一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法，所述镁合金的组分及其质量百分比为：2.6～3.0％Nd，0.1～0.4％Zn，0.1～0.4％La，0.3～0.7％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.2wt.％，余量为Mg；所述制备方法包括烘料、熔镁、添加合金元素、精炼、铸造成型、热处理等工序。本发明专利技术通过低成本La元素的微合金化及后续热处工艺的优化，显著提高了Mg

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法，属于金属结构材料


技术介绍

[0002]作为最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度、比刚度高，减震性好等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通、3C领域等。Mg
‑
Nd系由于具有良好室温强度和铸造性能，近年来在航空航天领域获得了广泛的应用，如国家标准《铸造镁合金锭》(GB/T19078
‑
2016)中的EZ30Z铸造镁稀土合金和我国ZM6镁稀土合金。尽管Mg
‑
Nd系合金铸造性能良好，但合金室温屈服强度偏低，通常低于小于150MPa，严重的限制了Mg
‑
Nd系合金的应用范围。如何进一步提高Mg
‑
Nd系合金的强塑性成为铸造镁稀土合金的热点研究方向之一。为此，Magnesium Elektron公司在现有Mg
‑
Nd系合金的基础上开发商业高强度镁稀土合金EV31(Mg
‑
Nd
‑
Gd
‑
Zn
‑
Zr,Elektron 21)，通过在Mg
‑
Nd合金的基础上加入1.0～1.7wt.％Gd元素进一步提高了合金的室温强度，将Mg
‑
Nd系合金的室温屈服强度从ZM6、EZ30Z镁稀土合金的140MPa提升至EV31镁稀土合金的170MPa，显著促进了Mg
‑
Nd系合金的应用。然而，Gd元素成本加高，1.0～1.7wt％Gd元素的加入显著提高了合金的制造成本；同时Gd元素化学性质较为活泼，熔铸过程中更容易引入氧化皮类缺陷，降低铸件品质。因此，如何能在提高Mg
‑
Nd系合金的室温强度同时而不显著增加合金的制造成本成为镁稀土合金设计开发中一个行业性难题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种高强韧铸造镁稀土合金及其制备方法。本专利技术通过微合金化方法，在Mg
‑
Nd系合金的基础上，开发了一种高强韧铸造镁稀土合金，在提高Mg
‑
Nd系合金的室温强度同时不显著提高合金制造成本，更有利于Mg
‑
Nd系合金的推广应用。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种高强韧铸造镁稀土合金，其由重量百分数计的如下组分组成：
[0006]Nd：2.6～3.0％，
[0007]Zn：0.1～0.4％，
[0008]La：0.1～0.4％，
[0009]Zr：0.3～0.7％，
[0010]余量为镁和不可避免的杂质，所述杂质的重量百分数总和不超过0.2％。
[0011]本专利技术采用Nd(钕)为第一组分：现有研究表明，200℃时Nd在Mg固溶体中的固溶度几乎为零，而在共晶温度552℃时的固溶度为3.6wt％，只要加入少量的Nd元素合金即具有良好的时效析出强化和固溶强化效果。本研究表明，当Nd含量>3.0wt.％时，高温固溶处理时，铸造过程中生成的Mg12Nd相难以短时间完全固溶；当Nd含量<2.6wt.％时，后续时效处
理时合金强化效果较低，铸件力学性能难以保障。本专利技术中，Nd元素的成分范围为：2.6～3.0wt.％。
[0012]本专利技术采用Zn(锌)为第二组分：现有研究表明，微量Zn元素加入Mg
‑
Nd合金体系时，Zn以固溶原子形式存在于镁基体和析出相中，可以激发镁合金室温塑性变形时非基面滑移系开动，显著提高合金的室温塑性；在本专利技术体系中，当Zn含量>0.4wt.％时，固溶处理过程中，Zn元素与Zr元素反应，形成较多的针状Zn2Zr3相，该相虽然有一定的强化效果，但对合金的塑性有负面影响。本专利技术中，Zn的成分范围为：0.1～0.40wt.％。
