CN104404330A - 一种高强度高塑性稀土镁合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度高塑性稀土镁合金，按质量百分比，包括：1～4％ Zn、0.1～2.5％ Ni、6～12％ M，0～1％ Zr，其余为Mg和不可避免的杂质，其中，所述M为Dy、Ho、Er、Tm中的一种或多种。本发明还公开了其制备方法和应用。本发明通过添加合适的稀土以及合理的均匀化处理工艺，制备得到的高强高塑性稀土镁合金强度高、塑性大、比重小，制备工艺简单、成本较低，适合规模化工业生产，可以在军工、航空航天等领域应用。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种高强度高塑性稀土镁合金及其制备方法和应用。
背景技术
镁合金具有密度小、比强度高、导热性好及易于回收等优点，广泛用于交通工具、3C产品和航空航天等领域。
镁合金中适量的稀土可以细化合金的铸态组织晶粒，提高合金强度；稀土可以有效提高镁合金室温、高温性能和断裂性能；稀土还是提高镁合金耐热性能最有效的合金元素，提高高温蠕变抗力。我国是稀土资源大国，但是稀土利用率远低于发达国家。如何合理利用已有资源，开发含有稀土的高强、高塑、耐热镁合金，扩大镁合金材料的应用领域，增加其用量；深入进行稀土镁合金的开发与应用，研制具有高性能的镁合金工程材料，这对我国的航天航空、交通运输、军工国防和工程建设等领域都有重大意义，同时能够缓解资源、能源和环保形势，提高我国国际竞争力。
现有稀土镁合金的强度不足，远低于铁基、钛基合金，同时机械性能、耐腐蚀性能、耐高温性能较差，这些缺点使镁合金的应用范围比较局限。因此，开发具有高强度、高韧性以及良好耐热性的镁合金，对拓展镁合金的应用领域，具有重要意义。
发明内容
本发明目的是提供一种高强度高塑性稀土镁合金及其制备方法和应用，以解决现有技术的不足，大大提高了镁合金的强度、改善了镁合金的塑性。
本发明采用以下技术方案：
一种高强度高塑性稀土镁合金，按质量百分比，包括：1～4％Zn、0.1～2.5％Ni、6～12％M，0～1％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质，其中，所述M为Dy、Ho、Er、Tm中的一种或多种。
进一步地，所述高强度高塑性稀土镁合金，按质量百分比计，包括1～2％Zn、0.1～1.0％Ni、6～10％M，0～1％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质，其中，所述M为Dy、Ho、Er、Tm中的一种或多种。
进一步地，所述高强度高塑性稀土镁合金，按质量百分比计，包括：1.5％Zn、0.5％Ni、10％M，0～1％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质，其中，所述M为Dy、Ho、Er、Tm中的一种或多种。
上述高强度高塑性稀土镁合金中所述不可避免的杂质按质量百分比计，Si、Fe、Cu总质量百分比小于0.02％。
上述高强度高塑性稀土镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1)将坩埚预热到400℃～500℃时，撒上0.1％～1％炉料重的熔剂，随后熔炼镁锭，再撒上熔剂；
2)镁锭熔炼好之后，加入Zr、M，搅拌均匀；
3)温度升到680℃～780℃时，加入Zn、Ni，搅拌直至合金液呈现镜面，搅拌过程中，多次在合金液面均匀地撒上熔剂；
4)加入精炼剂精炼，静置保温30min～45min，再打渣；降温至700℃～710℃进行浇注；
5)在400℃～550℃下对铸锭进行均匀化热处理10～20h，然后在380℃～500℃进行挤压或轧制。
步骤2)所述M以Mg-Dy、Mg-Ho、Mg-Er、Mg-Tm中间合金的形式加入。
本发明的镁合金设计依据为：稀土元素在镁中有较大固溶度，具有良好的固溶强化及沉淀强化作用，可以有效地改善合金组织和微观结构，可以显著细化晶粒组织，提高合金室温及高温力学性能，增强合金耐蚀性和耐热性等；稀土元素原子扩散能力差，对提高镁合金再结晶温度和减缓再结晶过程有显著作用；稀土元素的时效强化效果良好，可以析出稳定的弥散相粒子，提高镁合金的高温强度和蠕变抗力。因此本文开发出含稀土的镁合金，使它们具有高强、耐热、耐蚀等性能，有效地拓展镁合金的应用领域。本发明中稀土元素以中间合金的形式加入，使所获得的合金化学成分精确，同时提高了所添加元素在材料中的分布均匀程度。镁合金中加入Dy、Ho、Er、Tm会明显提升镁合金的强度、高温力学性能、塑性等。一定量的镍有助于提高镁合金的强度和硬度，锌有助于镁合金中长周期结构的形成，所述稀土镁合金铸态时组织中就含有长周期堆垛结构(LPSO)，能大幅度提高镁合金的强度、耐热性等性能，而锆在镁合金中具有细化作用，是铸态镁合金中有效的晶粒细化元素。
