CN106498252A - 一种高强度镁‑钕‑锌‑锆‑锂合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域,涉及一种高强度镁‑钕‑锌‑锆‑锂合金及其制备方法。该合金包含以重量百分比计的下列组分:2~4wt%的Nd,0.2~1wt%的Zn,0.2~0.8wt%的Zr,0.5~1.5wt%的Li,余量为Mg以及杂质元素Si、Fe、Cu和Ni,并且杂质元素的总量小于0.02wt%。该合金通过包括下列步骤的方法制备:1)烘料;2)加料;3)铸造;4)热处理。通过向镁‑钕‑锌‑锆合金中加入一定质量的锂元素,促进了时效过程中强化相的析出,缩短了时效处理所需时间或降低了时效处理温度,提高了该高强度镁‑钕‑锌‑锆‑锂合金的性能,并降低了合金的密度。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域,涉及一种镁合金及其制备方法,尤其涉及一种高强度镁-钕-锌-锆-锂合金及其制备方法。
背景技术
镁(Mg)合金具有密度低、来源广泛、比强度和比刚度高等优点,被誉为“21世纪的绿色工程材料”,在航空航天、汽车、轨道交通、电子行业等对轻量化要求较高的领域具有广泛的应用前景。目前,限制镁合金应用的一大难题在于强度偏低,难以满足工程应用的要求。因此,开发新型高强度镁合金具有非常重要的价值。
稀土元素是镁合金中常用的合金元素,通过向镁合金中加入一定量的稀土元素,并结合进一步的固溶、时效等热处理工艺,能够显著提高镁合金的强度。镁-钕-锌-锆合金是一类具有较高强度的镁合金材料,铸态材料经热处理后,依靠沉淀强化获得较高的力学性能。我国的ZM6合金即为以镁-钕二元合金为基础开发出来的一种商业合金。丁文江等人的发明专利《含稀土高强度铸造镁合金及其制备方法》(ZL200510030457.8)公开了在ZM6合金的基础上,进一步优化合金成分,以钕(Nd)、锌(Zn)和锆(Zr)为主要合金元素,配合适宜的热处理工艺,获得了一种含稀土高强度铸造镁合金。该合金的热处理工艺为固溶+时效,200℃下时效时间长达12~20小时。过长的时效时间对能耗、设备和生产效率等均产生不利影响。
锂(Li)元素会与镁元素形成置换固溶体。当少量锂元素固溶于镁合金中时,由于锂原子的原子半径较小,对第二相沉淀析出的阻力较小,能够显著降低所需的时效时间。因此,向镁-钕-锌-锆合金中加入一定量的锂,能够促进时效过程中强化相的析出,缩短时效处理所需时间或降低时效处理温度,获得一种新型高强度镁-钕-锌-锆-锂镁合金。与此同时,由于锂的密度仅为0.53g/cm3,因此锂的加入还能够进一步降低镁合金的密度。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明的目的在于提供一种高强度镁-钕-锌-锆-锂合金及其制备方法。通过向镁-钕-锌-锆合金中加入一定质量的锂元素,促进了时效过程中强化相的析出,缩短了时效处理所需时间或降低了时效处理温度,提高了合金性能,并降低了合金密度。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种高强度镁-钕-锌-锆-锂合金,其包含以重量百分比计的下列组分:2~4wt%的Nd,0.2~1wt%的Zn,0.2~0.8wt%的Zr,0.5~1.5wt%的Li,余量为Mg以及杂质元素Si、Fe、Cu和Ni,并且杂质元素的总量小于0.02wt%。
一种高强度镁-钕-锌-锆-锂合金的制备方法,其分为熔炼工艺和热处理工艺两个阶段。具体而言,该制备方法包括以下步骤:
1)烘料:按照配方量分别称取镁、镁-钕中间合金、锌、镁-锆中间合金和锂,然后分别将上述原料于180~250℃烘干3小时以上;
