制，生产成本高等问题，限制了高强抗蠕变镁合金的发展和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强抗蠕变镁合金，解决现有镁合金不能同时兼顾较高的高温强度和优异的高温抗蠕变性能的问题。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种高强抗蠕变镁合金，由以下质量百分比的组分组成：4.0％～5.0％Y，1.5％～2.5％Sm，0.2％～0.5％Sb，余量为Mg和不可避免的杂质。

杂质元素Si、Fe、Cu、Ni的总质量百分比小于0.2％。

所述Y、Sm的质量百分比之和为6.0％～7.0％。

本发明的高强抗蠕变镁合金是由镁、锑和中间合金Mg-Y、Mg-Sm为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理而成。

按上述成分配制合金，其熔铸工艺为：采用刚玉坩埚、中频感应炉，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，待镁液升温至750℃时，浇铸到钢制模具中，得到Mg-Y-Sm-Sb铸态合金，随后进行热处理：525℃固溶处理8小时，225℃时效处理16小时，即得所述高强抗蠕变镁合金。

本发明的高强抗蠕变镁合金，合金组分为Mg-Y-Sm-Sb。本发明采用Y为第一组分，Y在Mg固溶体中的最大固溶度为12wt％，为保证合金得到良好的固溶强化和时效析出强化效果，Y的加入量不低于4wt％，同时为了避免合金密度增加太多，以及合金过分脆化，因此本发明的Y加入量不高于5wt％；采用轻稀土Sm与重稀土Y组合使用，Sm可以降低Y在Mg中的固溶度，从而增加Y的时效析出强化效应；Sm在Mg中的最大固溶度为5.7wt％，为了保证强化效果而又尽量降低稀土总含量，因此本发明的Sm加入量均不高于2.5wt％；加入少量的Sb，可以在基体中析出热稳定性高的Mg₃Sb₂，在高温下有效地强化基体，抑制高温下晶界的滑移，但Sb过量会影响铸造性能和力学性能，因此本发明的Sb加入量不高于0.5wt％；综合利用稀土元素Y、Sm和其他元素Sb的强化作用，进一步提高合金的高温强度和抗蠕变性能。

本发明的高强抗蠕变镁合金，合金组分为Mg-Y-Sm-Sb，具有较高的高温强度和优异的高温抗蠕变性能，300℃时抗拉强度不低于180MPa，在300℃/50MPa条件下的稳态蠕变速率不大于4.0×10^-8s^-1；而商用镁合金WE43在300℃时抗拉强度为160MPa，在300℃/50MPa条件下的稳态蠕变速率为1.1×10^-7s^-1，与商用镁合金WE43相比，本发明的高强抗蠕变镁合金的高温强度更高，高温下的稳态蠕变速率更低，保证了镁合金在高温条件下工作时的安全可靠性；同时，合金元素种类少，尤其是稀土元素种类少，含量低，大大降低了镁合金的熔炼和铸造难度，合金质量得到很好的控制，生产成本低，在航空航天、汽车工业等方面有着广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式中涉及到的原料镁(Mg)、锑(Sb)和中间合金Mg-Y、Mg-Sm均为市售产品；所述原料的纯度为99.8％的Mg，99.5％的Sb，99.8％的Mg-25％Y和Mg-25％Sm。

实施例1

本实施例的高强抗蠕变镁合金，由以下质量百分比的组分组成：4.0％Y，2.5％Sm，0.3％Sb，杂质元素Si、Fe、Cu、Ni的总质量百分比小于0.2％，余量为Mg。所述Y、Sm的质量百分比之和为6.5％。

本实施例的高强抗蠕变镁合金是由镁、锑和中间合金Mg-Y、Mg-Sm为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理而成，具体为：

按上述成分配制合金，其熔铸工艺为：采用刚玉坩埚、中频感应炉，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，待镁液升温至750℃时，浇铸到钢制模具中，得到Mg-4.0Y-2.5Sm-0.3Sb铸态合金，随后进行热处理：525℃固溶处理8小时，225℃时效处理16小时，即得所述高强抗蠕变镁合金。

将所得高强抗蠕变镁合金进行拉伸和蠕变试验，拉伸试验方法为：按照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》加工标准拉伸试样，在岛津AG-I250kN电子拉伸试验机上进行拉伸，试验温度为300℃，拉伸速率为1mm/min；蠕变试验方法为：按照国家标准GB/T2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》加工标准蠕变试样，在RC-1130型蠕变试验机上进行蠕变试验，蠕变温度为300℃，蠕变应力为50MPa，蠕变时间为100小时。

本实施例所得高强抗蠕变镁合金，300℃时抗拉强度为190MPa，在300℃/50MPa条件下的稳态蠕变速率为3.2×10^-8s^-1。

实施例2

本实施例的高强抗蠕变镁合金，由以下质量百分比的组分组成：4.5％Y，1.5％Sm，0.5％Sb，杂质元素Si、Fe、Cu、Ni的总质量百分比小于0.2％，余量为Mg。所述Y、Sm的质量百分比之和为6.0％。

本实施例的高强抗蠕变镁合金是由镁、锑和中间合金Mg-Y、Mg-Sm为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理而成。具体熔铸方法、热处理工艺和拉伸、蠕变试验方法同实施例1。

本实施例所得高强抗蠕变镁合金，300℃时抗拉强度为180MPa，在300℃/50MPa条件下的稳态蠕变速率为4.0×10^-8s^-1。

实施例3

本实施例的高强抗蠕变镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5.0％Y，2.0％Sm，0.2％Sb，杂质元素Si、Fe、Cu、Ni的总质量百分比小于0.2％，余量为Mg。所述Y、Sm的质量百分比之和为7.0％。

本实施例的高强抗蠕变镁合金，300℃时抗拉强度为194MPa，在300℃/50MPa条件下的稳态蠕变速率为2.9×10^-8s^-1。

Claims

1.一种高强抗蠕变镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：4.0％～5.0％Y，1.5％～2.5％Sm，0.2％～0.5％Sb，余量为Mg和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强抗蠕变镁合金，其特征在于：所述Y、Sm的质量百分比之和为6.0％～7.0％。