本发明的有益效果：
1)本发明通过向镁合金中添加M(Dy、Ho、Er、Tm中一种或多种)、Zn、Ni，制备了一种含有长周期结构的镁合金，提高了镁合金的强度，改善了镁合金的高温性能。此稀土镁合金其室温抗拉强度可达478MPa，延伸率为7.1％。
2)本发明提供的高强度高塑性稀土镁合金制备方法简单，其中稀土元素通过中间合金(镁-镝、镁-钬、镁-铒、镁-铥)的形式加入，成分混合更加均匀。充分利用合金的固溶强化、沉淀强化、时效强化的效果，利用M(Dy、Ho、Er、Tm中一种或多种)、Zn、Ni合金化元素的优势，得到了一种极具应用前景的高强度高塑性稀土镁合金。
综上所述，本发明通过添加合适的稀土以及合理的均匀化处理工艺，制备得到的高强高塑性稀土镁合金强度高、塑性大、比重小，制备工艺简单、成本较低，适合规模化工业生产，可以在军工、航空航天等领域应用。
附图说明
图1为实施例1制备的镁合金挤压棒材显微组织。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
以下实施例中Dy、Ho、Er、Tm分别以Mg-Dy、Mg-Ho、Mg-Er、Mg-Tm中间合金的形式加入；Mg-Dy、Mg-Ho、Mg-Er、Mg-Tm均为市售产品，其具体成分为：Mg-30wt％Dy，Mg-25wt％Ho，Mg-25wt％Er，Mg-20wt％Tm。熔剂为RJ-5熔剂。
实施例1
本实施例的稀土镁合金是由以下质量百分比的成分组成：1％Zn、0.1％Ni、6％Dy和6％Ho，其余为Mg和不可避免的杂质(Si、Fe、Cu总质量百分比小于0.02％)。
本实施例的稀土镁合金的制备方法为：
1)将坩埚预热到400℃，撒上0.1％炉料重的熔剂，随后熔炼镁锭，再撒上熔剂。
2)镁锭熔炼好之后，加入Dy和Ho，搅拌均匀。
3)温度升到680℃，加入Zn、Ni，搅拌直至合金液呈现镜面，搅拌过程中，多次在合金液面均匀地撒上熔剂。
4)加入精炼剂精炼，静置保温30min，再打渣；降温至700℃进行浇注。
5)在400℃下对铸锭进行均匀化热处理20h，然后在380℃进行挤压，镁合金挤压棒材显微组织如图1所示。
实施例2
本实施例的稀土镁合金是由以下质量百分比的成分组成：4％Zn、2.5％Ni、3.5％Er和2.5％Tm、1％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质(Si、Fe、Cu总质量百分比小于0.02％)。
本实施例的稀土镁合金的制备方法为：
1)将坩埚预热到500℃，撒上1％炉料重的熔剂，随后熔炼镁锭，再撒上熔剂。
2)镁锭熔炼好之后，加入Er、Tm和Zr，搅拌均匀。
3)温度升到780℃，加入Zn、Ni，搅拌直至合金液呈现镜面，搅拌过程中，多次在合金液面均匀地撒上熔剂。
4)加入精炼剂精炼，静置保温45min，再打渣；降温至710℃进行浇注。
5)在550℃下对铸锭进行均匀化热处理10h，然后在500℃进行轧制。
实施例3
本实施例的稀土镁合金是由以下质量百分比的成分组成：1.5％Zn、0.5％Ni、2.5％Dy、3％Ho、2.5％Er、2％Tm，0.5％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质(Si、Fe、Cu总质量百分比小于0.02％)。
本实施例的稀土镁合金的制备方法为：
1)将坩埚预热到420℃，撒上0.2％炉料重的熔剂，随后熔炼镁锭，再撒上熔剂。
2)镁锭熔炼好之后，加入Dy、Ho、Er、Tm、Zr，搅拌均匀。
3)温度升到700℃，加入Zn、Ni，搅拌直至合金液呈现镜面，搅拌过程中，多次在合金液面均匀地撒上熔剂。
4)加入精炼剂精炼，静置保温30min，再打渣；降温至700℃进行浇注。
5)在450℃下对铸锭进行均匀化热处理18h，然后在400℃进行挤压。
实施例4
本实施例的稀土镁合金是由以下质量百分比的成分组成：2％Zn、1％Ni、6％Dy、1％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质(Si、Fe、Cu总质量百分比小于0.02％)。
本实施例的稀土镁合金的制备方法为：
1)将坩埚预热到440℃，撒上0.4％炉料重的熔剂，随后熔炼镁锭，再撒上熔剂。
