專利名稱：一種稀土鎂合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及鎂合金技術領域,具體涉及一種低成本高性能的Mg-Zn-Ca- La/Ce系合金及其制備方法。
背景技術：
鎂合金具有高的比強度、比剛度，良好的阻尼性、切削加工性和導熱性，較強的電磁屏蔽能力以及易回收、再生等諸多優良性能，使其在航天航空、汽車工業、電子行業等國民經濟和國防領域的應用日益擴大。并且鎂是最輕的金屬結構材料，密度僅為1.74g/cm3，是鋁的2/3，是鋼的1/4，鎂合金在工業上的廣泛應用將對節能減排有著積極的作用。因此，鎂合金被譽為“21世紀的綠色工程材料”。
傳統的鎂合金如Mg-Al -ZruMg-Al -Mn等獲得了廣泛的應用，依然是目前應用量最大的鎂合金。這類鎂合金的突出特點是具有優良的壓鑄工藝性能，這是它們獲得廣泛應用的主要原因之一。但是這些合金都具有一個共同的缺點，就是在超過120°C使用時，由于P相(Mgl7A112)軟化而導致合金的力學性能顯著下降。于是人們通過加入適當的合金化元素，在鎂合金中形成熱穩定性較高的第二相顆粒，來改善鎂合金的力學性能。稀土(Rare Earth, RE)元素由于具有獨特的核外電子排布而被廣泛的用作合金化元素。已有研究發現添加稀土元素能夠極大地改善鎂合金的高溫拉伸性能、蠕變性能和抗腐蝕性能及耐熱性能等。但是現有鎂合金的力學性能還不能夠滿足工業化的需求，而性能較高的稀土鎂合金制備成本較高，限制了其在工業生產中的應用。只有具有優良力學性能的，高性價比的稀土鎂合金才會有廣闊的應用前景。

發明內容
本發明為解決現有技術中稀土鎂合金無法滿足工業化的需求的技術問題，而提供了一種高性能，低成本的稀土鎂合金及其制備方法。為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下一種稀土鎂合金，該稀土鎂合金的主要成分及其重量百分比為Zn為I. (T4. 0%，Ca 為 0. I 0. 5%, La 為 0. I I. 0%, Ce 為 0. 3 3. 0%,余量為 Mg。一種稀土鎂合金的制備方法，該制備方法包括以下工藝步驟(I)按照重量比Zn 為 1.0 4.0%，CaS0. I 0.5%，La 為 0. I I. 0%，Ce 為 0. 3 3. 0%，余量為Mg，進行備料鑄造Mg-Zn-Ca- La/Ce合金；(2 )將鑄態Mg-Zn-Ca- La/Ce合金進行均勻化處理；(3)將均勻化處理后的Mg-Zn-Ca- La/Ce合金車削加工成O80X200mm的擠壓錠，再對合金進行熱擠壓；(4)將熱擠壓變形后的Mg-Zn-Ca- La/Ce合金進行時效處理。在本發明提供的稀土鎂合金的制備方法中，所述的步驟(I)的具體工藝步驟如下
a、按照重量比Zn 為 I. 0 4· 0%, Ca 為 O. Γθ. 5%, La 為 O. Γ . 0%, Ce 為 O. 3 3· 0%,
余量為Mg,進行備料；b、對純鎂錠用酒精進行表面清理，并用冷水沖洗干凈，吹干，然后放入井式電阻爐中的坩堝中，通入C02+SF6混合保護氣(40:1 )，加熱至740 760° C ;待合金熔化后，將純Zn粒，La/Ce金屬或Mg-La/Ce中間合金預熱，預熱溫度為20(Γ300°C，然后加入純Ca粒或Mg-Ca中間合金,并向 甘禍中通入Ar氣以防止燃燒,流量為InL/min,時間為I分鐘,攪拌并靜置10分鐘后，降溫至71(T730°C澆鑄到模具中，得到Mg-Zn-Ca- La/Ce合金。在本發明提供的稀土鎂合金的制備方法中，所述的步驟(2)的具體工藝步驟如下將鑄態Mg-Zn-Ca- La/Ce合金進行均勻化處理，溫度為30(T450°C，升溫速率為 4°C/min，保溫時間為8飛4h，然后6(T80°C水淬。