2)加料:将烘干后的镁加热熔化,得到镁液;将镁液继续加热至700~740℃并保持温度恒定,向其中加入镁-钕中间合金;当镁-钕中间合金完全熔化后熔体温度回升至700~740℃时,加入锌;当锌完全熔化后熔体温度回升至700~740℃时,加入镁-锆中间合金;当镁-锆中间合金完全熔化后熔体温度下降至670~680℃时,采用不锈钢钟罩将预先采用不锈钢丝网包覆的锂压入熔体中,待锂完全溶解后取出钟罩和丝网;
3)铸造:继续加热熔体,当熔体温度升至730~750℃时,保温10~20分钟,去除表面浮渣并浇铸合金锭;
4)热处理:将合金锭于525~540℃进行固溶处理4~12小时,水淬后于150℃进行时效处理8~12小时或于200℃进行时效处理4~6小时,即可得到高强度镁-钕-锌-锆-锂合金。
在上述制备方法中,步骤1)中所述镁-钕中间合金为Mg-Nd25合金,其中钕元素的重量占总重量的25%。
在上述制备方法中,步骤1)中所述镁-锆中间合金为Mg-Zr30合金,其中锆元素的重量占总重量的30%。
在上述制备方法中,步骤2)中所述加热熔化采用坩埚电阻炉来完成。
在上述制备方法中,步骤3)中所述浇铸采用钢制模具来完成,优选预先加热的钢制模具,更优选预先加热至180~250℃的钢制模具。
在上述制备方法中,步骤1)、步骤2)和步骤3)均在六氟化硫(SF6)/二氧化碳(CO2)混合气体保护条件下进行。
与现有技术相比,采用上述技术方案的本发明具有下列优点:
(1)本发明通过向镁-钕-锌-锆合金中添加锂元素,促进了时效过程中强化相的析出,提高了合金性能;
(2)本发明通过向镁-钕-锌-锆合金中添加锂元素,缩短了时效处理所需时间或降低了时效处理的温度;
(3)本发明通过向镁-钕-锌-锆合金中添加锂元素,降低了合金的密度;
(4)本发明的加工工艺操作简单、方便,易于工业化生产。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。除非另有说明,下列实施例中所使用的仪器、材料、试剂等均可通过常规商业手段获得。
实施例1:高强度镁-钕-锌-锆-锂合金的制备。
本实施例的高强度镁-钕-锌-锆-锂合金包含以重量百分比计的下列组分:97.09wt%的Mg,2wt%的Nd,0.2wt%的Zn,0.2wt%的Zr,0.5wt%的Li,总量为0.01wt%的杂质元素Si、Fe、Cu和Ni(wt%是指各组分的重量占目标合金总重量的百分比,该总重量为Mg、Li、Al和各种中间合金的重量总和)。
该高强度镁-钕-锌-锆-锂合金的制备方法如下:
熔炼工艺:整个熔炼工艺在SF6/CO2混合气体保护条件下进行。按照配方量分别称取纯Mg、Mg-Nd中间合金(Mg-25wt%Nd合金,又称Mg-Nd25合金或Mg-25Nd合金,即Nd的重量占Mg-25wt%Nd合金总重量的25%,该中间合金的称取量可以根据Mg-Nd中间合金中Nd的重量百分比和目标合金的总重量来确定,以便使Nd在目标合金总重量中占2%)、纯Zn、Mg-Zr中间合金(Mg-30wt%Zr合金,又称Mg-Zr30合金或Mg-30Zr合金,即Zr的重量占Mg-30wt%Zr合金总重量的30%,该中间合金的称取量可以根据Mg-Zr中间合金中Zr的重量百分比和目标合金的总重量来确定,以便使Zr在目标合金总重量中占0.2%)和Li棒,然后分别将上述原料于180℃烘干3小时以上。将烘干后的纯Mg放入具有SF6/CO2混合气体保护的坩埚电阻炉中加热熔化,得到镁液。继续加热镁液,当镁液温度达到700℃时保持温度恒定,向镁液中直接加入Mg-Nd中间合金。当Mg-Nd中间合金完全熔化后熔体温度回升至700℃时,加入纯Zn。当纯Zn完全熔化后熔体温度回升至700℃时,加入Mg-Zr中间合金。当Mg-Zr中间合金完全熔化后熔体温度下降至670℃时,采用不锈钢钟罩将预先采用不锈钢丝网包覆的Li棒压入熔体中,待Li棒完全熔化后取出钟罩和丝网。继续加热熔体,当熔体温度升至750℃时,保温10分钟,去除表面浮渣并浇铸合金锭,浇铸所用的钢制模具需要预先加热至180℃。
