CN115505808A

CN115505808A - 镁合金及其制备方法和钇元素的用途

Info

Publication number: CN115505808A
Application number: CN202211120653.4A
Authority: CN
Inventors: 刘峰; 胡文鑫; 王玮; 杨正华; 何伟; 马少博; 陈志强
Original assignee: Baotou Rare Earth Research Institute
Current assignee: Baotou Rare Earth Research Institute
Priority date: 2022-09-15
Filing date: 2022-09-15
Publication date: 2022-12-23

Abstract

本发明公开了一种镁合金及其制备方法和钇元素的用途。该镁合金包括：Al 5～13wt％，Si 0.1～2wt％，Mn 0.05～0.5wt％，Y 0.1～0.8wt％，和Mg 85～95wt％。该镁合金的Mg₂Si相晶粒的平均尺寸较小。

Description

镁合金及其制备方法和钇元素的用途

技术领域

本发明涉及一种镁合金及其制备方法和钇元素的用途。

背景技术

镁合金被誉为“21世纪绿色工程结构材料”，其密度约为铝合金的2/3，钢铁的1/4，在新能源汽车、航空航天及3C电子等领域具有巨大的应用潜力。

Mg-Al-Si系镁合金是一种耐热镁合金，主要用于解决Mg-Al系镁合金中的Mg₁₇Al₁₂相在大于125℃的高温条件下溶液发生软化而导致合金高温力学性能下降的问题。Mg-Al-Si系镁合金的强化机理主要在于通过添加Si来促使组织中形成Mg₂Si相进行强化。Mg₂Si相往往以粗大的汉字状形貌出现，这种形貌的Mg₂Si相不仅降低了镁合金的流动性，而且使合金的力学性能下降。如何获得在高温下拉伸力学性能好的Mg-Al-Si系镁合金成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种镁合金，该镁合金的Mg₂Si相晶粒的平均尺寸较小。进一步地，该镁合金在高温下具有较高的抗拉强度和屈服强度。本发明的另一个目的在于提供一种镁合金的制备方法，该方法能够在较低的凝固冷却速率下获得抗拉强度和屈服强度高的镁合金。本发明的再一个目的在于提供一种钇元素的用途。

本发明通过如下技术方案实现上述技术目的。

一方面，本发明提供了一种镁合金，包括：

优选地，本发明的镁合金由Al、Si、Mn、Y和Mg组成。当然，镁合金中除上述元素外，还可以含有一些不可避免的杂质。本发明发现，将这些元素控制的含量控制在上述范围内有助于降低镁合金中Mg₂Si相晶粒尺寸，提高镁合金的抗拉强度和屈服强度。

根据本发明的镁合金，优选地，所述镁合金中含有Mg₂Si相，所述Mg₂Si相晶粒的平均尺寸为5～20μm。优选地，Mg₂Si相晶粒的平均尺寸为8～12μm。更优选地，Mg₂Si相晶粒的平均尺寸为9～10μm。这样有助于提高镁合金在高温下的抗拉强度和屈服强度。

根据本发明的镁合金，优选地，所述Mg₂Si相为多边形。本发明的镁合金中的Mg₂Si相呈细小的弥散分布态。这样这有助于提高镁合金的抗拉强度和屈服强度。

根据本发明的镁合金，优选地，所述镁合金包括：

根据本发明的镁合金，优选地，所述镁合金由如下元素组成：

(1)Al 9～9.5wt％，Si 1.4～1.5wt％，Mn 0.15～0.2wt％，Y 0.25～0.3wt％，和Mg 88～89wt％；或

(2)Al 7～7.5wt％，Si 0.3～0.5wt％，Mn 0.1～0.2wt％，Y 0.2～0.25wt％，和Mg91～93wt％。

这样的元素组成能够提高镁合金的抗拉强度和屈服强度。

本发明发现，加入特定含量的稀土元素Y能够促进Mg₂Si相晶体各向同性生长，细化Mg₂Si相晶粒尺寸，而加入其他稀土元素的效果则不如Y效果显著；同时与适当含量的Al、Si、Mn和Mg元素配合，提高镁合金的抗拉强度和屈服强度。

根据本发明的镁合金，优选地，所述镁合金在150℃下的抗拉强度≥220MPa，在150℃下的屈服强度≥175MPa，所述抗拉强度和屈服强度采用GB/T228.2-2015金属材料拉伸试验第2部分高温试验方法进行测试。更优选地，镁合金在150℃下的抗拉强度≥230MPa，在150℃下的屈服强度≥185MPa。

