專利名稱：一種以Sn和Gd為主要組元的多元耐熱鎂合金及其制備方法
技術領域：
本發明屬于耐熱鎂合金材料領域，涉及一種輕金屬材料，尤其是一種以Sn和Gd為 主要組元的多元耐熱鎂合金及其制備方法。
背景技術：
鎂合金作為最輕質的商用金屬工程結構材料，因其具有比重輕、比強度比剛度高、 阻尼減振降燥能力強、液態成型性能優越和易于回收利用等優點，被譽為21世紀的“綠色 結構材料”。但目前由于現有鎂合金的高溫抗蠕變性能差，長期工作溫度不能超過120°C，使 其無法用于制造對高溫蠕變性能要求高的汽車傳動部件，因此極大地阻礙了鎂合金的進一 步應用。也正是由于這樣，國內外對于具有高溫抗蠕變性能的汽車用耐熱鎂合金的研究開 發給予了高度重視。由于Sn和Gd在鎂合金中是典型的時效強化合金元素，并且Mg、Sn和 Gd可形成熱穩定性較高的GdMgSn相，因此Mg-Sn-Gd系鎂合金被認為是一種潛在的耐熱鎂 合金。然而，目前國內外對于Mg-Sn-Gd系鎂合金的研究主要集中在Mg-Sn-Gd三元合金的 組織上[牛高，陳云貴，唐永柏，肖素芬，章曉萍，魏尚海，趙源華.Mg-5Sn-XGd合金的鑄態 顯微組織[J].特種鑄造及有色合金，2008，28(2): 150-152]，而對其性能的研究還基本 上沒有涉及。此外，由于Mg-Sn-Gd三元鎂合金中形成的GdMgSn相一般比較粗大，而粗大的 GdMgSn相有可能會成為裂紋源而導致合金的力學性能下降。也正是由于上面的原因，目前 國內外還未見Mg-Sn-Gd系鎂合金成功開發及應用的報道。眾所周知，合金化和/或微合金 化是改善合金組織和提高合金性能的有效方法之一。因此，有必要在Mg-Sn-Gd三元鎂合金 組織研究的基礎上，通過合金化和/或微合金化發展以Sn和Gd為主要組元的多元耐熱鎂
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發明內容
本發明的目的在于提供一種具有良好力學性能和抗蠕變性能的以Sn和Gd為主要 組元的多元耐熱鎂合金及其制備方法。本發明提供的一種以Sn和Gd為主要組元的多元耐熱鎂合金，各組份及其質量百 分比為:Sn含量為3. 0-5. 0%, Gd含量為1. 2-3. 0%, Gd/Sn重量比為0. 4-0. 6，Mn含量為 0. 2-0. 4%, Ca 含量為 0. 3-0. 5%, Sr 含量為 0. 10-0. 16%,雜質元素 Si 含量;^ 0. 02%, Fe 含量 (0. 005%, Cu 含量;^ 0. 015%, Ni 含量;^ 0. 002%, Mg 為平衡元素。本發明中Sn和Gd作為主要的組元，主要考慮Mg、Sn和Gd能夠形成熱穩定性高的 GdMgSn相，而將Gd/Sn重量比控制在一定的范圍，則主要是考慮讓Mg、Sn和Gd能夠盡可能 形成多的GdMgSn相，避免形成多的熱穩定性相對較差的Mg2Sn和Mg5Gd等二元相。此外，添 加的Sn還能夠部分溶入基體提高合金的耐蝕性能，但由于Sn的比重較大，因此其加入量不 高于5%。本發明中MruCa和Sr作為次要的組元，主要是考慮添加Mn有利于改善合金的強 度和減少雜質元素Fe的含量。而添加少量Ca主要考慮其可提高合金的燃點，從而防止合金熔煉時氧化燃燒。此外，添加的Ca還有可能與Mg和Sn形成熱穩定性高的CaMgSn相，使 合金的高溫抗蠕變性能得到進一步提高。添加微量Sr主要為了變質和/或細化GdMgSn相 以及合金的晶粒。此外，少量Sr還兼有消除合金中因存在Ca而可能導致的熱裂和疏松等 缺陷。本發明提供的以Sn和Gd為主要組元的多元耐熱鎂合金的制備方法，其主要包括 以下三個步驟
