CN102732763B

CN102732763B - 一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金

Info

Publication number: CN102732763B
Application number: CN 201210164316
Authority: CN
Inventors: 王敬丰; 秦德昭; 宋鹏飞; 周海; 潘复生
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing Yuhua New Materials Technology Co Ltd
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: CN102732763A

Abstract

本发明涉及一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，包括分布于合金中的以下合金化元素成份及其百分比重量含量值：Gd=8.2～10.2，Y=5.0～6.0，Zn=0.5～4.0，Mn=0.5～0.8，余量为镁和不可避免的杂质；采用如下工艺制备：配料、真空熔炼铸锭、均匀化退火、挤压和热处理。本发明提出在Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金中使Mg、Zn和Gd、Y形成大量长周期相，可起到显著的弥散强化效果，再通过时效处理引入亚稳相的强化效果，该工艺是固溶强化、析出强化和形变强化于一体的高强变形镁合金的制备方法。本发明工艺简单，可移植性强，且容易操作，成本低廉，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

Description

一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金

技术领域

本发明涉及一种变形镁合金及其制造方法，特别是一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，所述合金是一种五元镁合金，包括Mg、Gd、Y、Zn和Mn五种合金元素，所述高强度是指材料能够达到的抗拉强度≥495MPa。

背景技术

镁的弹性模量比较小，在受力作用下能产生较大的变形，因而镁合金在冲击载荷作用下，能吸收较大的冲击能，可制造承受冲击的零件。镁及其合金作为最轻的常用金属结构材料，已受到人们越来越多的关注，并已在国防军工、航空航天、高速轨道交通、电子通讯等领域得到了一定程度的应用。但是，由于镁合金强度低，还难以大量应用于承载结构件，尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后于钢铁和铝合金，其室温力学性能明显不足，已经严重的制约了其进一步的应用。

CN200810230077.2公开了“一种高强度铸造镁合金及其熔制方法” 其各组成成份的质量百分含量分别是:Gd:8.1～11.5%,Y:1.0～4.5%,RE:0.01～3.0%,Zn:0.01～0.2%,Mn:0～0.18%,Zr≤1.0%,且(Gd+Y+RE)≤15.5%;余量为Mg及杂质。以Gd和Y为主要合金元素,以多元稀土RE和Zn、Mn为辅助合金化元素，并且用Be、Ca进一步减少合金氧化和用Zr细化处理，合金强度高，耐热性能优异，适合用铸造方法制成工件。但是，由于配方复杂，稀土元素使用繁多，增加了制备难度。其获得的最好力学性能是Mg-8.1Gd-4.5Y-0.11La-0.06Pr-0.41Nd-0.96Sm0.57Dy-0.35Er-0.3Yb-0.12Ho-0.01Zn铸造合金T6态在室温下的抗拉强度395MPa，但伸长率仅有4.0%，限制了其使用性能和应用范围。而且，该发明合金为铸造镁合金，铸件的产品形状尺寸存在一定的局限性且容易产生组织缺陷，并且该发明合金在大量使用稀土元素的同时仍添加Mg-Zr中间合金作为晶粒细化剂，更增加了合金成本。

CN200610144003.8公开了“一种镁合金及其制备方法”，该镁合金的成份含量为：Gd:7～11wt%，Y:2～5wt%，Zr:0.3～0.6wt%，Zn:0～1.0wt%，其余为Mg和不可避免的杂质元素。该专利合金铸造态经固溶、挤压和时效处理后常温最好力学性能数据是抗拉强度450～480MPa，伸长率3～5%。金属Zr及其合金的价格显著高于金属Mn及其合金，会增加合金成本，并且该合金延伸率较低。

因此，选择在镁中添加合金元素得到一种多元化镁合金体系，采用常规设备获得其铸态合金并将铸态合金加工成挤压态合金，并对挤压态合金进行适当热处理，利用复合强化手段来提高镁合金的强度，改善镁合金的综合力学性能和使用性能，拓展其应用范围，成为本领域技术人员有待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明解决的技术问题是如何改善镁合金强度，提供一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，实现工艺简单，操作容易和降低成本的目的。

实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金；其特征在于，所述镁合金主要由Mg、Gd、Y、Zn和Mn组成，各组成成分质量百分含量为：Gd=8.2～10.2，Y=5.0～6.0，Zn=0.5～4.0，Mn=0.5～0.8，余量为镁和不可避免的杂质；

所述合金采用如下方法制备：

（1）按照上述组分计算需要原料的重量，原料采用工业纯镁、工业纯锌、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金；采用真空熔炼、浇铸得到合金铸锭；

（2）对步骤（1）获得的合金铸锭进行均匀化退火处理，其工艺参数为：温度540℃±10℃，时间4小时；再将制好的坯料进行挤压得到挤压态合金，其中采用的工艺参数为：挤压温度400℃±10℃，挤压比为11，在挤压机上进行挤压，挤压速度恒定；

（3）对步骤（2）经变形加工后的挤压态合金进行人工时效处理，其工艺参数为：时效温度200℃，保温时间50小时，空冷，制得高强度镁合金材料。

进一步，步骤（1）中，所述真空熔炼和浇铸为将原料加入坩埚并通入氩气进行保护，在真空冶炼炉中熔炼；在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟。

优选配方为：所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-8.4%，Y-5.3%，Zn-1.65%，Mn-0.6%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。

本发明不可避免的杂质为Si、Fe，其总量＜0.1%。

本发明人经过大量的实验研究后认为：Mg、Zn和Gd、Y能够在镁合金中形成长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，再通过时效处理引入亚稳相的强化效果，兼顾了固溶强化、弥散强化和析出强化机制，从而能够改善镁合金的室温力学性能。