[0013]本专利技术采用La(镧)为第三组元：现有研究表明，La在镁合金中几乎没有固溶度，且La与Mg在610℃即形成Mg
12
La共晶相；本研究表明，Mg
12
La相在合金540
‑
550℃高温固溶处理时能够很好的钉扎晶界，有效抑制镁合金晶粒的粗化，同时固溶到镁基体中的微量La元素能够提高Mg
‑
Nd析出相的数密度，增加的时效析出相的强化效果。当La含量>0.4wt.％时，合金中Mg
12
La相颗粒粗化，合金塑性显著下降。本专利技术中，La的成分范围为：0.10～0.40％wt.％。此外，La在低温固溶处理时也能发挥阻碍晶粒粗化的作用，但低温固溶时，无法将铸造过程中形成MgNd共晶相完全固溶进入镁合金基体中，会减弱后续时效时的析出相强化效果。另外一方面，固溶处理温度高于550℃时，虽然La元素也能够有效的阻碍晶粒尺寸粗化，但阻碍效果要弱于545～555℃，平均晶粒尺寸会显著增加，同时，也容易产生过烧(局部熔化)。如580℃，合金内部将产生局部熔化(过烧)，淬火时铸件/合金会产生裂纹。
[0014]本专利技术采用Zr(锆)为第四组分，与常规含Zr镁合金类似，Zr在Mg
‑
Nd
‑
Zn
‑
La合金中的作用主要为晶粒细化，Zr元素的含量为0.3～0.7wt.％。
[0015]作为优选方案，所述杂质元素包含硅、铁、铜、镍中的至少一种，且硅元素的含量不超过0.01％、铁元素的含量不超过0.01％、铜元素的含量不超过0.03％、镍元素的含量不超过0.005％。
[0016]第二方面，本专利技术还提供了一种如前述的高强韧铸造镁稀土合金的制备方法，其包括如下步骤：
[0017]烘料：将纯镁、纯锌、Mg
‑
Nd、Mg
‑
La、Mg
‑
Zr中间合金分别预热；
[0018]熔镁：将烘干后的纯镁在保护气氛环境中熔化；
[0019]添加合金元素：当镁液温度达到700～720℃时，向镁液中直接加入纯锌、Mg
‑
Nd和Mg
‑
La中间合金；待上述中间合金全部熔化后，熔体温度升至760～780℃时加入Mg
‑
Zr中间合金，待Mg
‑
Zr中间合金熔化后撇去表面浮渣；
[0020]精炼：加入Zr元素后，熔体温度降温至750～760℃时，不断电精炼，精炼后升温到780～790℃静置；
[0021]铸造成型：静置后镁液冷却至690～740℃后撇去表面浮渣进行金属型重力浇铸，得到Mg
‑
Nd
‑
Zn
‑
La
‑
Zr镁稀土合金片锭；
[0022]热处理：将镁稀土合金片锭进行高温固溶处理，然后水中淬火，最后进行单级时效处理，得到高强韧铸造镁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强韧铸造镁稀土合金，其特征在于，由按重量百分数计的如下组分组成：Nd：2.6～3.0％，Zn：0.1～0.4％，La：0.1～0.4％，Zr：0.3～0.7％，余量为镁和不可避免的杂质，所述杂质的重量百分数总和不超过0.2％。2.如权利要求1所述的高强韧铸造镁稀土合金，其特征在于，所述杂质元素包含硅、铁、铜、镍中的至少一种，且硅元素的含量不超过0.01％、铁元素的含量不超过0.01％、铜元素的含量不超过0.03％、镍元素的含量不超过0.005％。3.一种如权利要求1所述的高强韧铸造镁稀土合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：烘料：将纯镁、纯锌、Mg
‑
Nd、Mg
‑
La、Mg
‑
Zr中间合金分别预热；熔镁：将烘干后的纯镁在保护气氛环境中熔化；添加合金元素：当镁液温度达到700～720℃时，向镁液中直接加入纯锌、Mg
‑
Nd和Mg
‑
La中间合金；待上述中间合金全部熔化后，熔体温度升至760～780℃时加入Mg
‑
Zr中间合金，待Mg
‑
Zr中间合金熔化后撇去表面浮渣；精炼：加入Zr元素后，熔体温度降温至750～760℃时，不断电精炼，精炼后升温到780～790℃静置；铸造成型：静置后镁...

【专利技术属性】
技术研发人员：付彭怀，王迎新，彭立明，林金铭，丁文江，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：