1)將Mg、Sn、Gd、Mn、Ca和Sr按相應的成分配料，其中Mg和Sn以工業純Mg和純Sn O 99. 99wt. %)形式添加，Gd,Mn, Ca 和 Sr 分別以 Mg_25wt. %Gd、Mg_4wt. %Mn、Mg_19wt. %Ca 和Mg-10wt.%Sr中間合金的形式添加。在熔劑或氣體保護下，當石墨坩堝的溫度達到 200-250°C后，加入已預熱的純Mg、純Sn和Mg_4wt. %Mn中間合金并將其熔化，熔化后升溫到 720-740°C，然后加入已預熱的Mg-25wt. %Gd和Mg_19wt. %Ca中間合金，待這些中間合金熔 化后加入Mg-lOwt. %Sr中間合金。Mg-lOwt. %Sr中間合金的加入方法在100_150°C左右將 Mg-lOwt. %Sr中間合金烘烤15-30分鐘，然后用壓瓢迅速壓入合金液面以下約2_6分鐘，攪 拌后升溫到720-760°C，然后用C2Cl6精煉劑精煉處理5_10分鐘，精煉完畢后攪拌合金熔體 并在740°C靜置10-15分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體表面的浮雜，然后進行鑄造。2)將鑄造得到的合金進行固溶處理，具體為將合金放入通保護性氣氛的電爐中， 在480-520°C下保溫12-24小時，然后淬入冷水中。固溶處理的目的在于消除合金的鑄態枝 晶組織，同時使合金鑄態組織中形成的少量Mg2Sn相分解并溶入合金基體，從而為后續的時 效強化奠定組織基礎。3)將鑄造得到的合金進行時效處理，具體為將合金放入通保護性氣氛的電爐中， 在240-280°C下保溫16-32小時，然后空冷。時效處理的目的在于析出M&Sn和Mg5Gd等第 二相，以使合金的性能得到進一步提高。本合金具有良好力學性能和抗蠕變性能。


圖1是實施例1的合金時效后的顯微組織照片。圖2是實施例2的合金時效后的顯微組織照片。圖3是實施例3的合金時效后的顯微組織照片。
具體實施例方式以下通過具體的三個實施例對本發明的技術方案和效果作進一步的闡述。實施例1 合金的成分(重量百分比)為=Sn含量為3. 0%, Gd含量為1. 2%,Gd與Sn 的重量比為0. 4 :1，Mn含量為0. 2%，Ca含量為0. 3%，Sr含量為0. 10%,雜質元素Si、Fe、Cu 和Ni的總量小于0. 02%，其余為Mg。按上述成分配制合金，其中Mg和Sn均以工業純Mg和純Sn O 99. 99wt. %)形式 添力口，Gd、Mn、Ca 禾口 Sr 分另Ij 以 Mg-25wt. %Gd、Mg-4wt. %Mn、Mg-19wt. %Ca 禾口 Mg_10wt· %Sr 中 間合金的形式添加。在熔劑或氣體保護下，當石墨坩堝的溫度達到200-250°C，加入已預熱 的純Mg、純Sn和Mg-4wt. %Mn中間合金并將其熔化，熔化后升溫到740°C，然后加入已預熱 的Mg-25wt. %Gd和Mg-19wt. %Ca中間合金，待這些中間合金熔化后加入Mg-lOwt. %Sr中間合金。Mg-lOwt. %Sr中間合金的加入方法在150°C將Mg-lOwt. %Sr中間合金烘烤20分鐘， 然后用壓瓢迅速壓入合金液面以下約3分鐘，攪拌后升溫到740°C，然后用C2Cl6精煉劑精 煉處理5分鐘，精煉完畢后攪拌合金熔體并在740°C靜置15分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體 表面的浮雜，然后將其澆鑄入已預熱到100-150°C的金屬型中。合金的固溶處理工藝為在 480°C下保溫12小時，然后淬入冷水中。合金的時效處理工藝為在240°C下保溫16小時， 然后空冷。合金時效后的顯微組織照片如圖1所示。在照片中幾乎看不到粗大的GdMgSn 相，而這對于合金的性能提高是非常有利的。本實施例得到的合金，其室溫抗拉強度為162MPa，屈服強度為140MPa，延伸率為 3. 2% ;150°C下的抗拉強度為145MPa，屈服強度為128MPa，延伸率為15. 6% ；在蠕變溫度為
150° C和應力為70MPa下持續IOOh的總蠕變量為1. 09%，最小蠕變速率為3. 04X IO"8
