CN108624793A - 一种含Ag的高强耐热镁合金及其制备方法 - Google Patents
一种含Ag的高强耐热镁合金及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种含Ag的高强耐热镁合金,具有以下质量分数的成分:Y:4.5~6.5wt%,Nd:1.5~4.0wt%,Gd:1.5~4.0wt%,Ag:0.1~1.5wt%,Zr:0.15~1.5w%,余量为Mg,其中稀土元素总量不超过10wt%。本发明高强耐热镁合金组分为Mg‑Y‑Nd‑Gd‑Ag‑Zr,以含稀土金属间化合物的析出强化为主要强化机制,并通过添加非稀土元素Ag,形成了RE‑Ag细小高温稳定相及Mg‑RE‑Ag共晶体,新形成的相具有细小弥散及高温稳定的特点,显著提高了本发明材料的热处理时效硬化效果及耐热性能。本发明还提供了一种含Ag的高强耐热镁合金的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域,尤其涉及一种含Ag的高强耐热镁合金及其制备方法。
背景技术
在国际镁合金研究领域,时效析出强化是近些年高强度镁合金发展的重要方向,在过去的50年,国内外先后开发了多种以稀土为主合金化元素的镁合金。基于镁中添加稀土元素的时效硬化效应,大多重镁稀土都表现出良好的时效强化效果,尤其以Gd、Y元素最为显著,但此类合金依赖析出相阻碍位错运动的Orowan机制强化,明显降低合金的塑性,难以满足精密制造的加工性能要求及航空、轨道交通等领域的使用需求。
因此,有必要进一步探讨和研究多元合金强化与韧化基质,以得到能够同时满足高强、耐热和高容损的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含Ag的高强耐热镁合金及其制备方法,本发明中的含Ag高强耐热镁合金具有优异的室温力学性能和高温力学性能。
本发明提供一种含Ag的高强耐热镁合金,具有以下质量分数的成分:
Y:4.5~6.5wt%,Nd:1.5~4.0wt%,Gd:1.5~4.0wt%,Ag:0.1~1.5wt%,Zr:0.15~1.5w%,余量为Mg,其中稀土元素总量不超过10wt%。
本发明提供一种含Ag的高强耐热镁合金的制备方法,包括以下步骤:
A)将纯Mg、纯Ag、Mg-Zr中间合金和Mg-RE中间合金按照以下质量分数进行配料,熔炼并浇铸成型;
RE=Y,Nd和Gd;
Y:4.5~6.5wt%,Nd:1.5~4.0wt%,Gd:1.5~4.0wt%,Ag:0.1~1.5wt%,Zr:0.15~1.5wt%,余量为Mg,其中稀土元素总量不超过10wt%;
B)将铸件进行热处理或挤压,得到含Ag的高强耐热镁合金。
优选的,所述步骤A)具体为:
(1)在CO2和SF6混合气体的保护下,将纯Mg、纯Ag、Mg-Zr中间合金和Mg-RE中间合金按比例进行配料,进行烘干,烘干温度为100~200℃,烘干时间为1~2h;
所述CO2与SF6的体积比为99.5:0.5;
(2)将烘干好的纯Mg、纯Ag、Mg-RE中间合金放入坩埚中随炉升温,直至完全熔化,温度控制在680~780℃;
(3)将熔体升温至700~740℃,将烘干好的Mg-Zr中间合金加入到熔体中,完全熔化后搅拌5~10分钟;
(4)将熔体降温至680~700℃,静置20~40分钟;
(5)刮除熔体表面浮渣,进行浇铸成型。
优选的,所述步骤B)中的热处理依次包括固溶处理和时效处理。
优选的,所述固溶处理的温度为500~530℃;
所述固溶处理的时间为6~24小时。
优选的,所述时效处理的温度为200~250℃;
所述时效处理的时间为12~72小时。
优选的,所述挤压包括以下步骤:
将铸件依次进行均匀化、预热、挤压和时效处理,得到Li掺杂的轻质高强镁合金。
优选的,所述均匀化的温度为500~530℃;
所述均匀化的时间为4~10小时。
优选的,所述预热的温度为300~400℃;
所述预热的时间为2~2.5小时;
所述挤压比为(8~20):1;
所述挤压的速度为0.01~1.0m/min。
优选的,所述时效处理的温度为200~250℃;
所述时效处理的时间为10~72小时。
本发明提供了一种含Ag的高强耐热镁合金,具有以下质量分数的成分:Y:4.5~6.5wt%,Nd:1.5~4.0wt%,Gd:1.5~4.0wt%,Ag:0.1~1.5wt%,Zr:0.15~1.5w%,余量为Mg,其中稀土元素总量不超过10wt%。
