本發明屬于金屬材料技術領域，具體涉及一種耐熱稀土鎂合金及其制備方法。

背景技術：

汽車輕量化設計是指在保證汽車產品使用、安全性能和成本控制的前提下，依靠材料輕量化、設計技術輕量化和制造技術輕量化的有機結合。在汽車工業中，汽車輕量化是技術發展的必然趨勢。汽車重量每減重100kg，每百公里油耗可下降0.3~0.5l，同時有利于減少尾氣排放，起到環保的作用。

鎂合金是迄今為止最輕的金屬結構材料，其密度僅相當于鋁的2/3，鋼的1/4，使其擁有很高的比強度及比剛度。另外，鎂合金還具有良好的阻尼減震性、機械加工性、尺寸穩定性和易回收等特點，使其被廣泛運用于3c產業、汽車制造和航空航天配件等方面。常規鎂合金的價格雖然相對便宜，但高溫性能較差，限制其運用于耐熱零部件，在常規鎂合金中添加稀土元素可以提高鎂合金高溫性能，

現有技術中，常見的耐熱鎂合金有ae44（e為ce、la、pr、nd）和alcela44，ae44含有貴稀土pr和nd，成本極高；alcela44不含稀土pr和nd，有效降低了成本，但ce和la在mg中的固溶度低，固溶強化的效果較差。本發明在alcela44的基礎上引入稀土元素sm，其在mg中的固溶度大，并且sm與al結合形成al2sm相，從而抑制了mg17al12相的生成，提高耐熱鎂合金在高溫下的力學性能，制備成本比alcela44更低。本發明的耐熱稀土鎂合金在高溫下具有較好的力學性能，在150℃時的抗拉強度為137mpa~151mpa，屈服強度為101mpa~113mpa，延伸率為30％~34.5％；在200℃時的抗拉強度為112mpa~125mpa，屈服強度90mpa~103mpa，延伸率為27％~30％。本發明還提供了一種鎂合金的制備方法，包括料預熱，熔煉，合金化，精煉等步驟得到純凈且均勻化的鎂合金液，最后壓鑄得到耐熱稀土鎂合金，本制備方法得到的產品更純凈均勻，品質高。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種耐熱稀土鎂合金，在保持高溫抗拉強度的同時，具有較高的品質。

本發明的另一個目的是提供一種耐熱稀土鎂合金的制備方法。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種耐熱稀土鎂合金，由以下質量百分比的組分組成：3.0~5.0%al，0.1~3.5%ce，0.1~3.5%la，0.1~3.5%sm，0.1~0.5%mn，84.0%~96.6%mg。

優選的，所述耐熱稀土鎂合金，質量百分比組成為：3.5~4.5%al，1.0~2.0%ce，1.0~2.0%la，0.5~1.5%sm，0.2~0.35%mn，89.6%~93.8%mg。所述金屬al和金屬mg的純度優選為不低于99.7%，金屬mg的燒損率按照5%計算，金屬al的燒損率按照8%計算；所述ce和la以鎂鈰鑭中間合金形式添加，所述ce與la在鎂鈰鑭中間合金中的質量總含量優選為30%，所述ce和la的燒損率均按照20%計算；所述sm以鎂釤中間合金形式添加，sm在鎂釤中間合金中的質量含量為20%，并且sm的燒損率按照25%計算；所述mn為純mn粉或鎂錳中間合金形式添加，當以鎂錳中間合金形式添加時，所述mn在mg-mn中間合金中的質量含量為5%，所述鎂錳中間合金需要優先預計0.15%的除鐵使用量，燒損率按照4%計算。