在本發明提供的稀土鎂合金的制備方法中，所述的步驟(3)的具體工藝步驟如下將均勻化處理后的合金車削加工成Φ 80 X 200mm的擠壓錠，并在25(T400°C下預熱20分鐘后，利用臥式擠壓機對合金進行熱擠壓，擠壓溫度為25(T400°C，擠壓比為18:1，擠壓壓頭移動速度為I. (Γ20. Omm/s，模具出口處采用50°C水冷擠壓棒。在本發明提供的稀土鎂合金的制備方法中，所述的步驟(4)的具體工藝步驟如下將熱擠壓變形后的Mg - Zn - Ca - La/Ce合金進行時效處理，時效溫度為150 250°C，保溫時間為8tTl20h，然后25° C水冷。本發明的技術效果在于本發明提供的稀土鎂合金，是通過在純鎂中加入一定量提取鐠(Pr)、釹(Nd)后的低成本鑭/鈰(La/Ce)混合稀土、鋅及鈣元素，通過鑄造、均勻化處理及熱擠壓變形技術，制備出一種低成本高強度的耐熱稀土鎂合金。本合金中鎂與鋅、鈣及稀土元素可以形成熱穩定性較好的金屬間化合物，將鎂合金的耐熱溫度提高至20(T300°C，同時La/Ce混合稀土的微合金化也可以顯著改善鎂合金的顯微組織，極大提高了合金的熱變形加工能力，有利于合金的工業化生產。此外，本發明為大量積壓的鑭/鈰混合稀土找到了一個合適的應用領域，有助于緩解我國目前輕稀土資源產銷不平衡的矛盾。本發明的合金中稀土元素La/Ce的添加，還提高了合金的強度，其強度超過350MPa，而目前變形Mg-Zn- Ca合金的強度一般低于330 MPa ；本發明的合金的耐熱溫度可以達到20(T30(TC，與現有Mg-Zn- Ca系合金(耐熱溫度為200°C)相比，其耐熱性能也提高了。本發明提供的稀土鎂合金的制備方法，最主要的步驟在于Mg -Zn-Ca- La/Ce合金的組分設計及原料的選擇，其組分和質量百分比為Zn為I. (Γ4. 0%，Ca為O. Γθ. 5%，La為O. Γ1. 0%，Ce為O. 3^3. 0%，余量為Mg。按照設計的組分及其質量百分比加入原料鑄造合金，結合熱擠壓技術和后時效處理，所制備的合金兼具高強、高韌、低成本、良好的耐熱及耐蝕性等優點。
具體實施方式
本發明的具體實施方式
為本發明提供的稀土鎂合金的制備方法具體如下(I)本發明使用商業高純鎂，純度為99. 90 wt. %，Zn粒純度為99. 90 wt. %，Ca的純度為99. 50 wt. %，La/Ce金屬或者Mg - La/Ce中間合金(成分為Mg - 15 wt. % Ce - 5wt. % La)作為原料；按照重量比Zn為I. 0 4. 0%, Ca為0. I 0. 5%, La為0. I I. 0%, Ce為
0.3^3. 0%，余量為Mg，進行備料；其中純Ca粒可以用Mg-Ca中間合金替代；對純鎂錠用酒精進行表面清理，并用冷水沖洗干凈，吹干，然后放入井式電阻爐中的坩堝中，通入C02+SF6混合保護氣(40:1 )，加熱至740 760° C ;待合金熔化后，將純Zn粒和Mg - La/Ce中間合金(預熱溫度為200 300° C)，然后加入純Ca粒，并向坩堝中通入Ar氣以防止燃燒，流量為InL/min，時間為I分鐘，攪拌并靜置10分鐘后，降溫至71(T730°C澆鑄到45#鋼制永久型圓柱模具中，得到Mg-Zn-Ca- La/Ce合金；(2)將鑄態Mg-Zn-Ca- La/Ce合金進行均勻化處理，溫度為30(T450°C，升溫速率為4°C/min，保溫時間為8飛4h，然后6(T80°C水淬；(3)將均勻化處理后的合金車削加工成080\200臟的擠壓錠，并250 400°(下預熱20分鐘后，利用臥式擠壓機對合金進行熱擠壓，擠壓溫度為25(T400°C，擠壓比為18:1，擠壓壓頭移動速度為I. (T20. Omm/s，模具出口處采用50°C水冷擠壓棒(以防止晶粒長大)；(4)將熱擠壓變形后的合金在熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為15(T250°C，保溫時間為8h 120h，然后25° C水冷。實施例I(I)商用高純鎂，純度為99. 