所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金不是粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工，再对挤压态合金进行时效热处理得到最终合金。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提出在Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金中使Mg、Zn和Gd、Y形成大量长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，再通过时效处理引入亚稳相的强化效果，该工艺是固溶强化、析出强化和形变强化于一体的高强变形镁合金的制备方法。

在Mg-Gd-Y-Zn合金中，除了LPSO相拥有良好的强韧化效果外，该体系合金还具有显著的时效强化效果。其时效强化的主要贡献者为亚稳态的β"相(密排六方超点阵结构)、和β??相(底心正交结构)的大量析出。随着时效时间的延长，除了亚稳相，LPSO结构相也会继续析出。LPSO相的出现，可降低系统总能量，激活基面位错运动，提高合金的塑性，结合亚稳相的析出强化效果，该合金拥有着成为高强韧镁合金的潜力。

虽然Zr元素拥有有效的细化晶粒的作用，但是，在合金熔铸过程中Zr容易与Zn形成Zn₃Zr₂金属间化合物，降低其晶粒细化的效果，另外Zr在合计缓慢凝固过程中容易产生严重的偏析和偏聚，形成粗大的单质颗粒聚集，恶化合金的熔炼质量和力学性能。而且，在熔炼时，Mg-Zr中间合金的利用率非常低，而其价格又十分昂贵，熔炼成本很高。而另有研究表明，Mn元素除了提高合金的腐蚀性能和去除有害元素Fe等优点外，其以单质形式弥散地分布于镁合金中，同样可以细化枝晶，阻碍热挤压过程中动态再结晶晶粒长大和后续热处理过程中晶粒长大，而且，合金的晶粒尺寸会随着Mn含量的增加而减小。本发明以Mn替代Zr元素，制备了高强度Mg-9Gd-6Y-1.6Zn-0.6Mn(wt.%)合金。

仅以如下高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金为例，其具有较高的力学性能，其中时效态Gd -8.4wt%， Y -5.3wt%， Zn -1.65wt%， Mn -0.6wt%；余量为Mg和少量的杂质；该合金的室温抗拉强度为496MPa，屈服强度为324MPa，延伸率为9.7%；其强度与目前常用的变形镁合金AZ91、ZK60相比显著提高。

所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金不是粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工，再对挤压态合金进行适当热处理后得到的合金。

本发明中稀土金属的加入引入了LPSO相和亚稳相，能够显著提高镁合金的室温强韧性，用Mn元素替换Zr元素，还有利于改善合金的耐腐蚀性能，同时降低合金成本，为镁合金应用领域的扩大创造了条件。

本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，成本低廉，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例1的合金时效态的金相组织图片。

具体实施方式：

本发明高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金是一种五元镁合金，包括Mg、Gd、Y、Zn和Mn五种合金元素，所述高强度是指材料能够达到的抗拉强度≥495MPa。

实施例1：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-8.4%，Y-5.3%，Zn-1.65%，Mn-0.6%，杂质元素小余0.1%，其余为Mg。

该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，按如下步骤进行：

步骤1：在真空熔炼炉中，熔炼铸锭，并通入氩气进行保护，按照重量百分比Gd=8.4%，Y=5.3%，Zn=1.65%，Mn=0.6%添加合金元素。其中，Gd，Y，Mn，Zn分别以Mg-30Gd中间合金、Mg-25Y中间合金、Mg-3Mn中间合金和纯Zn形式加入。

在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟，然后进行浇铸。

步骤2：将所熔炼的镁合金铸锭进行均匀化处理，其工艺参数为：温度540℃±10℃，时间4小时。均匀化处理后，对镁合金铸锭进行常规热挤压，挤压温度为400℃，挤压比为11，挤压速度恒定。

镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。

步骤3：将挤压态合金进行时效处理，其工艺参数为：热处理温度为200℃，保温时间50小时，空冷。镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。表1 为实施例1所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的力学性能表。

实现本发明目的的其他实施例配方，参见表2，其中力学性能是指合金时效态室温下的抗拉强度和屈服强度；工艺方法参见实施例1。

实施例2：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-9.42%，Y-5.58%，Zn-0.65%，Mn-0.63%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，同实施例1。

实施例3：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-9.19%，Y-5.6%，Zn-2.82%，Mn-0.72%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，同实施例1。

实施例4：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-9.22%，Y-5.59%，Zn-3.74%，Mn-0.56%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，同实施例1。

实施例5：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-10.01%，Y-5.66%，Zn-1.60%，Mn-0.54%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，同实施例1。

表2 为实施例2-5所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的力学性能表。

本发明所采用的制备工艺，具有通用性广、可移植性强、工艺简单成熟和容易实现等优点。

应当指出，以上所述实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims

1.一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金；其特征在于，所述镁合金主要由Mg、Gd、Y、Zn和Mn组成，各组成成分质量百分含量为：Gd=8.2～10.2，Y=5.0～6.0，Zn=0.5～4.0，Mn=0.5～0.8，余量为镁和不可避免的杂质；

所述合金采用如下方法制备：

（2）对步骤（1）获得的合金铸锭进行均匀化退火处理，其工艺参数为：温度540℃±10℃，时间4小时；再将制好的铸锭进行挤压得到挤压态合金，其中采用的工艺参数为：挤压温度400℃±10℃，挤压比为11，在挤压机上进行挤压，挤压速度恒定；

2.根据权利要求1所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，其特征在于，所述步骤（1）中，所述真空熔炼为将原料加入坩埚并通入氩气进行保护，在真空冶炼炉中熔炼；在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟。

3.根据权利要求1所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，其特征在于，所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-8.4%，Y-5.3%，Zn-1.65%，Mn-0.6%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。

4.根据权利要求1所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，其特征在于，所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-10.01%，Y-5.66%，Zn-1.60%，Mn-0.54%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。