本發明提供了一種耐熱稀土鎂合金的制備方法，包括下列步驟：

s1.將原料金屬mg、金屬al、鎂鈰鑭中間合金體、鎂釤中間合金體和鎂錳中間合金體預熱；

s2.將預熱好的金屬mg和鎂錳中間合金體在保護氣體n2和sf6下熔煉，得到中間鎂合金液；

s3.將金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金依次加入s2的中間合金液中融化得到鎂合金液；每熔化一種合金或金屬后，進行人工攪拌3min，然后再靜置5min。

s4.將s3中得到的鎂合金液進行攪拌，保溫，撈渣后得到均勻化的鎂合金液；

s5.將s4中得到的鎂合金液進行精煉，降溫，靜置及扒渣后得到純凈的均勻化鎂合金液；

s6.將s5中得到的鎂合金液進行壓鑄，得到鎂合金試樣。

優選的，s1中的預熱溫度為220~330℃，預熱時間為0.5~3.0h。

優選的，s2中優選對熔煉設備及操作工具進行預熱，所述預熱溫度優選為300~450℃，更優選為390~410℃；熔煉溫度為710~760℃，更優選為720~750℃；，n2的流量優選為0.8~1.8m³/h，更優選為0.9~1.1m³/h，sf6的流量為0.25~0.65ml/min，更優選為0.3~0.4ml/min。

優選的，所述s3中的加料溫度均為710~760℃，更優選為730~740℃；攪拌時間優選為3~7min，更優選為3~4min；加料間隔時間優選為5~10min，更優選為5~6min。

優選的，所述步驟s4中的攪拌溫度為710~740℃，更優選為710~720℃；攪拌時間為10~25min，更優選為15~17min。

優選的，所述步驟s4中的保溫溫度為700~730℃，；保溫時間為15~30min。

優選的，所述步驟s5中的精煉溫度為700~720℃，更優選為710~720℃；精煉時間為10~30min，更優選為25~30min；精煉劑ar流量為0.1~0.5m³/h。

優選的，所述步驟s5中的靜置溫度為680~710℃，更優選為700~710℃；靜置時間為20~60min，更優選為30~35min。

優選的，所述步驟s6中的壓鑄溫度為680~710℃，更優選為695~705℃。

本發明的耐熱稀土鎂合金，組分為mg-al-la-ce-sm-mn，比現有技術中常見的耐熱鎂合金alcela44多引入了一種稀土元素sm，并改進了各成分組成的比例。al是耐熱鎂合金中最常見的合金元素，在mg中的最大固溶度達12.7%，并且al和mg會反應生成β-mg17al12相，β-mg17al12相在高溫下易發生軟化、粗化，不能有效釘扎晶界，高溫力學性能性能較差，β-mg17al12相隨著al含量的增加而增多，而al的含量在5%~6.0%時，mg-al系合金具有最佳的強度和延展性組合，所以綜合考慮al含量選擇為3.0~5.0%。ce加入mg-al系中可以提高鎂合金的抗氧化燃燒性和耐腐蝕性能，細化組織晶粒并且同時形成可強化第二相的al4ce化合物，提高鎂合金的力學性能；la加入mg-al系中會形成al11la3相，阻礙β-mg17al12的生成，但ce和la在mg中的固溶度低，固溶強化的效果較差，所以ce和la的質量含量控制在0.1~3.5%。sm在mg中的最大固溶度達5.88%，加入mg-al合金中可生成高熱穩定性的al2sm相（熔點為1500℃），有效抑制低熔點β-mg17al12相相的析出，從而提高其高溫力學性能。有研究表明，mg-al系合金加入1.5%sm后的組織與力學性能達到最好。所以sm含量選擇為0.1~3.5%。mn的主要作用是降低了有害雜質元素fe的含量，mn的質量含量選擇為0.1~0.5%。

本發明達到的有益效果如下：

按照本發明的原料配比以及控制生產工藝參數得到的耐熱稀土鎂合金，在常溫與高溫下較alcela44具有更好的力學性能。在常溫20℃下，本發明的耐熱稀土鎂合金抗拉強度較alcela44提高2.3%，屈服強度提高4.3%，延伸率提高4%；在150℃下，本發明的耐熱稀土鎂合金抗拉強度比alcela44提高6.3%，屈服強度提高6.6%，延伸率提高1.7%；在200℃下，雖然本發明的耐熱稀土鎂合金和alcela44抗拉強度和屈服強度接近，但本發明的延伸率較alcela44提高1.7%。

本發明技術方案中使用了獨有的稀土元素sm，目前市場上擁有大量的sm資源堆積，若能產業化運用本發明中的耐熱稀土鎂合金，可以解決許多企業稀土sm資源堆積浪費的問題。

附圖說明

圖1為本發明的耐熱稀土鎂合金拉伸試樣尺寸圖。

圖2為本發明的耐熱稀土鎂合金制備工藝流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步說明，但不限定本發明的范圍。