90 wt. %, Zn粒純度為99. 90 wt. %, Ca的純度為99. 50wt. %,Mg - La/Ce中間合金(成分為Mg - 15 wt. % Ce - 5 wt. % La)為原料,按照質量百分比為Zn為I. 0%, Ca為0. 1%，La為0. 1%，Ce為0. 3%,余量為Mg進行備料。對純鎂錠用酒精進行表面清理，并用冷水沖洗干凈，吹干，然后放入井式電阻爐中的坩堝中，通入C02+SF6混合保護氣(40:1 )，加熱至740° C。待合金熔化后，將純Zn粒和Mg - La/Ce中間合金預熱，預熱溫度為200° C，然后加入純Ca粒，并向坩堝中通入Ar氣以防止燃燒，流量為InL/min，時間為I分鐘，攪拌并靜置10分鐘后，降溫至710°C澆鑄到45#鋼制永久型圓柱模具中，得到Mg-Zn-Ca- La/Ce合金。(2)將鑄態Mg-Zn-Ca- La/Ce合金放入箱式熱處理爐中，升溫到均勻化目標溫度300° C，升溫速率為4°C/min，保溫時間為8h，然后60° C水淬。(3)將均勻化處理后的合金加工成O80X200mm的擠壓錠，并在250°C下預熱20分鐘后，利用臥式擠壓機對合金進行熱擠壓，擠壓溫度為250°C，擠壓比為18:1，擠壓壓頭移動速度為I. Omm/s，模具出口處采用50°C水冷擠壓棒。(4)將熱擠壓變形后的合金在熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為150°C，保溫時間為120h，然后25° C水冷。實施例2(I)商用高純鎂，純度為 99. 90 wt. %，Zn 粒純度為 99. 90 wt. %，Mg - 30 wt. % Ca中間合金，Mg - La/Ce中間合金(成分為Mg - 15 wt. % Ce - 5 wt. % La)為原料,按照質量百分比為-.Zn為I. 0%，Ca為0. 1%，La為0. 1%，Ce為0. 3%，余量為Mg進行備料。對純鎂錠用酒精進行表面清理，并用冷水沖洗干凈，吹干，然后放入井式電阻爐中的坩堝中，通入C02+SF6混合保護氣(40:1 )，加熱至740° C。待合金熔化后，將純Zn粒和Mg - La/Ce中間合金預熱，預熱溫度為200° C，然后加入Mg - Ca中間合金，攪拌并靜置10分鐘后，降溫至710°C澆鑄到45#鋼制永久型圓柱模具中，得到Mg-Zn-Ca- La/Ce合金。(2)鑄態Mg - Zn - Ca - La/Ce合金放入箱式熱處理爐中，升溫到均勻化目標溫度300° C，升溫速率為4°C/min，保溫時間為8h，然后60° C水淬。(3)將均勻化處理后的合金加工成Φ80X200mm的擠壓錠，并在250°C下預熱20分鐘后，利用臥式擠壓機對合金進行熱擠壓，擠壓溫度為250°C，擠壓比為18:1，擠壓壓頭移動速度為I. Omm/s，模具出口處采用50°C水冷擠壓棒。(4)將熱擠壓變形后的合金在熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為150°C，保溫時間為120h，然后25° C水冷。實施例3 (I)商用高純鎂，純度為 99. 90 wt. %，Zn 粒純度為 99. 90 wt. %，Mg - 30 wt. % Ca 中間合金，La/Ce金屬，純度為99. 50 wt. %為原料，按照質量百分比為Zn為I. 0%，Ca為O. 1%，La為O. 1%，Ce為O. 3%，余量為Mg進行備料。對純鎂錠用酒精進行表面清理，并用冷水沖洗干凈，吹干，然后放入井式電阻爐中的坩堝中，通入C02+SF6混合保護氣(40:1)，加熱至740° C。待合金熔化后，將純Zn粒和La/Ce金屬預熱，預熱溫度為200° C，然后加入Mg - Ca中間合金，攪拌并靜置10分鐘后，降溫至710° C澆鑄到45#鋼制永久型圓柱模具中，得到Mg-Zn-Ca- La/Ce合金。