有效利用稀土元素Y強化Mg-Zn-Y-Zr系鎂合金及制備方法

文檔序號：3405976閱讀：380來源：國知局

專利名稱：有效利用稀土元素Y強化Mg-Zn-Y-Zr系鎂合金及制備方法
技術領域：
本發明涉及有效利用稀土元素Y強化,M^金的方法及其制皿術，特別是一種具有低密度、高強度、較好塑性的變形Mg-Zn-Y-Zr系鎂合金材料~~ i晶相強化齢金及制備該合金材料的方法。
背景技術：
鎂合金作為一種新型的金屬材料，具有密度低、比強度禾吡剛度高靴點，這使得g金在航空航天和汽車等高新技術領域有著潛在的廣泛應用前景。與其它g金相比，由于Mg-Zn-Y-Zr變形g金在室溫和高溫下具有較高的屈服和抗拉強度，所以關于其力學性能的研究報道有很多。5開究結果表明，Mg-Zn-Y-Zr 鎂合金主要魏過準晶相I-]VfeZn6Y的形成來提高其力學性能的。因此，可以預觀!l，通過增加合金中準晶相的體積百始量可以使Mg-Zn-Y-Zr齢金的力學性能得到顯著的提高。迄今為止關于準晶相體積百M量對合金力學性能影響的文獻隨只有一篇。文獻(Mater. Sci. Eng. A (材料科學與工程)449-451 (2007) 987) 報道了在緒比為5的鵬下，通過增加合金元素辨Zn)和稀土元素柳，使 Mg-Zn-Y-Zr合金中準晶相的體積百分含量增加，從而使合金的強度得到顯著的提高。然而，該工作沒有深入認識到準晶相的形成與Zn/Y比的關系，僅僅通過增加銜Zn)和銳(Y)的重量百始量來提高合金的力學性能，這將使稀土元素Y X寸鎂合金的強化作用得不到有效的發揮。因此，為了充分發揮稀土元素Y對 Mg-Zn-Y-Zr g金的強化作用，提出一種新的準晶相形成與Zn/Y比的關系是目前亟待解決的問題。

發明內容
本發明的目的在于^f共一種有效利用稀土元素Y強化Mg-Zn-Y-Zr系g金及其制備方法，解決f給金準晶相強化等問題。在一定Y含量的鵬下，通過合理選擇合金中Zn/Y比，使弓l入到f鈴金基體中準晶相的體積百分含駄到最大，制備出具剤氐密度、高強度、較好塑性的Mg-Zn-Y-Zr齢金。本發明的技術方案是
本發明的高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr鎂合金材料其組分及其含量為鋅(Zn)含量為5 30%;釔(Y)含量為0.5~5%;鋯(Zr)含量為0.3^0.8。/。和余量的鎂(Mg)組成，所有百分數為重量百分數；為使合金中準晶相的體積百分含皿到最大，鋅和釔的重量比值(Zn/Y)為6~15。
本發明的高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr鎂合金材料，其抗拉強度為cr^290 360MPa，屈月艮強度為cJofl75 260MPa，延伸率為5=10 18%，密度為1.8^2.73 g/cm3。
本發明最重要的發現在于通過選取合理的鋅釔比(Zn/Y^6 15)，將引入到 Mg-Zn-Y-Zr g金材料的基體中準晶相的體積百分含Ki到最大(準晶相的體積百力A量在6%~35%范圍內)，使合金獲得了較高的強度且保留著^i子的塑性。
本發明的內在機Sife要為準晶相的形成與Zn/Y比有關。在一定稀土元素Y 含量的鵬下，通過確定準晶相形成對應的最大Zn/Y比值，使合金中準晶相的體積百^^駄到最大，從而有效地提高合金的力學性能。本發明合金成分是這樣確定的
本發明辨Zn)和憶(Y)含量分別為5~30%和0.5 5%，由于準晶相的引入與鋅，釔含量密切有關。在稀土元素Y含量一定時，當鋅和釔的重量比值(Zn/Y)為6~15 時，鋅和釔將以準晶相形式存在于合金基體中，而且隨著Zn/Y比的增加準晶相的體積百M量顯著增加。因此，本發明通過合理控制Zn/Y比值，充分保證引入到合金基體中的準晶相體積百^^Ki到最大，起到顯著強化合金的目的。本發明鋯(Zr)含量為0.3~0.8%，可以使合金的晶粒得到有效細化。本發明一種有效利用稀土元素Y強化Mg-Zn-Y-Zr系^金的方法，包括控制Zn/Y比，向合金基體中引入較多的準晶相和后續的熱擠壓加工。其具體冶煉鑄造和后續熱擠壓加工過程的具體步驟如下