本发明的一种含稀土Y、Nd、Gd及元素Ag的高强耐热镁合金组分为Mg-Y-Nd-Gd-Ag-Zr,以含稀土金属间化合物的析出强化为主要强化机制,并通过添加非稀土元素Ag,形成了RE-Ag细小高温稳定相及Mg-RE-Ag共晶体,新形成的相具有细小弥散及高温稳定的特点,显著提高了本发明材料的热处理时效硬化效果及耐热性能。本发明材料具有优异的室温及高温力学性能,有益效果如下:
1、本发明材料的室温力学性能得到明显提高:铸造后热处理态材料抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达到:300~340MPa、230~240MPa、4~6%,挤压后热处理态材料抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达到:350~390MPa、260~280MPa、8~10%。在不增加稀土总量的前提下,强度性能指标有不同程度提高,且保留了较好的塑性,易于实现工程化应用。
2、本发明材料的高温力学性能优异,添加Ag后对材料高温性能提升明显:铸造后热处理态材料在250℃时抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达到:280~310MPa、200~220MPa、8~12%,挤压后热处理态材料在250℃时抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达到:330~350MPa、250~270MPa、10~16%,能够满足当前航空航天、导弹军工、轨道交通等领域对轻质结构材料在高温坏境下力学性能的需求。
3、本发明材料以含稀土金属间化合物的析出强化为主要强化机制,并通过添加非稀土元素Ag提高时效硬化效果,优化了此类合金的多元化组分。该合金中稀土含量不高于10wt.%,生产过程简单易行,工艺性能稳定、良好。由于塑性良好,使本发明合金加工性能有了明显提高,实用性增强,在航天及其他高技术产业有着良好的应用前景。
4、本发明材料可以采用铸造成型及挤压成型工艺,能够适应不同场合的制备要求,有利于产业化应用简化合金种类,减低技术难度与生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中镁合金的金相图;
图2为本发明实施例5中镁合金的金相图。
具体实施方式
本发明提供了一种含Ag的高强耐热镁合金,具有以下质量分数的成分:
Y:4.5~6.5wt%,Nd:1.5~4.0wt%,Gd:1.5~4.0wt%,Ag:0.1~1.5wt%,Zr:0.15~1.5w%,余量为Mg,其中稀土元素总量不超过10wt%。
在本发明中,所述含Ag的高强耐热镁合金可以是以下配方:
Y:4.5wt%,Nd:1.5wt%,Gd:1.5wt%,Ag:0.1wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg;
Y:6.5wt%,Nd:1.5wt%,Gd:1.5wt%,Ag:0.5wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg;
Y:4.5wt%,Nd:4.0wt%,Gd:1.5wt%,Ag:1.0wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg;
Y:4.5wt%,Nd:1.5wt%,Gd:4.0wt%,Ag:1.5wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg。
本发明还提供了一种含Ag的高强耐热镁合金的制备方法,包括以下步骤:
A)将纯Mg、纯Ag、Mg-Zr中间合金和Mg-RE中间合金按照以下质量分数进行配料,熔炼并浇铸成型;
RE=Y,Nd和Gd;
Y:4.5~6.5wt%,Nd:1.5~4.0wt%,Gd:1.5~4.0wt%,Ag:0.1~1.5wt%,Zr:0.15~1.5wt%,余量为Mg,其中稀土元素总量不超过10wt%;
B)将铸件进行热处理或挤压,得到含Ag的高强耐热镁合金。
本发明优选将纯Mg、纯Ag、Mg-Zr中间合金和Mg-RE中间合金按比例进行配料,进行烘干,烘干温度为100~200℃,烘干时间为1~2h;
(2)将烘干好的纯Mg、纯Ag、Mg-RE中间合金放入坩埚中随炉升温,直至完全熔化,温度控制在680~780℃。
(3)将熔体升温至700~740℃,将烘干好的Mg-Zr中间合金加入到熔体中,完全熔化后搅拌5~10分钟。
(4)将熔体降温至680~700℃,静置20~40分钟。
(5)刮除熔体表面浮渣,进行浇铸成型。
上述步骤中,所述熔体一直处在CO2和SF6混合气体的保护下,所述CO2与SF6的体积比为99.5:0.5。
