CN102154580B

CN102154580B - 高强度耐热镁合金材料及其制备工艺

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Publication number: CN102154580B
Application number: CN201110119965A
Authority: CN
Inventors: 赵德刚; 刘运腾; 田长文; 唐守秋; 姜利坤
Original assignee: University of Jinan; Institute of New Materials
Current assignee: University of Jinan; Institute of New Materials
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: CN102154580A

Abstract

本发明涉及一种高强度耐热镁合金材料及其制备工艺，材料的质量百分比组成为：Al6～10％，Zn 0.5～2％，B 0.02～0.3％，Nd 0.2～1.5％，Gd 0.2～1.5％，Mn 0.1～0.6％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.003％，Cu≤0.01％，余量为Mg。熔炼时以中间合金的形式依次向镁熔体中添加Gd、Nd和B，然后浇铸于金属模具中，得到的合金固溶处理和时效热处理后得材料。本发明材料用B部分取代稀土，稀土含量低，降低了成本；制备工艺利于微合金化作用，使材料具有较高的高温强度，可作为汽车零部件及其他服役温度较高的结构材料。

Description

高强度耐热镁合金材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种镁合金材料，特别涉及高强度耐热镁合金材料及其制备工艺，属于金属材料及冶金技术领域。

背景技术

镁合金是目前应用的最轻的结构金属材料，其具有高的比强度比刚度、优良的铸造性能和机械加工性能，在汽车、电子、航空航天等领域显示出了广阔的应用前景，由于其密度低，镁合金成为替代铝合金、钢铁等的重要材料，它的利用对减重和节能降耗特别显著。虽然镁合金的室温性能优异，但是较差的耐热性能限制了镁合金在服役温度要求较高的汽车部件上的应用，如发动机部件和传动部件。因此提高镁合金在120-200℃时的高温强度，开发具有良好铸造性能的耐热镁合金是镁合金在汽车领域广泛应用的关键。

目前商业用耐热镁合金的研发主要集中通过添加稀土等元素提高其耐热性能，类似的发明专利如CN101130842A、CN101532107A、CN101225493A等都有涉及。如在CN1814837A中，李大全等发明的耐热镁合金含有2-6％Sm和3-12％Y，在王渠东等的CN101463441A中，耐热镁合金含有2-10％Gd和3-16％Y，尽管这类耐热镁合金力学性能都比较高，但添加稀土量都比较高(一般大于4％)，成本较高，大大限制了其商业应用。因此非常有必要利用多元微合金化方法通过其他元素取代或部分取代稀土元素的合金化作用，降低稀土含量。由于B元素在Mg-Al系合金中会优先形成密排六方结构的AlB₂(熔点为980℃)相，其(0001)面与α-Mg(0001)面的错配度为6.24％，满足共格对应的错配度条件，因此AlB₂在理论上可作为α-Mg良好的异质核心，能够使α-Mg晶粒细化，一定程度可以增强合金力学性能。因此为了降低合金的成本，力争用B部分取代稀土对镁合金进行合金化改性，开发出一种低成本的耐热镁合金制备技术

发明内容：

本发明目的在于提供一种高强度耐热镁合金材料及其制备工艺，该种材料低成本、高温耐热性能良好。

本发明采取的技术方案为：

高强度耐热镁合金材料，其质量百分比组成为：

Al 6～10％，Zn 0.5～2％，B 0.02～0.3％，Nd 0.2～1.5％，Gd 0.2～1.5％，Mn 0.1～0.6％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.003％，Cu≤0.01％，余量为Mg。

所述的高强度耐热镁合金材料，其质量百分比组成优选：Al 7～9％，Zn0.5～2％，B 0.03～0.1％，Nd 0.2～1.5％，Gd 0.2～1.5％，Mn 0.1～0.6％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.003％，Cu≤0.01％，余量为Mg。

高强度耐热镁合金材料的制备工艺，包括步骤如下：

1)按照合金成分进行备料，将镁锭(99.99％)、铝锭(99.99％)、锌锭(99.99％)、锰片(99.9％)、Al-B中间合金(3.0～4.0％B)，Mg-Nd中间合金(25～30％Nd)，Mg-Gd中间合金(25～30％Gd)及浇铸用金属模具预热至160-200℃；