-1 S O實施例2 合金的成分(重量百分比)為=Sn含量為4. 0%, Gd含量為2. 4%, Gd與Sn 重量比為0. 6 :1，Mn含量為0. 25%，Ca含量為0. 4%，Sr含量為0. 13%，雜質元素Si、Fe、Cu 和Ni的總量小于0. 02%，其余為Mg。按上述成分配制合金，其中Mg和Sn均以工業純Mg和純Sn O 99. 99wt. %)形式 添力口，Gd、Mn、Ca 禾口 Sr 分另Ij 以 Mg-25wt. %Gd、Mg-4wt. %Mn、Mg-19wt. %Ca 禾口 Mg_10wt· %Sr 中 間合金的形式添加。在熔劑或氣體保護下，當石墨坩堝的溫度達到200-250°C，加入已預熱 的純Mg、純Sn和Mg-4wt. %Mn中間合金并將其熔化，熔化后升溫到740°C，然后加入已預熱 的Mg-25wt. %Gd和Mg-19wt. %Ca中間合金，待這些中間合金熔化后加入Mg-lOwt. %Sr中間 合金。Mg-lOwt. %Sr中間合金的加入方法在150°C將Mg-lOwt. %Sr中間合金烘烤20分鐘， 然后用壓瓢迅速壓入合金液面以下約4分鐘，攪拌后升溫到750°C，然后用C2Cl6精煉劑精 煉處理6分鐘，精煉完畢后攪拌合金熔體并在740°C靜置15分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體 表面的浮雜，然后將其澆鑄入已預熱到100-150°C的金屬型中。合金的固溶處理工藝為在 500°C下保溫18小時，然后淬入冷水中。合金的時效處理工藝為在260°C下保溫24小時， 然后空冷。合金時效后的顯微組織照片如圖2所示。在照片中幾乎看不到粗大的GdMgSn 相，而這對于合金的性能提高是非常有利的。本實施例得到的合金，其室溫抗拉強度為175MPa，屈服強度為159MPa，延伸率為 3. 5% ;150°C下的抗拉強度為153MPa，屈服強度為140MPa，延伸率為20. 2% ；在蠕變溫度為
150° C和應力為70MPa下持續IOOh的總蠕變量為1. 02%，最小蠕變速率為2. 84X IO"8
-1 S O實施例3 合金的成分(重量百分比)為Sn含量為5. 0%, Gd含量為2. 5%, Gd與Sn 重量比為0. 5 :l,Mn含量為0. 4%，Ca含量為0. 5%，Sr含量為0. 16%，雜質元素Si、Fe、Cu和 Ni的總量小于0. 02%，其余為Mg。按上述成分配制合金，其中Mg和Sn均以工業純Mg和純Sn O 99. 99wt. %)形式 添力口，Gd、Mn、Ca 禾口 Sr 分另Ij 以 Mg-25wt. %Gd、Mg-4wt. %Mn、Mg-19wt. %Ca 禾口 Mg_10wt· %Sr 中 間合金的形式添加。在熔劑或氣體保護下，當石墨坩堝的溫度達到200-250°C，加入已預熱 的純Mg、純Sn和Mg-4%Mn中間合金并將其熔化，熔化后升溫到730°C，然后加入已預熱的 Mg-25wt. %Gd和Mg-19wt. %Ca中間合金，待這些中間合金熔化后加入Mg-lOwt. %Sr中間合 金。Mg-lOwt. %Sr中間合金的加入方法在150°C將Mg-lOwt. %Sr中間合金烘烤20分鐘，然后用壓瓢迅速壓入合金液面以下約3分鐘，攪拌后升溫到740°C，然后用C2Cl6精煉劑精煉 處理5分鐘，精煉完畢后攪拌合金熔體并在740°C靜置15分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體 表面的浮雜，然后將其澆鑄入已預熱到100-150°C的金屬型中。合金的固溶處理工藝為在 520°C下保溫24小時，然后淬入冷水中。合金的時效處理工藝為在280°C下保溫32小時， 然后空冷。合金時效后的顯微組織照片如圖3所示。在照片中幾乎看不到粗大的GdMgSn 相，而這對于合金的性能提高是非常有利的。本實施例得到的合金，其室溫抗拉強度為155MPa，屈服強度為134MPa，延伸率為 3. 0% ;150°C下的抗拉強度為131MPa，屈服強度為120MPa，延伸率為16. 4% ；在蠕變溫度為
150° C和應力為70MPa下持續IOOh的總蠕變量為0. 958%，最小蠕變速率為2. 66X IO"8