1) 烘干及預熱常規輔料(覆蓋劑/RJ-5)的烘干溫度為120~180°C;各種配料與澆鑄模具的預熱溫度為150~300°C;常用工具(攪拌器、掏渣勺、澆鑄用料勺等)在700 74(TC的熔融態洗像熔劑中清洗及預熱。
2) 鎂錠的熔化設定溫度680 720。C，升溫；當坩堝預熱至暗紅色(400~500 °C)時，清理柑堝內殘渣，在坩堝內ia底部均勻地iLL一層覆蓋劑/RJ-5;加入已預熱的鎂錠，并在爐料上撒上一層覆蓋劑/RJ-5;此過程中覆蓋劑/RJ-5用量占
爐料重量的0.1 1.0%:繼續升溫。3) 鋅的加入當辦#^達到720 74(TC時，在覆蓋劑/RJ-5保護下加入鋅塊，配料全部熔化后，攪動5 10^H中，使成分均勻。
4) 鋯和稀土元素乾的加入:當合金熔ffijt達到780 800。C時，在覆蓋劑/RJ-5 保護下加入純紀和鎂鋯中間合金(Mg-33。/。Zr)，配料全部熔化后，攪動5 10分鐘，艦分均勻。
5) 熔體的精煉待溫度為76(K780。C時，攪拌熔體7~10併中，使烙體自下而上翻滾，不得飛濺，并不斷在熔體的波峰上撒以覆蓋劑/RJ-5(避免燃燒或氧化)，其用量為爐料總重的0.5~2.5%。
6) 熔體的保溫靜置精煉結束后，清除合金液表面、坩堝壁等處的熔渣，然后在熔體表面撒以覆蓋劑/RJ-5，用量以熔體表面不燃燒為準；將熔體升溫至 800 820°C，保溫靜置3(M0辦中。
7) 澆鑄成型將熔體降MM760 780。C，在0.6:1-1.4:1 (重量比)的硫磺和硼酸混合粉糊尉戶下進行澆鑄，硫磺和硼酸的加入量占合金總重量的0.5~1%。
8) 擠壓成型工序將鑄錠在38042(TC下進行6~10小時的均勻化處理后，進行剝皮。將剝皮后的#^定在鵬為38(M2(TC下進行變形加工成制品。
本發明的特點是
1、本發明M合理控制合金元素中鋅憶比(Zn/Y)，使引入到Mg-Zn-Y-Zr鎂
合金基體中準晶相的體積百分含Ki到最大，充分發揮了稀土元素對^金強化作用。
2、本發明采用本發明方法獲得了具有低密度、高強度、較好塑性的 Mg-Zn-Y-Zrg金，特別適合于輕質、高強、高韌的用材需求。
3、本發明加工工藝操作簡單、方便。

圖1高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr鎂合金(實施例1 、實施例3)的X-射線衍射譜。
圖2 (a)畫(c)高Zn/Y比Mg畫Zn畫Y畫Zr齢金(實施例1、實施例3)的微觀組織掃描電鏡照片。
圖3高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr g金(實施例1 、實施例2、實施例3)的室溫下力學性能。
具體實施例方式
下面i!31實施例詳述本發明。實施例1
I )、合金組成
按下列配比配制40千克高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr g金材料所稱取出的各元素為辨Zn) 2.4千克、釔(Y) 0.4千克、鎂鋯中間合金(Mg-33y。Zr) 1千克和余量的鎂(Mg)。按重量百分比計，合金成分為Mg-6%Zn-l%Y-0.4%Zn，合金中Zn/Y 比為6。
11)、合金冶煉及鑄造
合金的冶煉在一個80千克容量的塒堝和電阻爐中進行。鉗堝和鑄造用模具采用低碳鋼材質。下面以實施例1為例，詳細闡述合金的冶煉和鑄造工藝。
1) 設定坩堝目標MS為68(TC，開始加熱；然后將純鎂、純鋅、純憶、鎂鋯中間合金(Mg-33o/oZr)等各種配料放在烘箱中預熱至150。C，同時將覆蓋劑/RJ-5放入烘箱中烘烤；將澆鑄用模具在另外的箱式爐中預熱至30(TC。
2) 當坩堝升驢40(TC時，清理坩堝內殘渣，在柑堝內艦底部均勻地撒上一層覆蓋劑/RJ-5;然后將預熱好的純鎂配料方iA塒堝內，并在爐料上l[Jl一層覆蓋劑/RJ-5;此過程中覆蓋劑/^-5用量占爐料重量的0.6%，繼續升溫。
