專利名稱：一種高強(qiáng)度、大塑性鎂合金制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金及其制備方法，具體涉及一種利用微合金化制備的高強(qiáng)度、大塑性鎂合金及其制備方法。屬于金屬材料類及冶金領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎂合金在航空航天、軍工、電子、機(jī)械、汽車及其它行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，主要是由于其具備密度低、抗沖擊性能、電磁屏蔽性能優(yōu)良、比強(qiáng)度比剛度高、機(jī)加工性能好等特點(diǎn)。我國大力開發(fā)鎂合金產(chǎn)業(yè)，不但具有強(qiáng)大的資源優(yōu)勢，還有著巨大的市場需求。
然而，近年來鎂合金替代鋁合金等材料，在各行業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展比較緩慢，主要原因是目前鎂合金還存在著以下顯著的技術(shù)缺點(diǎn)(1)抗拉強(qiáng)度低目前商用鎂合金抗拉強(qiáng)度均<280MPa，尤其是高溫力學(xué)性能較差，當(dāng)溫度升高時(shí)，其強(qiáng)度和抗蠕變性能大幅度下降，限制了其在結(jié)構(gòu)、承重等領(lǐng)域的應(yīng)用；(2)韌性差目前商用鎂合金延伸率普遍<10%，限制了其加工成型性能。若要提高強(qiáng)度，則延伸率將大大下降，如強(qiáng)度最高的161鎂合金，其強(qiáng)度雖然可達(dá)275-305MPa，但其延伸率僅為4-7% ；(3)化學(xué)活性高、易于氧化燃燒在350°C將發(fā)生燃燒，難于熱加工成型；(4)抗腐蝕性差基體在空氣中易氧化一般在3-5天基體表面將發(fā)生氧化變灰至黑。
因此，開發(fā)鎂合金制備新技術(shù)，研制開發(fā)具有優(yōu)良綜合性能(輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐熱、耐蝕)的新型鎂合金，無疑具有非常重要的工程價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種優(yōu)化的高強(qiáng)度、高韌性鎂合金及其制備方法，通過添加合金元素Al、Zn、Ti、RE (Nd、Y、Ce、Gd)，在適當(dāng)?shù)娜蹮捈盁崽幚砉に嚄l件下，通過細(xì)晶強(qiáng)化提高材料強(qiáng)度韌性，通過彌散強(qiáng)化提高材料熱強(qiáng)性，通過置換固溶、間隙固溶提高材料強(qiáng)度的強(qiáng)化作用，使該鎂合金具有比傳統(tǒng)商業(yè)鎂合金更優(yōu)異的強(qiáng)度、延伸率和硬度等力學(xué)性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案是以Mg、Al、&i為主要添加元素，采用Al為第一組分，因?yàn)锳l 密度小，且可熱處理強(qiáng)化，在Mg固溶體中的極限固溶度為12.7wt %，在室溫時(shí)的固溶度為 2wt%，為保證合金得到良好的時(shí)效析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化效果，Al的加入量選定為3-6wt % ；采用Si為第二組分，Si在Mg中最大固溶度為6. 2wt%，但Si含量超過2. 5%時(shí)對(duì)防腐性能有負(fù)面影響，同時(shí)為避免合金密度增加太多，Zn含量一般控制在2wt%以下，Zn能提高應(yīng)力腐蝕的敏感性，明顯地提高鎂合金的疲勞極限。采用RE、Ti作為微量合金化元素，通過彌散強(qiáng)化以提高合金的韌性和改善合金的工藝性能。
本發(fā)明所提供的一種高強(qiáng)度、大塑性鎂合金，其組分(wt%)為3-6% Al,1-3% Zn、 1. 0-2. 0%Ti、0. 35-0. 8% RE (Nd、Y、Ce、Gd)，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu 禾口 Ni 的總量小于 0. 02 %，余量為Mg。
本發(fā)明提供的高強(qiáng)度、大塑性鎂合金制備方法包括熔煉工藝和熱處理工藝。
Mg-Al-Si-Ti-RE合金的熔煉工藝為將純鎂、鋁、鋅、中間合金Mg-RE和Al-Ti 先預(yù)熱至100-180°C，然后將純鎂、鋁錠、鋅錠置于(X)2和Ar混合氣體保護(hù)的熔爐中熔化；熔化后在650-760°C保溫25-45分鐘，再升溫至760_840°C加入Mg-RE、Al-Ti中間合金，待Mg-RE、Al-Ti中間合金熔化后將鎂液升溫至770-860°C保溫30-50分鐘；再降溫至 650-80(TC，靜置10-20分鐘后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至150-30(TC，制得本發(fā)明Mg-Al-Si-Ti-RE高強(qiáng)度、大塑性鎂合金。