在本发明中,Mg-RE合金中的Re为Y,Nd和Gd,所述Mg-RE合金中RE占所有原料的20~30wt%。
熔炼工作完成后,得到的熔体材料可以进行铸造成型,也可将其浇铸成坯料进行挤压成型。
铸造成型:
将铸件依次进行固溶处理和时效处理,得到含Ag的高强耐热镁合金。
所述固溶处理的温度优选为500~530℃;所述固溶处理的时间优选为6~24小时,更优选为12~18小时;固溶处理后空冷至室温;
所述时效处理的温度优选为200~250℃;所述时效处理的时间优选为12~72小时,更优选为24~36小时;时效处理后空冷至室温。
挤压成型:
将铸件依次进行挤压坯料制备、挤压型材制备和时效处理,得到含Ag的高强耐热镁合金。
所述挤压坯料制备为均匀化处理,所述均匀化处理的温度为500~530℃,所述均匀化处理的时间为4~10小时,更优选为5~8小时。
所述挤压型材制备包括预热和挤压,将得到的挤压坯料和挤压模具在300~400℃下预热2~2.5小时,然后进行挤压;
所述挤压的挤压比优选为(8~20):1,更优选为(10~15):1;所述挤压的挤压速度优选为0.01~1.0m/min,更优选为0.1~0.8m/min,最优选为0.5~0.6m/min。
所述时效处理温度优选为200~250℃;所述时效处理的时间优选为10~72小时,更优选为24~36小时;时效处理后空冷至室温。
本发明提供了一种含Ag的高强耐热镁合金,具有以下质量分数的成分:Y:4.5~6.5wt%,Nd:1.5~4.0wt%,Gd:1.5~4.0wt%,Ag:0.1~1.5wt%,Zr:0.15~1.5w%,余量为Mg,其中稀土元素总量不超过10wt%。本发明的一种含稀土Y、Nd、Gd及元素Ag的高强耐热镁合金组分为Mg-Y-Nd-Gd-Ag-Zr,以含稀土金属间化合物的析出强化为主要强化机制,并通过添加非稀土元素Ag,形成了RE-Ag细小高温稳定相及Mg-RE-Ag共晶体,新形成的相具有细小弥散及高温稳定的特点,显著提高了本发明材料的热处理时效硬化效果及耐热性能。本发明材料具有优异的室温及高温力学性能。
为了进一步说明本发明,以下结合实施例对本发明提供的一种含Ag的高强耐热镁合金及其制备方法进行详细描述,但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例高强耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:Y:4.5wt%,Nd:1.5wt%,Gd:1.5wt%,Ag:0.1wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg及不可避免的杂质。
本实施例高强耐热镁合金的铸造成型制备包括以下步骤:
(1)将原料纯Mg、纯Ag、Mg-Zr中间合金、Mg-RE(20wt.%)中间合金按比例配齐,进行烘干,烘干温度为200℃,烘干时间为2h。
(2)制备过程中,熔体一直在CO2和SF6混合气体的保护下,CO2与SF6的比例为99.5:0.5。
(3)将烘干好的纯Mg、纯Ag、Mg-RE(20wt.%)中间合金放入坩埚中随炉升温,直至完全熔化,温度控制在780℃。
(4)将熔体降温至740℃,将烘干好的Mg-Zr中间合金加入到镁溶液中,完全熔化后搅拌10分钟。
(5)将熔体降温至700℃,静置30分钟。
(6)刮除熔体表面浮渣,进行浇铸作业。
(7)固溶处理:将铸件在500℃热处理6h,然后空冷至室温。
(8)时效处理:将铸件在200℃热处理72h,然后空冷至室温。
实施例2
本实施例2与实施例1不同的是:高强耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:Y:6.5wt%,Nd:1.5wt%,Gd:1.5wt%,Ag:0.5wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg及不可避免的杂质。
固溶处理:将铸件在510℃热处理12h,然后空冷至室温。时效处理:将铸件在225℃热处理48h,然后空冷至室温。
实施例3
本实施例3与实施例1不同的是:高强耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:Y:4.5wt%,Nd:4.0wt%,Gd:1.5wt%,Ag:1.0wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg及不可避免的杂质。
固溶处理:将铸件在520℃热处理18h,然后空冷至室温。时效处理:将铸件在250℃热处理24h,然后空冷至室温。