本發明實施例中涉及到的原料金屬mg、金屬al、鎂鈰鑭中間合金、鎂釤中間合金和鎂錳中間合金均為市售商品。金屬mg和金屬al的純度不低于99.7%，金屬mg的燒損率優選按照5%計算，金屬al的燒損率優選按照8%計算；ce與la在鎂鈰鑭中間合金中的質量總含量為30%，ce和la的燒損率優先按照20%計算；sm的燒損率優先按照25%計算；mn優選為純mn粉或鎂錳合金的形式添加，當以鎂錳中間合金的形式添加時，所述mn在鎂錳中間合金中的質量含量優選為5%，所述鎂錳中間合金需要優先預計0.15%的除鐵使用量，燒損率優選按照4%計算。

對比例中的耐熱稀土鎂合金采用的是alcela44。

對比例1：

本對比例的耐熱稀土鎂合金的成分質量百分比組成如下：

按5%的燒損率稱取金屬mg73.17kg；按4.00%的質量含量和8%的燒損率稱取金屬al3.78kg；按4.00%的質量含量和20%的燒損率稱取鎂鈰鑭中間合金16.00kg，ce和la在鎂鈰鑭中間合金中的質量總含量為30%；按0.35%的質量含量及0.15%除鐵消耗的質量含量和4%的燒損率稱取鎂錳中間合金10.40kg，其中mn元素占比為5%。

本對比例中的耐熱稀土鎂合金的制備方法包括以下步驟：

s1.配料：按照質量百分比組成稱取原料；

s2.預熱：將配制好的原料置于烤箱中預熱至320℃；

s3.熔煉：將預熱好的金屬mg和鎂錳中間合金裝入400℃預熱好的坩堝中，并在n2和sf6混合氣體保護下將坩堝內溫度升至740℃，其中，n2的流量為1.0m³/h，sf6的流量為0.3ml/min，待合金熔化；

s4.合金化：控制鎂液溫度為740℃，依次加入經預熱好的金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金，每熔化一種合金或金屬后，進行人工攪拌3min，然后再靜置5min。

s5.攪拌保溫：待加完合金或金屬后，降低鎂液溫度至為730℃進行人工攪拌15min，待攪拌完后撈掉底部沉渣并扒去表面浮渣，然后繼續在730℃保溫20min。

s6.精煉靜置：控制鎂液溫度為720℃，往熔爐底部以上10cm的位置通入流量為0.2m³/h的氬氣，持續時間為20min，待精煉完后降溫并同時靜置，靜置時間為40min，以便雜質沉淀，待完成靜置后，扒掉表面浮渣；

s7.成份分析：取部分熔湯，澆注成光譜分析試樣，并進行成份分析，若成份不符合目標成分要求，則重復步驟（4），直至成份符合要求；

s8.將熔煉好的合金在700℃進行壓鑄。

實施例2

本實施例的耐熱稀土鎂合金的成分質量百分比組成如下：

按5%的燒損率稱取金屬mg76.38kg；按3.50%的質量含量和8%的燒損率稱取金屬al3.78kg；按照質量含量1.66%的ce，0.97%的la和20%的燒損率稱取鎂鈰鑭中間合金10.50kg，ce和la在鎂鈰鑭中間合金中的質量總含量為30%；按0.88%的質量含量和25%的燒損率稱取鎂釤中間合金5.47kg，其中sm元素所占合金比例為20%；按0.20%的質量含量及0.15%除鐵消耗的質量含量和4%的燒損率稱取鎂錳中間合金7.28kg，其中mn元素占比為5%。