3)等純鎂配料熔化并且坩堝鵬穩定在72(TC后，加入預熱的純鋅，然后熔體進行攪拌約6分鐘，此過程中，酌情加入已烘烤的覆蓋劑/RJ-5進行保護，以表面不燃為準。
4) 待坩堝溫度升至790"C后，加入純釔和鎂鋯中間合金(Mg-33y。Zr)，攪拌6 分鐘將其熔化，然后靜置3分鐘；在此過程中加入覆蓋劑/RJ-5進行保護，覆蓋劑 /RJ-5的加入量為爐料重量的0.6M。
5) 待坩堝溫度降至780。C時，X寸熔體進行精煉，攪拌熔體10分鐘，4鵬體自下而上翻滾，不得飛濺，并不斷在熔體的波峰上(熔微峰指在攪拌熔體時，熔體自下而上翻滾所引起的液面波動，其中波動較大處為熔#^峰位置)撒以覆蓋齊U/RJ-5，覆蓋劑/RJ-5加入量為爐料總重的2y。。
6) 精煉結束后，清除合金液表面、柑堝壁等處的熔渣，然后熔體表面撒以覆蓋劑/RJ-5，用量以熔體表面不燃燒為準；坩堝溫度穩定在80(TC后，熔體靜置30 分鐘。然后，在覆蓋劑/RJ-5的保護下進行掏渣。
7) 掏渣完畢后，維持柑堝溫度穩定在780。C，在0.8:1 (重量比)的硫磺和硼酸混合粉料^t戶下澆鑄成型，硫磺和硼酸的加入量占合金總重量的0.6%。m)、熱擠壓加工
1) 將剝皮后的鑄錠在40(TC下進行8小時的均勻化處理。
2) 將鑄錠剝皮。
3) 將均勻化處理后的^f定在42(TC下進行變形加工成制品，擠壓比為5。 W)、微見組織表征
組織觀察的樣品其制備過程如下采用1000號碳化硅水磨砂紙磨平表面；然后采用油基金剛石研磨膏機,光；合金中主要相經X-射線衍射分析為cx-Mg、和Mg3Zn6Y (準晶相I-phase)， X-射線圖譜列在附圖1上；M配有能譜裝置的電子掃描顯微鏡(Philips XL30 ESEM-FEG/EDAX)上可以確定合金中準晶相的分布，相應的掃描電鏡照片列在附圖2(a)上。本實施例中，準晶相的體積百分含量為6%。
V)、力學性能測試
合金的室溫力學拉伸性能樣品參考中國國標GB 228-76制備。拉伸樣品為圓棒狀，其軸線方向平行于材料的縱向，i辦標準長度為25mm，直徑為5mm。拉伸試驗的應變速率為lXl(rV。拉伸i^驗在MTS(858.01M)拉扭i纖豐/Lhit行。該fl^金的材料的抗拉強度為290MPa，屈服強度為175MPa，延伸率為6=17%，密度為1.84g/cm3，相應的拉伸曲線列在附圖3的序號1上。
實施例2 I )、合金組成
按下列配比配置40千克高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr ^金材料所稱取出的各元素為辨Zn)3,2千克、f乙(Y)0.4千克、鎂鋯中間合金(Mg-33。/。Zr) 1千克和余量的鎂(Mg)。按重量百分比計，合金成分為Mg-8%Zn-l%Y-0.4%Zn，合金中Zn/Y 比為8。
II) 、合金冶煉及鑄造
參考實施例1的冶煉及鑄造。不同之處在于兩者的辨Zn)含量不同。
III) 、熱擠壓加工參考實施例1的擠壓工序。 W)、微見組織表征
參考實施例1的mH組織表征。合金中主要相為a-Mg和M&ZneY (準晶相I-phase);與實施例l中合金相比，該合金中的準晶相I-phase的體積百分含量明顯增加。本實施例中，準晶相的體積百^^量為10%。 V)、力學性能測試
參考實施例1的力學性能測試。該,給金的材料的抗拉強度為300MPa，屈服強度為201MPa，延伸率為5=14%，密度為1.91 g/cm3，相應的拉伸曲線列在附圖3的序號2上。
實施例3
I )、合金組成
按下列配比配置40千克高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr ,M^金材料所稱取出的各元素為辨Zn)4千克、釔(Y)0.4千克、鎂鋯中間合金(Mg-33MZr)l千克和余量的鎂(Mg)。按重量百分比計，合金成分為Mg-10%Zn-l%Y-0.4%Zn，合金中Zn/Y比為10。