实施例4
本实施例4与实施例1不同的是:高强耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:Y:4.5wt%,Nd:1.5wt%,Gd:4.0wt%,Ag:1.5wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg及不可避免的杂质。
固溶处理:将铸件在530℃热处理24h,然后空冷至室温。时效处理:将铸件在250℃热处理12h,然后空冷至室温。
实施例5
本实施例高强耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:Y:4.5wt%,Nd:1.5wt%,Gd:1.5wt%,Ag:0.1wt%,Zr:0.5wt%,,余量为Mg及不可避免的杂质。
本实施例高强耐热镁合金的挤压成型制备包括以下步骤:
(1)将原料纯Mg、纯Ag、Mg-Zr中间合金、Mg-RE(20wt.%)中间合金按比例配齐,进行烘干,烘干温度为200℃,烘干时间为2h。
(2)制备过程中,熔体一直在CO2和SF6混合气体的保护下,CO2与SF6的比例为99.5:0.5。
(3)将烘干好的纯Mg、纯Ag、Mg-RE(20wt.%)中间合金放入坩埚中随炉升温,直至完全熔化,温度控制在780℃。
(4)将熔体降温至740℃,将烘干好的Mg-Zr中间合金加入到镁溶液中,完全熔化后搅拌10分钟。
(5)将熔体降温至700℃,静置30分钟。
(6)刮除熔体表面浮渣,进行浇铸作业。
(7)挤压坯料制备:将上述镁合金铸态坯料在515℃均匀化处理7h,并加工成挤压坯料。
(8)挤压型材制备:将上述挤压坯料和挤压模具在350℃时预热2h,挤压比为16:1,挤压速度为0.3m/min,经塑性变形制备成挤压型材。
(9)时效处理:将上述挤压型材在200℃热处理72h。
实施例6
本实施例6与实施例5不同的是:高强耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:Y:6.5wt%,Nd:1.5wt%,Gd:1.5wt%,Ag:0.5wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg及不可避免的杂质。
时效处理:将挤压型材在225℃热处理48h,然后空冷至室温。
实施例7
本实施例7与实施例5不同的是:高强耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:Y:4.5wt%,Nd:4.0wt%,Gd:1.5wt%,Ag:1.0wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg及不可避免的杂质。
时效处理:将挤压型材在250℃热处理24h,然后空冷至室温。
实施例8
本实施例8与实施例5不同的是:高强耐热镁合金由以下质量百分比的组分组成:Y:4.5wt%,Nd:1.5wt%,Gd:4.0wt%,Ag:1.5wt%,Zr:0.5wt%,余量为Mg及不可避免的杂质。
时效处理:将挤压型材在250℃热处理12h,然后空冷至室温。
取上述实施例1-8镁合金棒材进行室温及高温拉伸性能测试,实验结果见表1及表2。
表1本发明所述高强耐热镁合金的室温力学性能
序号 | 材料状态 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(%) |
实施例1 | 铸造后热处理 | 340 | 240 | 4 |
实施例2 | 铸造后热处理 | 320 | 235 | 5.5 |
实施例3 | 铸造后热处理 | 325 | 235 | 4 |
实施例4 | 铸造后热处理 | 315 | 230 | 6 |
实施例5 | 挤压后热处理 | 390 | 280 | 8 |
实施例6 | 挤压后热处理 | 375 | 270 | 8 |
实施例7 | 挤压后热处理 | 380 | 270 | 8.5 |
实施例8 | 挤压后热处理 | 365 | 265 | 10 |
比较例1 | 铸造后热处理 | 275 | 165 | 4 |
比较例2 | 挤压后热处理 | 330 | 195 | 6 |
表2本发明所述高强耐热镁合金在250℃下力学性能
序号 | 材料状态 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(%) |
实施例1 | 铸造后热处理 | 310 | 220 | 8 |