-1 S O以上實施例中使用的溶劑可以采用鎂合金制備通用的各種溶劑，如采用的較為普 遍的 2# 熔劑(45 wt. % MgCl2 + 37 wt. % KCl +8 wt. % NaCl + 4 wt. % CaF2 + 6 wt. % BaCl)。保護氣體也可以采用鎂合金制備通用的各種保護氣體，如C02。
權利要求
一種以Sn和Gd為主要組元的耐熱鎂合金，各組份及其重量百分比為Sn3.0 5.0%, Gd1.2 3.0%，Gd與Sn重量比為0.4 0.61，Ca0.3 0.5%，Mn0.2 0.4%，Sr0.10 0.16%，雜質元素Si含量≤0.02%，Fe含量≤0.005%，Cu含量≤0.015%，Ni含量≤0.002%，Mg為平衡元素。
2.根據權利要求1所述的以Sn和Gd為主要組元的耐熱鎂合金，其特征在于其中Gd 與Sn重量比為0. 4-0. 6:1。
3.根據權利要求2所述的以Sn和Gd為主要組元的耐熱鎂合金，其特征在于其中Gd 與Sn重量比為0.6 :1。
4.根據權利要求1所述的以Sn和Gd為主要組元的耐熱鎂合金，其特征在于各組份的 重量百分比為:Sn4. 0%, Gd2. 4%,Gd 與 Sn 重量比為 0. 6 :l，CaO. 4%,MnO. 25%, SrO. 13%，雜質 元素Si、Fe、Cu和Ni的總含量< 0. 02%，其余為Mg。
5.權利要求1所述的多元耐熱鎂合金的制備方法，包括以下三個步驟1)將Mg、Sn、Gd、Mn、Ca和Sr按相應的成分配料，其中Mg和Sn以工業純Mg和純Sn O 99. 99wt. %)形式添加，Gd、Mn、Ca 和 Sr 分別以 Mg_25wt. %Gd、Mg_4wt. %Mn、Mg_19wt. %Ca 和Mg-10wt.%Sr中間合金的形式添加；在熔劑或氣體保護下，當石墨坩堝的溫度達到 200-250°C后，加入已預熱的純Mg、純Sn和Mg-4wt. %Mn中間合金并將其熔化，熔化后升溫到 720-740°C，然后加入已預熱的Mg-25wt. %Gd和Mg_19wt. %Ca中間合金，待這些中間合金熔 化后加入Mg-lOwt. %Sr中間合金；Mg-lOwt. %Sr中間合金的加入方法在100_150°C左右將 Mg-lOwt. %Sr中間合金烘烤15-30分鐘，然后用壓瓢迅速壓入合金液面以下約2_6分鐘，攪 拌后升溫到720-760°C，然后用C2Cl6精煉劑精煉處理5_10分鐘，精煉完畢后攪拌合金熔體 并在740°C靜置10-15分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體表面的浮雜，然后進行鑄造；2)將鑄造得到的合金進行固溶處理；3)將固溶處理后的合金進行時效處理。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述固溶處理為將合金放入通保護性氣 氛的電爐中，在480-520°C下保溫12-24小時，然后淬入冷水中。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述時效處理為將合金放入通保護性氣 氛的電爐中，在240-280°C下保溫16-32小時，然后空冷。
全文摘要
本發明提供的一種以Sn和Gd為主要組元的耐熱鎂合金，合金中各組份及其質量百分比為Sn含量為3.0-5.0%,Gd含量為1.2-3.0%，Gd/Sn重量比為0.4-0.61，Mn含量為0.2-0.4%，Ca含量為0.3-0.5%，Sr含量為0.10-0.16%，雜質元素Si含量≤0.02%，Fe含量≤0.005%，Cu含量≤0.015%，Ni含量≤0.002%，Mg為平衡元素。本發明還提出該合金的制備方法。本合金具有良好力學性能和抗蠕變性能。
文檔編號C22C1/02GK101985711SQ20101057884
公開日2011年3月16日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者周濤, 朱熠, 楊明波, 梁曉峰, 潘復生, 秦財源, 胡紅軍 申請人:重慶理工大學