2)在惰性气体和SF₆混合气体(0.01％-0.8％SF₆)保护条件下，将镁锭电炉加热，待镁锭熔化升温至710-730℃，依次加入铝锭、锌锭、锰片，熔化后再将Mg-Nd中间合金加入其中，待Mg-Nd中间合金熔化合金液温度回升至720-750℃时再加入Mg-Gd中间合金熔化，将得到的合金液升至750-780℃加入Al-B中间合金，待其熔化后搅拌3-5分钟，搅拌完成后保温15-20分钟；

3)将步骤2)得到的合金熔液温度调整至700-730℃，静置2-5分钟，撇去合金液表面浮渣及覆盖剂，将合金液浇铸于金属模具中，得到的铸态合金；

4)将铸态合金在390-450℃下进行8-18小时的固溶处理，固溶处理后的合金在180-250℃下进行15-30小时的时效处理。

本发明为含B及Nd、Gd复合强化的Mg-Al合金，通过改变熔铸、热加工和热处理的工艺条件充分发挥了B的晶粒细化和Nd、Gd稀土元素的微合金化作用，使合金在较少稀土元素含量的情况下获得室温和高温强度下都比较高的力学性能。

本发明的有益效果是：

(1)用B部分取代稀土，稀土含量低，降低了成本；

(2)制备工艺利于微合金化作用，使材料具有较高的高温强度，可作为汽车零部件及其他服役温度较高的结构材料。

(3)本发明获得的合金在200℃温度条件下，抗拉强度高于100Mpa，延伸率不低于10％。

附图说明：

图1：按照实施例1制备的合金的XRD衍射图。

图2：按照实施例1制备的合金的铸态微观组织照片。

图3：按照实施例1制备的合金热处理后微观组织照片。

具体实施方式：

以下通过具体实例来说明本发明。

实施例1

高强度耐热镁合金材料的成分(重量百分比)为：7.5％Al，0.8％Zn，0.02％B，1％Nd，0.8％Gd，0.2％Mn，杂质元素Si、Fe、Cu、Ni总量小于0.02％，余量为Mg。

按照上述成分配制合金，其熔铸工艺为：先将纯镁锭、铝锭、锌锭、Al-B中间合金，Mg-Nd中间合金，Mg-Gd中间合金预热至160℃，然后将纯镁、铝锭、锰片放入CO₂/SF₆气体保护的熔炉中熔化，熔化后搅拌均匀，待温度到720℃加入Mg-Nd中间合金，待Mg-Nd中间合金熔化镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Gd中间合金，将镁液升至750℃加入Al-B中间合金，待其熔化后搅拌3-5分钟，除去表面浮渣后静置保温15分钟；待温度在720℃进行浇铸，浇铸用模具需预先加热到160℃，浇铸得到合金进行热处理，热处理工艺为：在400℃下固溶处理12小时，180℃下进行等温时效处理20小时。

本实例所得的合金，其室温抗拉强度为251MPa，屈服强度为148MPa，延伸率为3.9％，200℃的抗拉强度为123MPa，屈服强度为98MPa，延伸率为18.5％。

实施例2

高强度耐热镁合金材料的成分(重量百分比)为：8.5％Al，1.2％Zn，0.03％B，1.5％Nd，1.0％Gd，0.3％Mn，杂质元素Si、Fe、Cu、Ni总量小于0.02％，余量为Mg。

按照上述成分配制合金，其熔铸工艺为：先将纯镁锭、铝锭、锌锭、Al-B中间合金，Mg-Nd中间合金，Mg-Gd中间合金预热至200℃，然后将纯镁、铝锭、锰片放入CO₂/SF₆气体保护的熔炉中熔化，熔化后搅拌均匀，待温度到730℃加入Mg-Nd中间合金，待Mg-Nd中间合金熔化镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Gd中间合金，将镁液升至760℃加入Al-B中间合金，待其熔化后搅拌3-5分钟，除去表面浮渣后静置保温20分钟；待温度在710℃进行浇铸，浇铸用模具预先加热到200℃，浇铸得到合金进行热处理，热处理工艺为：在410℃下固溶处理24小时，200℃下进行等温时效48小时。

本实例所得的合金，其室温抗拉强度为259MPa，屈服强度为153MPa，延伸率为4.1％，200℃的抗拉强度为118MPa，屈服强度为101MPa，延伸率为16.3％。

