本發(fā)明涉及有色金屬領(lǐng)域，尤其涉及一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金及制備方法。
背景技術(shù)：
鎂合金是實(shí)用金屬中密度最低的金屬，具有比強(qiáng)度高、比剛度好、抗震減噪性能好等特點(diǎn)，是較為理想的金屬結(jié)構(gòu)材料。目前鎂合金產(chǎn)品主要以壓鑄件為主，高性能的鍛件應(yīng)用很少。其主要原因是鎂合金常溫塑性差，對變形速率敏感，鍛造成型困難。鎂合金晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，常溫下可開動的滑移系較少，塑性變形能力差。自由鍛造的應(yīng)變狀態(tài)是一向壓縮兩相延伸，這對發(fā)揮鎂合金的塑性不利。所以鎂合金鍛造時應(yīng)精確地控制變形速度、變形率及其它工藝參數(shù)。目前對鍛造鎂合金的研究主要集中在如何合理的控制組織、細(xì)化晶粒及適當(dāng)?shù)目刂茰囟确秶c變形速率等方面以提高或改善鎂合金的塑性變形能力。
我國具有豐富的鎂資源，耐熱鎂合金的研究和開發(fā)符合汽車、航空航天等工業(yè)發(fā)展要求。鎂合金的研究也引起了我國的高度重視，已列入“十五”規(guī)劃的重大專項(xiàng)攻關(guān)課題，高溫鎂合金也是“十一五”規(guī)劃中材料研究的重點(diǎn)。值得重視的是，現(xiàn)有鎂合金在汽車上的用量遠(yuǎn)沒有達(dá)到人們期待的水平，鎂合金的研究與應(yīng)用都有著很長的路要走。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明,在過去10年里,鎂合金壓鑄件在汽車上的使用量上升了15％左右,這種發(fā)展趨勢將會在今后很長的時間內(nèi)持續(xù)下去。目前，鎂合金在汽車上的應(yīng)用還僅局限于一些在常溫下運(yùn)行的殼體型零件(如手動變速器殼和蓋、離合器殼等)和車內(nèi)部件(如方向盤系統(tǒng)、儀表面板等)，而這些零件在整車中所占重量比是十分有限的。要達(dá)到每臺車上用185公斤鎂合金的目標(biāo)，必須實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)和底盤零件(包括輪轂)的鎂合金化。這就對鎂合金的性能提出了更高要求。發(fā)動機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)的零件要求材料具有優(yōu)良的耐熱性能(高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能)，而底盤零件則需要高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞和耐腐蝕性能。因此，開發(fā)新型高性能、低成本的鎂合金是當(dāng)前世界汽車業(yè)急需解決的重大課題。
中國專利cn1804083a記載了一種高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金，其組成為：2-10％重量比的gd,3-12％重量比的y,gd和y的重量之和占該合金總重量的13％-14％，以及0.4％-0.7％重量比的zr和不大于0.3％重量比的活化元素(zn,ag,cu,sr,ca,ti,bi,cd中任選一種)，或0.6％-1.5％重量比的mn和不大于0.3％重量比的活化元素(sn、si、sb、ca、sr中任選一種)，其余為mg。這種稀土鎂合金的析出物總是沿著基體的棱柱面析出，形成一種交叉的網(wǎng)狀相結(jié)構(gòu)，具有能高度抗粒子粗化，提供高度強(qiáng)化和蠕變抗力的作用。其在300℃應(yīng)用條件下，瞬時極限拉伸強(qiáng)度為180mpa。然而，在該專利中，ca含量不大于0.3％，并且沒有加入nd元素。其在300℃的瞬時極限拉伸強(qiáng)度并沒有極大的發(fā)揮，如果ca含量超過0.3％，并適當(dāng)?shù)睦盟牡诙鄰?qiáng)化作用，會得到300℃的瞬時極限拉伸強(qiáng)度超過200mpa的合金。
中國專利cn101078080a記載了一種抗蠕變鎂合金，該鎂合金成分及其重量百分比為：1.5-10wt.％y,0.15-2.0wt.％zr,0.3-2.0wt.％nd,2.5-8wt.％gd，及sm、dy、tb、ho、er、tm和eu中一種或幾種，其中0-1.5wt.％sm,0-5wt.％dy；0-5wt.％tb；0-5wt.％ho，0-5wt.％er,0-5wt.％tm,0-5wt.％eu，其余為mg。該專利中雖然包括了y,gd和nd合金元素，但沒有包括ca元素和高于10wt.％以上的y以及高于2wt.％以上含量的nd,以及并未包含si、sb、ti、sn、sr、bi、cd等元素。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金及制備方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金，其質(zhì)量百分比為：gd6-13％、y2-6％、zr0.3-0.8％、ca0.3-0.6％、si≤0.01％、富鈰混合稀土0.7-3.0％，其余為mg。本發(fā)明合金中zr是作為合金晶粒細(xì)化粒而添加的。