熱處理工藝為將制得的Mg-A-Zn-Ti-RE高強(qiáng)度、大塑性鎂合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化處理，溫度為410-440°C，時(shí)間為4-10小時(shí)，淬水；將經(jīng)固溶強(qiáng)化處理后的鎂合金進(jìn)行時(shí)效處理，溫度為170-190°C，時(shí)間為20-40小時(shí)。
本發(fā)明所具有的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)為(1)利用微合金化，形成細(xì)小彌散、均勻分布的穩(wěn)定第二相，有效提高了鎂合金的室溫拉伸強(qiáng)度及延伸率。以Mg-3Al-2Zn-2Ti-0. 6RE (30%Nd、60%Y、10%Ce)為例，經(jīng)過熱處理后室溫抗拉強(qiáng)度為 ^5MPa，延伸率為 23. 5 % ；以 Mg-6Al-2Zn-2Ti_0. 8RE (30%Nd、50%Y、20%Gd)為例，經(jīng)過熱處理后室溫抗拉強(qiáng)度為360MPa，延伸率為19% ；而AZ系列商用形變鎂合金的室溫抗拉強(qiáng)度最高為305MPa，延伸率為11 %。Mg-Al-Si-Ti-RE合金的機(jī)械性能明顯高于AZ系列商用形變鎂合金。
(2)采用Mg-RE、Al-Ti中間合金來間接添加RE、Ti元素，能夠顯著降低合金的熔煉溫度以及減少合金在較高溫度下的停留時(shí)間，減少揮發(fā)；微合金化形成的彌散均勻分布的穩(wěn)定第二相，也可作為核心細(xì)化組織有效阻礙鎂合金高溫加熱時(shí)的晶粒長大，大大提高其高溫穩(wěn)定性。
(3)采用混合氣體1 20比例進(jìn)行氣體熔煉保護(hù)，根據(jù)液體熔融的不同階段采用溫度階段性加熱方式，形成低、中、高溫化學(xué)轉(zhuǎn)化薄膜保護(hù)技術(shù)，減少了熔融液體的揮發(fā)及夾渣，保障了鑄錠的純凈及質(zhì)量。
(4)對(duì)合金在不同溫度下的固溶和時(shí)效行為進(jìn)行了全面的研究，得到了優(yōu)化的固溶處理和時(shí)效處理工藝；合金在該處理工藝下可充分發(fā)揮其固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化效果。
具體實(shí)施方式
以下通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)描述。
實(shí)施例1熔煉Ikg鎂合金，取用純鎂錠(純度99. 95%) 960g,鋅錠(純度99. 99%) 18g，中間合金 (Α1-20Τ ) 10g, (Mg-50Nd) 3. 6g, (Mg_50Y) 7. 2g, (Mg_50Ce) 1. 2g。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為將純鎂錠、鋅錠、中間合金Mg-RE和Al-Ti先預(yù)熱至120-140°C，然后將純鎂、鋅錠置于(X)2和Ar混合氣體保護(hù)的熔爐中熔化；熔化后在 720-760°C保溫 25-；35 分鐘，升溫至 760_800°C加入 Mg-RE、Al_Ti 中間合金，待 Mg-RE、Al_Ti 中間合金熔化后將鎂液升溫至770-785°C保溫30分鐘后降溫至750_770°C，靜置10-20分鐘后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至150-200°C，得到本發(fā)明Mg-Al-Si-Ti-RE高強(qiáng)度、大塑性鎂合金。
合金的熱處理工藝為415 ！固溶處理6小時(shí)，175 ！等溫時(shí)效M小時(shí)。
本實(shí)施例所得合金，經(jīng)過熱處理后室溫抗拉強(qiáng)度為295MPa，延伸率為23. 5 %。
實(shí)施例2熔煉Ikg鎂合金，取用純鎂錠(純度99. 99%) 884g，鋁錠(純度99. 7%) 5g，鋅錠(純度 99. 99%) 20g，中間合金(Α1-20Τ ) 75g, (Mg_50Nd) 6. 4g, (Mg_50Y) 6. 4g, (Mg_50Ce) 3. 2g。