另一方面，本发明提供了上述镁合金的制备方法，包括如下步骤：

将含有Mg、Al、Si、Mn和Y的合金液在5～30℃/min的冷却速率下进行凝固，得到镁合金。优选地，冷却速率为10～20℃/min；更优选地，冷却速率为12～15℃/min。这样的冷却速率能够促进本发明组成的镁合金中的Mg₂Si相形成尺寸较小的晶粒。

在某些实施方式中，将含有Mg、Al、Si、Mn和Y的合金液浇铸到铜模具中，然后进行凝固。

根据本发明的制备方法，优选地，还包括如下步骤：

(1)将金属镁熔化，得到金属镁熔体；

(2)将金属镁熔体、Al-Si合金和Mg-Mn合金混合，然后熔化，得到混合熔体；

(3)将混合熔体与Mg-Y合金混合，然后熔化，得到含有Mg、Al、Si、Mn和Y的合金液。

含有Mg、Al、Si、Mn和Y的合金液可以通过上述方法获得。可以将原料盛放在石墨坩埚中进行上述操作。加热设备可以为电阻炉。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(1)中，将金属镁在100～300℃下预热5～40min，然后在由SF₆和N₂组成的保护气体中在650～750℃下熔化，得到金属镁熔体；其中，保护气体中SF₆的体积含量为0.1～0.5vol％；

步骤(2)中，将金属镁熔体、Al-Si合金和Mg-Mn合金混合，然后在680～780℃下熔化5～30min得到中间熔体，向中间熔体中喷入惰性气体，然后扒渣，得到混合熔体；

步骤(3)中，将混合熔体与Mg-Y合金混合，然后在720～790℃下化10～40min，得到含有Mg、Al、Si、Mn和Y的合金液。

在某些实施方案中，步骤(1)中，预热温度为150～250℃，预热时间为10～30min。保护气体中SF₆的体积含量为0.2～0.3vol％。熔化温度为680～700℃。熔化时间以金属镁全部熔化为准。

在某些实施方案中，步骤(2)中，熔化温度为700～720℃，熔化时间为10～20min。惰性气体可以为氮气。

在某些实施方案中，步骤(3)中，熔化温度为720～740℃，熔化时间为20～30min。

根据本发明的制备方法，优选地，Mg-Mn合金中Mn的含量为0.5～5wt％，Mg-Y合金中Y的含量为15～35wt％。更优选地，Mg-Mn合金中Mn的含量为1～3wt％，Mg-Y合金中Y的含量为20～30wt％。

再一方面，本发明提供了一种钇元素在降低镁合金中Mg₂Si相晶粒尺寸和/或提高镁合金拉伸力学性能中的用途，所述镁合金中还包括Al 5～13wt％、Si 0.1～2wt％、Mn0.05～0.5wt％和Mg 85～95wt％，所述Y的含量为0.1～0.8wt％。在某些实施方式中，镁合金由Al、Si、Mn、Y和Mg组成。当然，镁合金中除上述元素外，还可以含有一些不可避免的杂质。各元素的含量具体如前文所述，在此不再赘述。

在某些实施方式中，本发明提供了一种钇元素在降低镁合金中Mg₂Si相晶粒尺寸中的用途。Mg₂Si相晶粒的形貌及尺寸具体如前文所述，在此不再赘述。在另一些实施方式中，本发明提供了一种钇元素在提高镁合金拉伸力学性能中的用途。优选地，所述拉伸力学性能为高温下的拉伸力学性能，例如100～200℃，又如150～180℃。拉伸力学性能具体可以为抗拉强度和/或屈服强度。抗拉强度和屈服强度的数值及测试方法具体如前文所述，在此不再赘述。

在某些实施方式中，将含有Mg、Al、Si、Mn和Y的合金液在5～30℃/min的冷却速率下进行凝固，得到镁合金。具体步骤及参数如前文所述，在此不再赘述。

本发明的镁合金的Mg₂Si相晶粒尺寸较小，Mg₂Si相呈细小的弥散分布态，提高了镁合金在高温下的抗拉强度和屈服强度。本发明的镁合金能够在较低的凝固冷却速率下获得。

附图说明

图1为实施例1得到的镁合金的金相显微组织图。

图2为对比例1得到的镁合金的金相显微组织图。

具体实施方式

下面介绍测试方法：

金相显微组织图：采用GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》制备金相试样，通过徕卡光学显微镜进行观察。

Mg₂Si相平均尺寸：采用ProImaging金相分析软件进行分析。

抗拉强度和屈服强度：采用GB/T228.2-2015金属材料拉伸实验第2部分高温试验方法对镁合金进行测试，测试温度为150℃，测试设备为Instron 5982万能材料试验机。