热处理工艺:将合金锭在525℃下进行固溶处理8小时,水淬后在150℃条件下进行时效处理8小时,即可得到本实施例的高强度镁-钕-锌-锆-锂合金。
经检测,该高强度镁-钕-锌-锆-锂合金T6态的室温力学性能如下:屈服强度为189MPa,抗拉强度为265MPa,延伸率为7.8%。
实施例2:高强度镁-钕-锌-锆-锂合金的制备。
本实施例的高强度镁-钕-锌-锆-锂合金包含以重量百分比计的下列组分:94.885wt%的Mg,3wt%的Nd,0.6wt%的Zn,0.5wt%的Zr,1wt%的Li,总量为0.015wt%的杂质元素Si、Fe、Cu和Ni(wt%是指各组分的重量占目标合金总重量的百分比,该总重量为Mg、Li、Al和各种中间合金的重量总和)。
该高强度镁-钕-锌-锆-锂合金的制备方法如下:
熔炼工艺:整个熔炼工艺在SF6/CO2混合气体保护条件下进行。按照配方量分别称取纯Mg、Mg-Nd中间合金(Mg-25wt%Nd合金,又称Mg-Nd25合金或Mg-25Nd合金,即Nd的重量占Mg-25wt%Nd合金总重量的25%,该中间合金的称取量可以根据Mg-Nd中间合金中Nd的重量百分比和目标合金的总重量来确定,以便使Nd在目标合金总重量中占3%)、纯Zn、Mg-Zr中间合金(Mg-30wt%Zr合金,又称Mg-Zr30合金或Mg-30Zr合金,即Zr的重量占Mg-30wt%Zr合金总重量的30%,该中间合金的称取量可以根据Mg-Zr中间合金中Zr的重量百分比和目标合金的总重量来确定,以便使Zr在目标合金总重量中占0.5%)和Li棒,然后分别将上述原料于200℃烘干3小时以上。将烘干后的纯Mg放入具有SF6/CO2混合气体保护的坩埚电阻炉中加热熔化,得到镁液。继续加热镁液,当镁液温度达到720℃时保持温度恒定,向镁液中直接加入Mg-Nd中间合金。当Mg-Nd中间合金完全熔化后熔体温度回升至720℃时,加入纯Zn。当纯Zn完全熔化后熔体温度回升至720℃时,加入Mg-Zr中间合金。当Mg-Zr中间合金完全熔化后熔体温度下降至670℃时,采用不锈钢钟罩将预先采用不锈钢丝网包覆的Li棒压入熔体中,待Li棒完全熔化后取出钟罩和丝网。继续加热熔体,当熔体温度升至740℃时,保温15分钟,去除表面浮渣并浇铸合金锭,浇铸所用的钢制模具需要预先加热至180℃。
热处理工艺:将合金锭在525℃下进行固溶处理12小时,水淬后在150℃条件下进行时效处理12小时,即可得到本实施例的高强度镁-钕-锌-锆-锂合金。
经检测,该高强度镁-钕-锌-锆-锂合金T6态的室温力学性能如下:屈服强度为215MPa,抗拉强度为289MPa,延伸率为6.9%。
实施例3:高强度镁-钕-锌-锆-锂合金的制备。
本实施例的高强度镁-钕-锌-锆-锂合金包含以重量百分比计的下列组分:92.682wt%的Mg,4wt%的Nd,1wt%的Zn,0.8wt%的Zr,1.5wt%的Li,总量为0.018wt%的杂质元素Si、Fe、Cu和Ni(wt%是指各组分的重量占目标合金总重量的百分比,该总重量为Mg、Li、Al和各种中间合金的重量总和)。
该高强度镁-钕-锌-锆-锂合金的制备方法如下:
