CN103146973B - 一种耐高温稀土镁合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：3%～5%Y，0.5%～2.5%Nd，0.5%～2.5%Sm，0.2%～1%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%，余量为Mg。本发明的耐高温稀土镁合金，高温性能稳定，具有较高的高温抗拉强度，在300℃时，抗拉强度仍可达到200MPa以上；本发明的耐高温稀土镁合金与商用耐热镁合金WE43合金相比，具有更好的强度性能和更高的使用温度，在航空航天、汽车工业、武器装备等方面有着广阔的应用前景。

Description

一种耐高温稀土镁合金

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种耐高温稀土镁合金。

背景技术

镁是最轻的金属结构材料，在汽车上应用日益增多。汽车采用镁合金可以减重，同时减少了尾气排放，因此进行镁合金的研究开发对于节约能源、抑制环境污染有着重要意义。但是，镁合金的强度和耐热性能不佳，严重阻碍其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的应用，因此提高镁合金的强度和耐热性能是镁合金材料研究领域的重要课题。

现有的耐热镁合金主要从限制位错运动和强化晶界入手，通过适当的合金化，引入热稳定性高的第二相、降低元素在镁基体中的扩散速率或者改善晶界结构状态和组织形态等，实现提高镁合金热强性和高温蠕变抗力的目的。目前，在所有合金元素中，稀土（RE）是提高镁合金耐热性能最有效的合金元素。大部分稀土元素在镁中具有较大的固溶度极限，而且随温度下降，固溶度急剧减小，可以得到较大的过饱和度，从而在随后的时效过程中析出弥散的、高熔点的稀土化合物相；稀土元素还可以细化晶粒、提高室温强度，而且分布在晶内和晶界（主要是晶界）的弥散的、高熔点稀土化合物，在高温时仍能钉扎晶内位错和晶界滑移，从而提高了镁合金的高温强度；同时，稀土元素在镁基体中的扩散速率较慢，这使得Mg-RE合金适于在较高温度下长期工作。Mg-RE（如Mg-Y系）合金是重要的耐热镁合金系，具有较高的高温强度和优良的抗蠕变性能。当前在200～300℃下长期工作的镁合金零部件均为Mg-RE系合金，Mg-RE系成为发展高强耐热镁合金的一个重要合金系。

目前的商业耐热镁合金如WE43，其存在的主要不足是耐热性能不够稳定，高温时强度下降较多，还不能完全满足航空航天、军工、汽车及其它行业在较宽的温度范围特别是在200℃～300℃使用时对强度的更高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温稀土镁合金，高温性能稳定，具有较高的高温抗拉伸强度。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种耐高温稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：3%～5%Y，0.5%～2.5%Nd，0.5%～2.5%Sm，0.2%～1%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%，余量为Mg。

所述Y、Nd和Sm的质量百分比之和为6%～7%。

所述稀土镁合金是由Mg、Sb和中间合金Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm为原料熔炼铸造并经过热处理制成的。按组分配制合金，其熔铸工艺为：采用刚玉坩埚、中频感应炉，在CO₂+SF₆（体积比100:1）混合气体保护下熔炼，先加入Mg，熔化后加入Sb和中间合金，待镁液升温至750℃时，浇铸到钢制模具中，得铸态镁合金，后进行热处理。所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。所述固溶处理的处理温度为525℃，处理时间为8小时。所述时效处理的处理温度为225℃，处理时间为16小时。

本发明合金组分为Mg-Y-Nd-Sm-Sb。本发明采用Y为第一组分，Y在Mg固溶体中的最大固溶度为12wt%，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Y的加入量不低于3wt%，而又为了避免合金密度增加太多，以及合金过分脆化，因此本发明的Y加入量不高于5wt%；采用轻稀土Nd、Sm与重稀土Y组合使用，Nd、Sm可以降低Y在Mg中的固溶度，从而增加Y的时效析出强化效应；Nd、Sm在Mg中的最大固溶度分别为3.6wt%、5.7wt%，为了保证强化效果而又尽量降低总的稀土含量，因此本发明的Nd、Sm加入量均不高于2.5wt%；加入少量的Sb可改善镁合金的力学性能，Sb可细化晶粒，提高室温强度，也可与Mg生成高熔点强化相Mg₃Sb₂，改善高温强度，但Sb过量会影响铸造性能和力学性能，因此本发明的Sb加入量不高于1wt%；综合利用稀土元素Y、Nd、Sm和元素Sb的强化作用，进一步提高合金的室温和高温强度。