(2)將鑄態Mg-Zn-Ca- La/Ce合金放入箱式熱處理爐中，升溫到均勻化目標溫度300° C，升溫速率為4°C/min，保溫時間為8h，然后60° C水淬。(3)將均勻化處理后的合金加工成Φ80X200mm的擠壓錠，并在250°C下預熱20分鐘后，利用臥式擠壓機對合金進行熱擠壓，擠壓溫度為250°C，擠壓比為18:1，擠壓壓頭移動速度為I. Omm/s，模具出口處采用50°C水冷擠壓棒。(4)將熱擠壓變形后的合金在熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為150°C，保溫時間為120h，然后25° C水冷。實施例4(I)商用高純鎂，純度為99. 90 wt. %, Zn粒純度為99. 90 wt. %, Ca的純度為99. 50wt. %,Mg - La/Ce中間合金(成分為Mg - 15 wt. % Ce - 5 wt. % La)為原料,按照質量百分比為Zn為2. 0%, Ca為O. 3%, La為O. 5%, Ce為I. 5%,余量為Mg進行備料。對純鎂錠用酒精進行表面清理，并用冷水沖洗干凈，吹干，然后放入井式電阻爐中的坩堝中，通入C02+SF6混合保護氣(40:1 )，加熱至750° C。待合金熔化后，將純Zn粒和Mg - La/Ce中間合金預熱，預熱溫度為250° C，然后加入純Ca粒，并向坩堝中通入Ar氣以防止燃燒，流量為InL/min，時間為I分鐘，攪拌并靜置10分鐘后，降溫至720° C澆鑄到45#鋼制永久型圓柱模具中，得到Mg-Zn-Ca- La/Ce合金。(2)將鑄態Mg-Zn-Ca- La/Ce合金放入箱式熱處理爐中，升溫到均勻化目標溫度350° C，升溫速率為4°C/min，保溫時間為32h，然后70° C水淬。(3)將均勻化處理后的合金加工成Φ80X200mm的擠壓錠，并在300°C下預熱20分鐘后，利用臥式擠壓機對合金進行熱擠壓，擠壓溫度為300°C，擠壓比為18:1，擠壓壓頭移動速度為5. Omm/s，模具出口處采用50° C水冷擠壓棒。
(4)將熱擠壓變形后的合金在熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為180°C，保溫時間為64h，然后25° C水冷。實施例5(I)商用高純鎂，純度為99. 90 wt. %, Zn粒純度為99. 90 wt. %, Ca的純度為99. 50wt. %,Mg - La/Ce中間合金(成分為Mg - 15 wt. % Ce - 5 wt. % La)為原料,按照質量百分比為Zn為4. 0%, Ca為0. 5%, La為I. 0%, Ce為3. 0%,余量為Mg進行備料。對純鎂錠用酒精進行表面清理，并用冷水沖洗干凈，吹干，然后放入井式電阻爐中的坩堝中，通入C02+SF6混合保護氣(40:1 )，加熱至760° C。待合金熔化后，將純Zn粒和Mg - La/Ce中間合金預熱，預熱溫度為300° C，然后加入純Ca粒，并向坩堝中通入Ar氣以防止燃燒，流量為InL/min，時間為I分鐘，攪拌并靜置10分鐘后，降溫至730° C澆鑄到45#鋼制永久型圓柱模具中，得到Mg-Zn-Ca- La/Ce合金。
(2)將鑄態Mg-Zn-Ca- La/Ce合金放入箱式熱處理爐中，升溫到均勻化目標溫度450° C，升溫速率為4°C/min，保溫時間為64h，然后80° C水淬。(3)將均勻化處理后的合金加工成O80X200mm的擠壓錠，并在400°C下預熱20分鐘后，利用臥式擠壓機對合金進行熱擠壓，擠壓溫度為400°C，擠壓比為18:1，擠壓壓頭移動速度為20. Omm/s，模具出口處采用50° C水冷擠壓棒。(4)將熱擠壓變形后的合金在熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為250°C，保溫時間為8h，然后25° C水冷。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