实施例3

高强度耐热镁合金材料的成分(重量百分比)为：9.1％Al，1.5％Zn，0.05％B，0.8％Nd，1.5％Gd，0.25％Mn，杂质元素Si、Fe、Cu、Ni总量小于0.02％，余量为Mg。

按照上述成分配制合金，其熔铸工艺为：先将纯镁锭、铝锭、锌锭、Al-B中间合金，Mg-Nd中间合金，Mg-Gd中间合金预热至180℃，然后将纯镁、铝锭、锰片放入CO₂/SF₆气体保护的熔炉中熔化，熔化后搅拌均匀，待温度到725℃加入Mg-Nd中间合金，待Mg-Nd中间合金熔化镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Gd中间合金，将镁液升至770℃加入Al-B中间合金，待其熔化后搅拌3-5分钟，除去表面浮渣后静置保温18分钟；待温度在730℃进行浇铸，浇铸用模具预先加热到200℃，浇铸得到合金进行热处理，热处理工艺为：在410℃下固溶处理18小时，190℃下进行等温时效30小时。

本实例所得的合金，其室温抗拉强度为261MPa，屈服强度为154MPa，延伸率为3.6％，200℃的抗拉强度为115MPa，屈服强度为97MPa，延伸率为17.7％。

实施例4

高强度耐热镁合金材料的成分(重量百分比)为：6％Al，1.5％Zn，0.3％B，0.8％Nd，1.5％Gd，0.25％Mn，杂质元素Si、Fe、Cu、Ni总量小于0.02％，余量为Mg。

熔铸工艺同实施例1。

本实例所得的合金，其室温抗拉强度为251MPa，屈服强度为152MPa，延伸率为3.5％，200℃的抗拉强度为113MPa，屈服强度为96MPa，延伸率为16.7％。

实施例5

高强度耐热镁合金材料的成分(重量百分比)为：7％Al，1.5％Zn，0.1％B，0.8％Nd，1.5％Gd，0.25％Mn，杂质元素Si、Fe、Cu、Ni总量小于0.02％，余量为Mg。

熔铸工艺同实施例1。

本实例所得的合金，其室温抗拉强度为262MPa，屈服强度为156MPa，延伸率为3.6％，200℃的抗拉强度为119MPa，屈服强度为97MPa，延伸率为17.5％。

Claims

1.高强度耐热镁合金材料，其特征是，其质量百分比组成为：

Al 6～10％，Zn 0.5～2％，B 0.02～0.3％，Nd 0.2～1.5％，Gd 0.2～1.5％，Mn 0.1～0.6％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.003％，Cu≤0.01％，余量为Mg；其制备包括步骤如下：

1)在惰性气体和SF₆混合气体保护条件下，将镁锭电炉加热，待镁锭熔化升温至710-730℃，依次加入铝锭、锌锭、锰片，熔化后再将Mg-Nd中间合金加入其中，待Mg-Nd中间合金熔化合金液温度回升至720-750℃时再加入Mg-Gd中间合金熔化，将得到的合金液升至750-780℃加入Al-B中间合金，待其熔化后搅拌3-5分钟，搅拌完成后保温15-20分钟；

2)将步骤1)得到的合金熔液温度调整至700-730℃，静置2-5分钟，撇去合金液表面浮渣及覆盖剂，将合金液浇铸于金属模具中，得到铸态合金；

3)将铸态合金经固溶处理和时效处理的热处理后得产品。

2.根据权利要求1所述的高强度耐热镁合金材料，其特征是，其质量百分比组成为：Al 7～9％，Zn 0.5～2％，B 0.03～0.1％，Nd 0.2～1.5％，Gd 0.2～1.5％，Mn 0.1～0.6％，杂质元素Si≤0.02％，Fe≤0.003％，Cu≤0.01％，余量为Mg。

3.根据权利要求1所述的高强度耐热镁合金材料，其特征是，步骤3)热处理为在390-450℃下进行8-18小时的固溶处理，固溶处理后的合金在180-250℃下进行15-30小时的时效处理。

4.根据权利要求1所述的高强度耐热镁合金材料，其特征是，所述的A1-B中间合金含3.0～4.0％质量的B。

5.根据权利要求1所述的高强度耐热镁合金材料，其特征是，所述的Mg-Nd 中间合金含25～30％质量的Nd。

6.根据权利要求1所述的高强度耐热镁合金材料，其特征是，所述的Mg-Gd中间合金含25～30％质量的Gd。