一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金的制備方法，包括熔煉工藝和熱處理工藝，所述熔煉工藝包括以下步驟：
s1、備料：準(zhǔn)備含配制合金總重量6-13％gd的mg–gd中間合金，含2-6％y的mg–y中間合金，含0.3-0.6％ca的mg–ca中間合金,含0.3-0.8％zr的k2zrf6混合鹽，余量為純mg；
s2、烘料：將mg–gd中間合金、mg–y中間合金、mg–ca中間合金、k2zrf6混合鹽、純mg在180-220℃預(yù)熱烘干；
s3、熔鎂：將烘干后的純mg熔化成mg液；
s4、加gd和y：向720-740℃的mg液中加入中間合金mg–gd，熔化得mg–gd熔液；所述mg–gd熔液溫度回升至720-740℃條件下加入mg–y中間合金，熔化得mg–gd–y熔液；
s5、加si：將mg–gd–y熔液溫度升至740-780℃條件下加入si，熔化得mg–gd–y-si熔液；
s6、加富鈰混合稀土：將mg–gd–y-si熔液升溫至760-780℃條件下加入k2zrf6混合鹽混合鹽和富鈰混合稀土，熔化得混合熔液；
s7、砂型鑄造：將混合熔液的溫度升至760-780℃，保溫25-35分鐘；然后降溫至740-760℃，不斷電精煉10-15分鐘；再升溫至770-780℃靜置25-35分鐘；在720-740℃條件下撇去表面浮渣并進(jìn)行澆鑄，得到鎂合金。
所述熱處理工藝的步驟如下：
s1、三級固溶處理：首先對鎂合金在中溫300-350℃保溫1小時，取出后迅速置于80℃熱水中進(jìn)行淬火；然后在次高溫400-460℃保溫4小時，取出后迅速置于80℃熱水中進(jìn)行淬火；最后在高溫480-520℃保溫4-20小時，取出后迅速置于80℃熱水中進(jìn)行淬火；
s2、時效處理：對固溶處理后的合金在200-240℃保溫8-24小時，取出后空冷至室溫。
優(yōu)選地，所述熔煉工藝的步驟s3中熔化采用坩堝電阻爐。
優(yōu)選地，所述熔煉工藝的步驟s7中澆鑄用模具預(yù)先加熱至220-250℃。
優(yōu)選地，所述富鈰混合稀土的成分含量為：ce50±5％；la30±3％；nd15±2％；pr：5±1％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
1、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有顯著進(jìn)步，提供的耐熱鎂合金除具有重量輕、工藝簡單、成本可接受之外，還具有良好的塑性、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。
2、本發(fā)明能夠充分發(fā)揮高稀土合金和高含鈣量的綜合優(yōu)勢，得到3000c的瞬時極限拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)262mpa的高強(qiáng)度高抗蠕變的鎂合金，并且本發(fā)明范圍內(nèi)的合金在300℃的瞬時極限拉伸強(qiáng)度均高于190mpa。
3、本發(fā)明所述的鎂合金通過普通鑄造的方法就可以獲得，通過后續(xù)熱處理工藝進(jìn)行處理會得到優(yōu)異性能的高強(qiáng)度高抗蠕變的耐熱鎂合金。適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，特別適合于在高溫300-350℃的情況下使用。
具體實(shí)施方式
下面將對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。
本發(fā)明選取中國專利cn1804083a作為對比例，其記載了一種高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金，其組成為：2-10％重量比的gd,3-12％重量比的y,gd和y的重量之和占該合金總重量的13％-14％，以及0.4％-0.7％重量比的zr和不大于0.3％重量比的活化元素(zn,ag,cu,sr,ca,ti,bi,cd中任選一種)，或0.6％-1.5％重量比的mn和不大于0.3％重量比的活化元素(sn、si、sb、ca、sr中任選一種)，其余為mg。這種稀土鎂合金的析出物總是沿著基體的棱柱面析出，形成一種交叉的網(wǎng)狀相結(jié)構(gòu)，具有能高度抗粒子粗化，提供高度強(qiáng)化和蠕變抗力的作用。
該專利t6態(tài)的室溫力學(xué)性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強(qiáng)度：180mpa，屈服強(qiáng)度：100mpa，延伸率：6.8％，彈性模量：35gpa，穩(wěn)態(tài)蠕變速率：6.0×10-7/％·s。
實(shí)施例一
一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金，其質(zhì)量百分比為：gd8％、y4％、zr0.5％、ca0.4％、si0.005％、富鈰混合稀土2.1％，其余為mg。
一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金的制備方法，包括熔煉工藝和熱處理工藝，所述熔煉工藝包括以下步驟：