2)镁锭熔炼好之后，加入Dy、Zr，搅拌均匀。
3)温度升到720℃，加入Zn、Ni，搅拌直至合金液呈现镜面，搅拌过程中，多次在合金液面均匀地撒上熔剂。
4)加入精炼剂精炼，静置保温45min，再打渣；降温至710℃进行浇注。
5)在470℃下对铸锭进行均匀化热处理16h，然后在420℃进行轧制。
实施例5
本实施例的稀土镁合金是由以下质量百分比的成分组成：1％Zn、0.1％Ni、6％Ho和4％Er、0.1％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质(Si、Fe、Cu总质量百分比小于0.02％)。
本实施例的稀土镁合金的制备方法为：
1)将坩埚预热到460℃，撒上0.6％炉料重的熔剂，随后熔炼镁锭，再撒上熔剂。
2)镁锭熔炼好之后，加入Ho、Er、Zr，搅拌均匀。
3)温度升到740℃，加入Zn、Ni，搅拌直至合金液呈现镜面，搅拌过程中，多次在合金液面均匀地撒上熔剂。
4)加入精炼剂精炼，静置保温30min，再打渣；降温至700℃进行浇注。
5)在500℃下对铸锭进行均匀化热处理14h，然后在450℃进行挤压。
实施例6
本实施例的稀土镁合金是由以下质量百分比的成分组成：1.5％Zn、0.3％Ni、2％Dy、1％Ho和5％Tm，其余为Mg和不可避免的杂质(Si、Fe、Cu总质量百分比小于0.02％)。
本实施例的稀土镁合金的制备方法为：
1)将坩埚预热到480℃，撒上0.8％炉料重的熔剂，随后熔炼镁锭，再撒上熔剂。
2)镁锭熔炼好之后，加入Dy、Ho和Tm，搅拌均匀。
3)温度升到760℃，加入Zn、Ni，搅拌直至合金液呈现镜面，搅拌过程中，多次在合金液面均匀地撒上熔剂。
4)加入精炼剂精炼，静置保温45min，再打渣；降温至710℃进行浇注。
5)在520℃下对铸锭进行均匀化热处理16h，然后在480℃进行轧制。
各实施例所制备的镁合金的性能如表1所示：
表1各实施例制备的镁合金力学性能
Claims (7)
1.一种高强度高塑性稀土镁合金，其特征在于，按质量百分比，包括：1～4％Zn、0.1～2.5％Ni、6～12％M，0～1％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质，其中，所述M为Dy、Ho、Er、Tm中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的高强度高塑性稀土镁合金，其特征在于，按质量百分比计，包括1～2％Zn、0.1～1.0％Ni、6～10％M，0～1％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质，其中，所述M为Dy、Ho、Er、Tm中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高强度高塑性稀土镁合金，其特征在于，按质量百分比计，包括：1.5％Zn、0.5％Ni、10％M，0～1％Zr，其余为Mg和不可避免的杂质，其中，所述M为Dy、Ho、Er、Tm中的一种或多种。
4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的高强度高塑性稀土镁合金，其特征在于，所述不可避免的杂质按质量百分比计，Si、Fe、Cu总质量百分比小于0.02％。
5.权利要求1所述的高强度高塑性稀土镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将坩埚预热到400℃～500℃时，撒上0.1％～1％炉料重的熔剂，随后熔炼镁锭，再撒上熔剂；
2)镁锭熔炼好之后，加入Zr、M，搅拌均匀；
3)温度升到680℃～780℃时，加入Zn、Ni，搅拌直至合金液呈现镜面，搅拌过程中，多次在合金液面均匀地撒上熔剂；
4)加入精炼剂精炼，静置保温30min～45min，再打渣；降温至700℃～710℃进行浇注；
5)在400℃～550℃下对铸锭进行均匀化热处理10～20h，然后在380℃～500℃进行挤压或轧制。
6.根据权利要求5所述的高强度高塑性稀土镁合金的制备方法，其特征在于，步骤2)所述M以Mg-Dy、Mg-Ho、Mg-Er、Mg-Tm中间合金的形式加入。
7.权利要求5制备的高强度高塑性稀土镁合金作为铸态镁合金或变形镁合金的应用。
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2014
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