權利要求
1.一種稀土鎂合金，其特征在于，該稀土鎂合金的主要成分及其重量百分比為Zn為I. 0 4· 0%, Ca 為 O. Γ0. 5%, La 為 O. Γ . 0%, Ce 為 O. 3 3. 0%，余量為 Mg。
2.如權利要求I所述的稀土鎂合金的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下工藝步驟(1)按照重量比Ζη為 I. 0 4· 0%, Ca 為 O. Γθ. 5%, La 為 O. Γ . 0%, Ce 為 O. 3 3. 0%，余量為Mg，進行備料鑄造Mg-Zn-Ca- La/Ce合金； (2)將鑄態Mg-Zn-Ca-La/Ce合金進行均勻化處理； (3)將均勻化處理后的Mg-Zn-Ca- La/Ce合金車削加工成Φ 80 X 200mm的擠壓錠，再對合金進行熱擠壓； (4)將熱擠壓變形后的Mg-Zn-Ca-La/Ce合金進行時效處理。
3.如權利要求2所述的稀土鎂合金的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)的具體工藝步驟如下a、按照重量比Zn為 I. 0 4· 0%, Ca 為 O. Γθ. 5%, La 為 O. Γ . 0%, Ce 為 O. 3 3. 0%，余量為Mg,進行備料； b、對純鎂錠用酒精進行表面清理，并用冷水沖洗干凈，吹干，然后放入井式電阻爐中的坩堝中，通入C02+SF6混合保護氣(40:1 )，加熱至740 760° C ;待合金熔化后，將純Zn粒，La/Ce金屬或Mg - La/Ce中間合金預熱，預熱溫度為20(Γ300° C，然后加入純Ca粒或Mg-Ca中間合金，并向坩堝中通入Ar氣以防止燃燒，流量為InL/min，時間為I分鐘，攪拌并靜置10分鐘后，降溫至71(T730°C澆鑄到模具中，得到Mg-Zn-Ca- La/Ce合金。
4.如權利要求2所述的稀土鎂合金的制備方法，其特征在于，所述的步驟(2)的具體工藝步驟如下 將鑄態Mg -Zn-Ca- La/Ce合金進行均勻化處理，溫度為30(T450°C，升溫速率為4° C/min，保溫時間為8飛4h，然后6(T80°C水淬。
5.如權利要求2所述的稀土鎂合金的制備方法，其特征在于，所述的步驟(3)的具體工藝步驟如下 將均勻化處理后的合金車削加工成Φ80Χ200πιπι的擠壓錠，并在25(T400°C下預熱20分鐘后，利用臥式擠壓機對合金進行熱擠壓，擠壓溫度為25(T400°C，擠壓比為18:1，擠壓壓頭移動速度為I. (Γ20. Omm/s，模具出口處采用50°C水冷擠壓棒。
6.如權利要求2所述的稀土鎂合金的制備方法，其特征在于，所述的步驟(4)的具體工藝步驟如下 將熱擠壓變形后的Mg-Zn-Ca- La/Ce合金進行時效處理，時效溫度為15(T250°C，保溫時間為8tTl20h，然后25° C水冷。
全文摘要
本發明涉及一種稀土鎂合金及其制備方法。解決現有技術中稀土鎂合金無法滿足工業化的需求的技術問題。本發明提供的稀土鎂合金，主要成分及重量百分比為Zn為1.0~4.0%，Ca為0.1~0.5%，La為0.1~1.0%，Ce為0.3~3.0%，余量為Mg。該稀土鎂合金的耐熱溫度，強度等均高于現有鎂合金。本發明還提供了該稀土鎂合金的制備方法，Mg–Zn–Ca–La/Ce合金的組分設計及原料的選擇，結合鑄造、熱擠壓技術和后時效處理，所制備的合金兼具高強、高韌、低成本、良好的耐熱及耐蝕性等優點。
文檔編號C22F1/06GK102978498SQ20121055271
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者張洪杰, 佟立波, 邱鑫, 田政, 程麗任, 孟健 申請人:中國科學院長春應用化學研究所