熔炼工艺:整个熔炼工艺在SF6/CO2混合气体保护条件下进行。按照配方量分别称取纯Mg、Mg-Nd中间合金(Mg-25wt%Nd合金,又称Mg-Nd25合金或Mg-25Nd合金,即Nd的重量占Mg-25wt%Nd合金总重量的25%,该中间合金的称取量可以根据Mg-Nd中间合金中Nd的重量百分比和目标合金的总重量来确定,以便使Nd在目标合金总重量中占4%)、纯Zn、Mg-Zr中间合金(Mg-30wt%Zr合金,又称Mg-Zr30合金或Mg-30Zr合金,即Zr的重量占Mg-30wt%Zr合金总重量的30%,该中间合金的称取量可以根据Mg-Zr中间合金中Zr的重量百分比和目标合金的总重量来确定,以便使Zr在目标合金总重量中占0.8%)和Li棒,然后分别将上述原料于250℃烘干3小时以上。将烘干后的纯Mg放入具有SF6/CO2混合气体保护的坩埚电阻炉中加热熔化,得到镁液。继续加热镁液,当镁液温度达到740℃时保持温度恒定,向镁液中直接加入Mg-Nd中间合金。当Mg-Nd中间合金完全熔化后熔体温度回升至740℃时,加入纯Zn。当纯Zn完全熔化后熔体温度回升至740℃时,加入Mg-Zr中间合金。当Mg-Zr中间合金完全熔化后熔体温度下降至680℃时,采用不锈钢钟罩将预先采用不锈钢丝网包覆的Li棒压入熔体中,待Li棒完全熔化后取出钟罩和丝网。继续加热熔体,当熔体温度升至730℃时,保温20分钟,去除表面浮渣并浇铸合金锭,浇铸所用的钢制模具需要预先加热至180℃。
热处理工艺:将合金锭在540℃下进行固溶处理6小时,水淬后在200℃条件下进行时效处理6小时,即可得到本实施例的高强度镁-钕-锌-锆-锂合金。
经检测,该高强度镁-钕-锌-锆-锂合金T6态的室温力学性能如下:屈服强度为231MPa,抗拉强度为306MPa,延伸率为5.9%。
Claims (7)
1.一种高强度镁-钕-锌-锆-锂合金,其包含以重量百分比计的下列组分:2~4wt%的Nd,0.2~1wt%的Zn,0.2~0.8wt%的Zr,0.5~1.5wt%的Li,余量为Mg以及杂质元素Si、Fe、Cu和Ni,并且杂质元素的总量小于0.02wt%。
2.一种根据权利要求1所述的高强度镁-钕-锌-锆-锂合金的制备方法,其包括以下步骤:
1)烘料:按照配方量分别称取镁、镁-钕中间合金、锌、镁-锆中间合金和锂,然后分别将上述原料于180~250℃烘干3小时以上;
2)加料:将烘干后的镁加热熔化,得到镁液;将镁液继续加热至700~740℃并保持温度恒定,向其中加入镁-钕中间合金;当镁-钕中间合金完全熔化后熔体温度回升至700~740℃时,加入锌;当锌完全熔化后熔体温度回升至700~740℃时,加入镁-锆中间合金;当镁-锆中间合金完全熔化后熔体温度下降至670~680℃时,采用不锈钢钟罩将预先采用不锈钢丝网包覆的锂压入熔体中,待锂完全溶解后取出钟罩和丝网;
3)铸造:继续加热熔体,当熔体温度升至730~750℃时,保温10~20分钟,去除表面浮渣并浇铸合金锭;
4)热处理:将合金锭于525~540℃进行固溶处理4~12小时,水淬后于150℃进行时效处理8~12小时或于200℃进行时效处理4~6小时,即可得到高强度镁-钕-锌-锆-锂合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:
步骤1)中所述镁-钕中间合金为Mg-Nd25合金,其中钕元素的重量占总重量的25%。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:
步骤1)中所述镁-锆中间合金为Mg-Zr30合金,其中锆元素的重量占总重量的30%。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:
步骤2)中所述加热熔化采用坩埚电阻炉来完成。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:
步骤3)中所述浇铸采用预先加热至180~250℃的钢制模具来完成。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:
步骤1)、步骤2)和步骤3)均在六氟化硫/二氧化碳混合气体保护条件下进行。
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