实施例2 | 铸造后热处理 | 305 | 205 | 10.5 |
实施例3 | 铸造后热处理 | 300 | 215 | 10 |
实施例4 | 铸造后热处理 | 288 | 205 | 12 |
实施例5 | 挤压后热处理 | 350 | 270 | 10 |
实施例6 | 挤压后热处理 | 335 | 260 | 15 |
实施例7 | 挤压后热处理 | 340 | 260 | 12 |
实施例8 | 挤压后热处理 | 330 | 255 | 16 |
比较例1 | 铸造后热处理 | 245 | 140 | 8 |
比较例2 | 挤压后热处理 | 265 | 160 | 11 |
注:比较例1为铸态WE43镁合金,比较例2为挤压态WE43镁合金。
由上表可见,本发明的合金具有优异的室温及高温力学性能,可以满足镁合金在国防军工、航空航天、汽车和轨道交通等高技术产业的应用要求。镁合金微观组织金相照片表明,本发明所述合金的主要强化机制为时效析出强化,通过添加非稀土元素Ag,形成了RE-Ag细小高温稳定相及Mg-RE-Ag共晶体,新形成的相具有细小弥散及高温稳定的特点,合金的组织细小均匀,且细小、高温稳定的第二相弥散分布在基体中,能够有效阻碍基面位错滑移,从而提高合金室温及高温条件下的强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种含Ag的高强耐热镁合金,具有以下质量分数的成分:
Y:4.5~6.5wt%,Nd:1.5~4.0wt%,Gd:1.5~4.0wt%,Ag:0.1~1.5wt%,Zr:0.15~1.5w%,余量为Mg,其中稀土元素总量不超过10wt%。
2.一种含Ag的高强耐热镁合金的制备方法,包括以下步骤:
A)将纯Mg、纯Ag、Mg-Zr中间合金和Mg-RE中间合金按照以下质量分数进行配料,熔炼并浇铸成型;
RE=Y,Nd和Gd;
Y:4.5~6.5wt%,Nd:1.5~4.0wt%,Gd:1.5~4.0wt%,Ag:0.1~1.5wt%,Zr:0.15~1.5wt%,余量为Mg,其中稀土元素总量不超过10wt%;
B)将铸件进行热处理或挤压,得到含Ag的高强耐热镁合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤A)具体为:
(1)在CO2和SF6混合气体的保护下,将纯Mg、纯Ag、Mg-Zr中间合金和Mg-RE中间合金按比例进行配料,进行烘干,烘干温度为100~200℃,烘干时间为1~2h;
所述CO2与SF6的体积比为99.5:0.5;
(2)将烘干好的纯Mg、纯Ag、Mg-RE中间合金放入坩埚中随炉升温,直至完全熔化,温度控制在680~780℃;
(3)将熔体升温至700~740℃,将烘干好的Mg-Zr中间合金加入到熔体中,完全熔化后搅拌5~10分钟;
(4)将熔体降温至680~700℃,静置20~40分钟;
(5)刮除熔体表面浮渣,进行浇铸成型。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤B)中的热处理依次包括固溶处理和时效处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述固溶处理的温度为500~530℃;
所述固溶处理的时间为6~24小时。
6.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述时效处理的温度为200~250℃;
所述时效处理的时间为12~72小时。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述挤压包括以下步骤:
将铸件依次进行均匀化、预热、挤压和时效处理,得到Li掺杂的轻质高强镁合金。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述均匀化的温度为500~530℃;
所述均匀化的时间为4~10小时。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述预热的温度为300~400℃;
所述预热的时间为2~2.5小时;
所述挤压比为(8~20):1;
所述挤压的速度为0.01~1.0m/min。
10.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述时效处理的温度为200~250℃;
所述时效处理的时间为10~72小时。
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