II )、合金冶煉及鑄造
參考實施例1的冶煉及鑄造。不同之處在于兩者的辨Zn)含量不同。 III)、熱擠壓加工參考實施例1的擠壓工序。 W)、微見組織表征
參考實施例1的微觀組織表征。合金中主要相為oc-Mg和MgsZneY (準晶相 I-phase)，相應X-射線圖譜列在附圖1上；與實施例1中的合金相比，該合金中準晶相I-phase的體積百分含量顯著增加，相應的掃描電晶照片列在附圖2(b)上，準晶相的局部放大照片列在附圖2(c)上。本實施例中，準晶相的體積百M量為
V)、力學性能測試
參考實施例1的力學性能測試。該^金的材料的抗拉強度為320MPa，屈服強度為232MPa，延伸率為5=13%，密度為1.98 g/cm3，相應的拉伸曲線列在附圖3的序號3上。
權利要求
1、一種有效利用稀土元素Y強化Mg-Zn-Y-Zr系鎂合金，其特征在于合金中鋅和釔的重量比值Zn/Y為6～15。
2、按照權利要求1戶誠的有效利用稀土元素Y強化Mg-Zn-Y-Zr系齢金，其特征在于按重量百分比計，合金中鋅含量優選范圍為5~30%;釔含量優選范圍為0.5 5%;鋯含量優選范圍為0.3~0.8%;鎂余量。
3、按照權利要求1所述的有效利用稀土元素Y強化Mg-Zn-Y-Zr系ff^金，其特征在于合金的抗拉強度為cj^290 360MPa;合金的屈服強度為 cj0.2=175~260MPa;合金的延伸率為5=10~18%;合金的密度為1.84~2.73g/cm3。
4、按照權利要求1所述的有效利用稀土元素Y強化Mg-Zn-Y-Zr系^*金的制備方法，其特征在于，合，煉及后續熱擠壓加工變形過程如下1) 按鋅紀重量比Zn/Y+15比稱取出合金元素鋅和釔；2) 在驢為680 72(TC時，加入合金原料純鎂和覆蓋劑，進行熔化；3) 在鵬升至720 740。C時，在覆蓋劑的保護下加入合金元素純鋅；4) 在溫度升至78(K800。C時，在覆蓋劑的保護下加入合金元素純釔和 Mg-33%Zr鎂鋯中間合金；5) 在溫度為760 78(TC時，對合錢行精煉，在熔體的波峰上撒以鶴劑；6) 在，為800 820。C，在熔體表面撒以S^劑，保溫靜置3(K40分鐘；7) 在^為760 780。C時，進行澆鑄；8) 將剝皮后的鑄錠在38(M20"C下進行6 10小時的均勻化處理；9) 將辦定剝皮；10) 將均勻化處理后的鑄f定在38(K42(TC下進行變形加工成制品。
5、按照權利要求4所述的有效利用稀土元素Y強化Mg-Zn-Y-Zr系鎂合金的制備方法，其特征在于在澆鑄時，用重量比0.6:1 1.4:1的硫磺和硼酸混合粉料進行保護，硫磺和硼酸的加入量占合金總重量的0.5~1%。
全文摘要
本發明涉及有效利用稀土元素Y強化鎂合金及其制備技術，特別是一種準晶相強化Mg-Zn-Y-Zr系鎂合金及其制備方法，解決了鎂合金強化等問題。在Y含量一定的前提下，通過合理選擇合金中鋅釔比(Zn/Y＝6～15)，使引入到鎂合金基體中準晶相的體積百分含量達到最大，制備出具有低密度、高強度、較好塑性的Mg-Zn-Y-Zr鎂合金。該鎂合金材料的組分及其含量為鋅(Zn)含量為5～30％；釔(Y)含量為0.5～5％；鋯(Zr)含量為0.3～0.8％和余量的鎂(Mg)組成，所有百分數為重量百分數。經合金熔煉及后續熱擠壓加工變形成制品，其加工工藝操作簡單、方便。本發明材料的抗拉強度為σb＝290～360MPa，屈服強度為σ0.2＝175～260MPa，延伸率為δ＝10～18％，密度為1.84～2.73g/cm3。
文檔編號C22C23/00GK101314829SQ20071001150
公開日2008年12月3日申請日期2007年5月30日優先權日2007年5月30日
發明者路劉, 許道奎, 陳榮石, 韓恩厚, 高國忠申請人:中國科學院金屬研究所

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