Al含量、Si含量、Mn含量和Y含量均采用电感耦合等离子光谱仪(ICP-OES)进行测试。

Mg含量由如下公式计算得到：

Mg含量＝100wt％-Al含量-Si含量-Mn含量-Y含量。

实施例1～3

将金属镁在200℃下预热20min，然后在由SF₆和N₂组成的保护气体中在温度为T₁下熔化，得到金属镁熔体。

将金属镁熔体、Al-Si合金和Mg-2Mn合金搅拌5min，得到混合物。将混合物在温度为T₂下熔化，熔化时间为t₁，得到中间熔体。向中间熔体中喷吹氮气，然后扒渣，得到混合熔体。

将混合熔体与Mg-25Y合金混合，然后在T₃温度下熔化，熔化时间为t₂，得到合金液。

将合金液浇铸到铜模具中，以一定的冷却速率进行凝固，得到镁合金。

具体参数如表1所示。镁合金的成分、Mg₂Si相的形貌以及镁合金的性能如表1和图1所示。

表1

编号	实施例1	实施例2	实施例3
				保护气体中SF<sub>6</sub>含量(vol％)	0.2	0.3	0.3
T<sub>1</sub>(℃)	690	680	700
				T<sub>2</sub>(℃)	700	710	720
t<sub>1</sub>(min)	20	10	10
				T<sub>3</sub>(℃)	740	730	740
t<sub>2</sub>(min)	20	20	30
				冷却速率(℃/s)	12	10	20
镁合金中Al含量(wt％)	9	8	7
				镁合金中Si含量(wt％)	1.5	1.2	0.3
镁合金中Mn含量(wt％)	0.2	0.3	0.1
				镁合金中Y含量(wt％)	0.3	0.5	0.2
镁合金中Mg含量(wt％)	余量	余量	余量
				Mg<sub>2</sub>Si相晶粒平均尺寸(μm)	10	12	9
Mg<sub>2</sub>Si相形貌	多边形	多边形	多边形
				抗拉强度(MPa)	232.9	223.9	230.5
屈服强度(MPa)	188	178.5	186

对比例1

将金属镁在200℃下预热20min，然后在由SF₆和N₂组成的保护气体中在700℃下熔化，得到金属镁熔体。保护气体中SF₆的含量为0.3vol％。

将金属镁熔体、Al-Si合金和Mg-2Mn合金搅拌5min，得到混合物。将混合物在720℃下熔化10min，得到中间熔体。向中间熔体中喷吹氮气，然后扒渣，得到混合熔体。

将混合熔体在740℃下熔化30min，得到合金液。

将合金液浇铸到铜模具中，以15℃/s的冷却速率进行凝固，得到镁合金。镁合金中Al含量为4wt％，Si含量为0.5wt％，Mn含量为0.3wt％，余量为Mg。

所得镁合金的金相显微组织图如图2所示。镁合金的性能如表2所示。

表2

项目	数值
		Mg<sub>2</sub>Si相平均尺寸(μm)	70
Mg<sub>2</sub>Si相形貌	粗大汉字状
		抗拉强度(MPa)	164.2
屈服强度(MPa)	95.4

由比较例1可知，Mg合金中不加入Y，则其在较低的冷却速率下无法形成细小弥散态的Mg₂Si相，Mg₂Si相晶粒尺寸较大，所得镁合金的抗拉强度和屈服强度均大幅降低。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims

1.一种镁合金，其特征在于，所述镁合金包括：

2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，所述镁合金中含有Mg₂Si相，所述Mg₂Si相粒径的平均尺寸为5～20μm。

3.根据权利要求2所述的镁合金，其特征在于，所述Mg₂Si相为多边形。

4.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，所述镁合金包括：

5.根据权利要求1～4任一项所述的镁合金，其特征在于，所述镁合金在150℃下的抗拉强度≥220MPa，在150℃下的屈服强度≥175MPa，所述抗拉强度和屈服强度采用GB/T228.2-2015金属材料拉伸试验第2部分高温试验方法进行测试。

6.根据权利要求1～5任一项所述镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将含有Mg、Al、Si、Mn和Y的合金液在5～30℃/min的冷却速率下进行凝固，得到镁合金。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

(1)将金属镁熔化，得到金属镁熔体；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中，将金属镁在100～300℃下预热5～40min，然后在由SF₆和N₂组成的保护气体中在650～750℃下熔化，得到金属镁熔体；其中，保护气体中SF₆的体积含量为0.1～0.5vol％；

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，Mg-Mn合金中Mn的含量为0.5～5wt％，Mg-Y合金中Y的含量为15～35wt％。

10.一种钇元素在降低镁合金中Mg₂Si相晶粒尺寸和/或提高镁合金拉伸力学性能中的用途，其特征在于，所述镁合金中还包括Al5～13wt％、Si 0.1～2wt％、Mn 0.05～0.5wt％和Mg 85～95wt％，所述Y的含量为0.1～0.8wt％。