按上述成分配制合金，其熔鑄工藝為將純鎂錠、鋅錠、中間合金Mg-RE和Al-Ti 先預(yù)熱至120-140°C，然后將純鎂錠、鋁錠、鋅錠置于(X)2和Ar混合氣體保護(hù)的熔爐中熔化；熔化后在740-760°C保溫25-；35分鐘，升溫至780_800°C加入Mg-RE、Al-Ti中間合金，待Mg-RE、Al-Ti中間合金熔化后將鎂液升溫至770-785 °C保溫30分鐘后降溫至 720-750°C，靜置10-20分鐘后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至200-300°C，得到本發(fā)明Mg-Al-Si-Ti-RE高強(qiáng)度、大塑性鎂合金。
合金的熱處理工藝為435°C固溶處理6小時(shí)，185 ！等溫時(shí)效M小時(shí)。
本實(shí)施例所得合金，經(jīng)過熱處理后室溫抗拉強(qiáng)度為360MPa，延伸率為19%。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度、大塑性鎂合金的制備方法，其特征在于該鎂合金具有以下組分(wt%) 3-6% Al、1-3% ZnU. 0-2. 0%Ti、0. 35-0. 8% RE，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu 和 Ni 的總量小于0. 02 %，余量為Mg ；其中，Ti和RE以中間合金形式加入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度、大塑性鎂合金，其特征在于其所含組分RE為稀土總量，是Nd、Y、Ce、Gd中一種或兩種或三種的組合，當(dāng)為兩種時(shí)，其比例為1 1.5 1.5 (質(zhì)量比)，當(dāng)為三種時(shí)，其比例為3 4 4 6 1 2 (質(zhì)量比)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度、大塑性鎂合金的制備方法，其特征在于(1)將純鎂、鋁、鋅、中間合金Mg-RE和Al-Ti先預(yù)熱至100-180°C，然后將純鎂、鋁錠、鋅錠置于CO2 和Ar混合氣體保護(hù)的熔爐中熔化；(2)熔化后在650-760°C保溫25-45分鐘，再升溫至 760-840°C加入Mg-RE、Al-Ti中間合金，待Mg-RE、Al-Ti中間合金熔化后將鎂液升溫至 770-860°C保溫30-50分鐘；(3)再降溫至650-800°C，靜置10-20分鐘后進(jìn)行澆鑄，澆鑄用鋼制模具預(yù)先加熱至150-30(TC，制得本發(fā)明Mg-Al-Si-Ti-RE高強(qiáng)度、大塑性鎂合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度、大塑性鎂合金的制備方法，其特征在于該中間合金的組成如下Al-20Ti，Mg-50Nd, Mg-50Ce, Mg-50Y, Mg-50Gd (wt%)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度、大塑性鎂合金的制備方法，其特征在于采用的氣體保護(hù)類別為CO2和Ar混合的氣體，組成為(X)2 Ar=I 20 (體積比)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度、大塑性鎂合金的制備方法，其特征在于將制得的 Mg-Al-Zn-Ti-RE鎂合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化處理，溫度為410_440°C，時(shí)間為4_10小時(shí)，淬水。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)度、大塑性鎂合金的制備方法，其特征在于將經(jīng)固溶強(qiáng)化處理后的Mg-Al-Si-Ti-RE鎂合金進(jìn)行時(shí)效處理，溫度為170-190°C，時(shí)間為20-40小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度、大塑性鎂合金制備，其組分(wt%)為3-6%Al、1-3%Zn、1.0-2.0%Ti、0.35-0.8%RE(Nd、Y、Ce、Gd)，雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02%，余量為Mg。熔煉時(shí)將純鎂、鋁錠、鋅錠在熔爐中熔化，加入中間合金熔煉得到鎂合金，再進(jìn)行固溶強(qiáng)化處理和時(shí)效處理。本發(fā)明制得的鎂合金特點(diǎn)在于與目前商用AZ、ZK系列鎂合金相比，具有高強(qiáng)度(＞350MPa)、高韌性(延伸率＞20%)、低密度、阻燃性好等兼具一體的綜合性能。
文檔編號(hào)C22C1/03GK102534329SQ20121008625
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者柴祥, 田哿, 黃巍 申請(qǐng)人:成都青元泛鎂科技有限公司