s1、備料：準(zhǔn)備含配制合金總重量8％gd的mg–gd中間合金，含4％y的mg–y中間合金，含0.4％ca的mg–ca中間合金,含0.5％zr的k2zrf6混合鹽，余量為純mg；
s2、烘料：將mg–gd中間合金、mg–y中間合金、mg–ca中間合金、k2zrf6混合鹽、純mg在180-220℃預(yù)熱烘干；
s3、熔鎂：將烘干后的純mg熔化成mg液；
s4、加gd和y：向720-740℃的mg液中加入中間合金mg–gd，熔化得mg–gd熔液；所述mg–gd熔液溫度回升至720-740℃條件下加入mg–y中間合金，熔化得mg–gd–y熔液；
s5、加si：將mg–gd–y熔液溫度升至740-780℃條件下加入si，熔化得mg–gd–y-si熔液；
s6、加富鈰混合稀土：將mg–gd–y-si熔液升溫至760-780℃條件下加入k2zrf6混合鹽混合鹽和富鈰混合稀土，熔化得混合熔液；
s7、砂型鑄造：將混合熔液的溫度升至760-780℃，保溫25-35分鐘；然后降溫至740-760℃，不斷電精煉10-15分鐘；再升溫至770-780℃靜置25-35分鐘；在720-740℃條件下撇去表面浮渣并進(jìn)行澆鑄，得到鎂合金。
所述熱處理工藝的步驟如下：
s1、三級固溶處理：首先對鎂合金在中溫300-350℃保溫1小時，取出后迅速置于80℃熱水中進(jìn)行淬火；然后在次高溫400-460℃保溫4小時，取出后迅速置于80℃熱水中進(jìn)行淬火；最后在高溫480-520℃保溫4-20小時，取出后迅速置于80℃熱水中進(jìn)行淬火；
s2、時效處理：對固溶處理后的合金在200-240℃保溫8-24小時，取出后空冷至室溫。
實(shí)施例一t6態(tài)的室溫力學(xué)性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強(qiáng)度：180mpa，屈服強(qiáng)度：100mpa，延伸率：6.8％，彈性模量：35gpa，穩(wěn)態(tài)蠕變速率：6.0×10-7/％·s。
實(shí)施例二
一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金，其質(zhì)量百分比為：gd6％、y2％、zr0.3％、ca0.3％、si0.01％、富鈰混合稀土0.7％，其余為mg。
實(shí)施例二t6態(tài)的室溫力學(xué)性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強(qiáng)度：370mpa，屈服強(qiáng)度：330mpa，延伸率：5.5％，彈性模量：52gpa，穩(wěn)態(tài)蠕變速率：3.4×10-7/％·s。
實(shí)施例三
一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金，其質(zhì)量百分比為：gd10％、y4％、zr0.5％、ca0.4％、si0.01％、富鈰混合稀土2.0％，其余為mg。
實(shí)施例三t6態(tài)的室溫力學(xué)性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強(qiáng)度：377mpa，屈服強(qiáng)度：340mpa，延伸率：5.0％，彈性模量：59gpa，穩(wěn)態(tài)蠕變速率：4.0×10-7/％·s。
實(shí)施例四
一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金，其質(zhì)量百分比為：gd11％、y5％、zr0.6％、ca0.5％、si0.01％、富鈰混合稀土2.5％，其余為mg。
實(shí)施例四t6態(tài)的室溫力學(xué)性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強(qiáng)度：370mpa，屈服強(qiáng)度：320mpa，延伸率：5.5％，彈性模量：62gpa，穩(wěn)態(tài)蠕變速率：2.6×10-7/％·s。
實(shí)施例五
一種高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金，其質(zhì)量百分比為：gd13％、y6％、zr0.8％、ca0.6％、si0.01％、富鈰混合稀土3.0％，其余為mg。
實(shí)施例五t6態(tài)的室溫力學(xué)性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強(qiáng)度：375mpa，屈服強(qiáng)度：325mpa，延伸率：6.0％，彈性模量：65gpa，穩(wěn)態(tài)蠕變速率：1.5×10-7/％·s。
下表1中列出了現(xiàn)有技術(shù)對比例與本發(fā)明實(shí)施例二-實(shí)施例五的室溫力學(xué)性能和高溫抗蠕變能力數(shù)據(jù)，由表1可以看出，本發(fā)明的鎂合金強(qiáng)度、塑性和耐熱性能配合較好，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢。
表1對比例與實(shí)施例的室溫力學(xué)性能和高溫抗蠕變能力比較