本发明的耐高温稀土镁合金，组分为Mg-Y-Nd-Sm-Sb，具有较高的高温抗拉强度，在300℃时，抗拉强度仍可达到200MPa以上，高温性能稳定；本发明的耐高温稀土镁合金与商用耐热镁合金WE43合金相比，具有更好的强度性能和更高的使用温度，在航空航天、汽车工业、武器装备等方面有着广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明具体实施方式中涉及到的原料镁（Mg）、锑（Sb），中间合金Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm均为市售产品。所述原料的纯度为99.8%的Mg，99.5%的Sb，99.8%的Mg-25%Y、Mg-20%Nd和Mg-25%Sm。

实施例1

本实施例的耐高温稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5%Y，1%Nd，1%Sm，0.5%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%，余量为Mg。Y、Nd和Sm的质量百分比之和为7%。

本实施例的耐高温稀土镁合金是由Mg、Sb和中间合金Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm为原料熔炼铸造并经过热处理制成的。按组分配制合金，其熔铸工艺为：采用刚玉坩埚、中频感应炉，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，待镁液升温至750℃时，浇铸到钢制模具中，即得Mg-5Y-1Nd-1Sm-0.5Sb铸态镁合金，后进行热处理，热处理工艺为：525℃固溶处理8小时，225℃等温时效处理16小时。

实施例2

本实施例的耐高温稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：4%Y，0.5%Nd，2.5%Sm，0.2%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%，余量为Mg。Y、Nd和Sm的质量百分比之和为7%。

本实施例的耐高温稀土镁合金是由Mg、Sb和中间合金Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm为原料熔炼铸造并经过热处理制成的。按组分配制合金，其熔铸工艺为：采用刚玉坩埚、中频感应炉，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，待镁液升温至750℃时，浇铸到钢制模具中，即得Mg-4Y-0.5Nd-2.5Sm-0.2Sb铸态镁合金，后进行热处理，热处理工艺为：525℃固溶处理8小时，225℃等温时效处理16小时。

实施例3

本实施例的耐高温稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：3%Y，2.5%Nd，0.5%Sm，1%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.2%，余量为Mg。Y、Nd和Sm的质量百分比之和为6%。

本实施例的耐高温稀土镁合金是由Mg、Sb和中间合金Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm为原料熔炼铸造并经过热处理制成的。按组分配制合金，其熔铸工艺为：采用刚玉坩埚、中频感应炉，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，待镁液升温至750℃时，浇铸到钢制模具中，即得Mg-3Y-2.5Nd-0.5Sm-1Sb铸态镁合金，后进行热处理，热处理工艺为：525℃固溶处理8小时，225℃等温时效处理16小时。

实验例

将实施例1～3所得耐高温稀土镁合金进行拉伸强度试验，试验方法为：将实施例1～3所得耐高温稀土镁合金，按照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》加工成5倍标准拉伸试样，在日本岛津AG-I250kN电子拉伸试验机上进行拉伸，拉伸速率为1mm/min；在进行高温拉伸时，要保温10分钟，再进行拉伸。拉伸强度试验结果如表1所示：

表1实施例1～3的耐高温稀土镁合金的拉伸强度试验结果

由表1可以看出，在室温、200℃、300℃时，实施例1～3的耐高温稀土镁合金的抗拉强度不低于商用耐热镁合金WE43在这些温度下的抗拉强度；在300℃时，商用耐热镁合金WE43的抗拉强度下降到160MPa，而本发明的实施例1～3的耐高温稀土镁合金的抗拉强度仍保持在200MPa以上，说明本发明的实施例1～3的耐高温稀土镁合金，在保持室温到250℃之间时具有较高的抗拉强度的同时，在250℃到300℃之间，其抗拉强度下降缓慢，且到300℃时，其抗拉强度仍在200MPa以上，具有较高的使用温度和较高的高温抗拉强度，高温性能稳定，能满足航空航天、军工、汽车及其它行业在较宽的温度范围特别是在200℃～300℃使用时对强度的要求。

Claims (2)

1. 一种耐高温稀土镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：4%Y，0.5%Nd，2.5%Sm，0.2%Sb，杂质元素Si、Fe、Cu 和Ni 总量小于0.2%，余量为Mg。

2. 根据权利要求1 所述的耐高温稀土镁合金，其特征在于：所述稀土镁合金是由Mg、Sb和中间合金Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Sm 为原料熔炼铸造并经过热处理制成的。