本實施例中的耐熱稀土鎂合金的制備方法包括以下步驟：

s1.配料：按照質量百分比組成稱取原料；

s2.預熱：將配制好的原料置于烤箱中預熱至300℃；

s3.熔煉：將預熱好的金屬mg和鎂錳中間合金裝入380℃預熱好的坩堝中，并在n2和sf6混合氣體保護下將坩堝內溫度升至710℃，其中，n2的流量為0.8m³/h，sf6的流量為0.28ml/min，待合金熔化；

s4.合金化：控制鎂液溫度為730℃，依次加入經預熱好的金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金，每熔化一種合金或金屬后，進行人工攪拌3min，然后再靜置5min。

s5.攪拌保溫：待加完合金或金屬后，降低鎂液溫度至為710℃進行人工攪拌15min，待攪拌完后撈掉底部沉渣并扒去表面浮渣，然后繼續在710℃保溫20min。

s6.精煉靜置：控制鎂液溫度為690℃，往熔爐底部以上10cm的位置通入流量為0.15m³/h的氬氣，持續時間為15min，待精煉完后降溫并同時靜置，靜置時間為20min，以便雜質沉淀，待完成靜置后，扒掉表面浮渣；

s7.成份分析：取部分熔湯，澆注成光譜分析試樣，并進行成份分析，若成份不符合目標成分要求，則重復步驟（4），直至成份符合要求；

s8.將熔煉好的合金在700℃進行壓鑄。

實施例3：

本實施例的耐熱稀土鎂合金的成分質量百分比組成如下：

按5%的燒損率稱取金屬mg71.00kg；按4.00%的質量含量和8%的燒損率稱取金屬al4.32kg；分別按質量含量為1.89%的ce，1.11%的la和20%的燒損率稱取鎂鈰鑭中間合金12.00kg，ce和la在鎂鈰鑭中間合金中的質量總含量為30%；按1.00%的質量含量和25%的燒損率稱取鎂釤中間合金6.25kg，其中sm元素所占合金比例為20%；按0.35%的質量含量及0.15%除鐵消耗的質量含量和4%的燒損率稱取鎂錳中間合金10.40kg，其中mn元素占比為5%。

本實施例中的耐熱稀土鎂合金的制備方法包括以下步驟：

s1.配料：按照質量百分比組成稱取原料；

s2.預熱：將配制好的原料置于烤箱中預熱至320℃；

s3.熔煉：將預熱好的金屬mg和鎂錳中間合金裝入400℃預熱好的坩堝中，并在n2和sf6混合氣體保護下將坩堝內溫度升至740℃，其中，n2的流量為1.0m³/h，sf6的流量為0.3ml/min，待合金熔化；

s4.合金化：控制鎂液溫度為730℃，依次加入經預熱好的金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金，每熔化一種合金或金屬后，進行人工攪拌3min，然后再靜置5min。

s5.攪拌保溫：待加完合金或金屬后，降低鎂液溫度至為720℃進行人工攪拌15min，待攪拌完后撈掉底部沉渣并扒去表面浮渣，然后繼續在720℃保溫20min。

s6.精煉靜置：控制鎂液溫度為710℃，往熔爐底部以上10cm的位置通入流量為0.2m³/h的氬氣，持續時間為20min，待精煉完后降溫并同時靜置，靜置時間為30min，以便雜質沉淀，待完成靜置后，扒掉表面浮渣；

s7.成份分析：取部分熔湯，澆注成光譜分析試樣，并進行成份分析，若成份不符合目標成分要求，則重復步驟（4），直至成份符合要求；

s8.將熔煉好的合金在700℃進行壓鑄。

實施例4：

本實施例的耐熱稀土鎂合金的成分質量百分比組成如下：

配料：按5%的燒損率稱取金屬mg65.63kg；按4.50%的質量含量和8%的燒損率稱取金屬al4.86kg；分別按質量含量為2.13%的ce，1.25%的la和20%的燒損率稱取鎂鈰鑭中間合金13.50kg，ce和la在鎂鈰鑭中間合金中的質量總含量為30%；按1.13%的質量含量和25%的燒損率稱取鎂錳中間合金7.03kg，其中sm元素所占合金比例為20%；按0.50%的質量含量及0.15%除鐵消耗的質量含量和4%的燒損率稱取鎂錳中間合金13.52kg，其中mn元素占比為5%；

本實施例中的稀土鎂合金的制備方法包括以下步驟：

s1.配料：按照質量百分比組成稱取原料；

s2.預熱：將配制好的原料置于烤箱中預熱至330℃；

s3.熔煉：將預熱好的金屬mg和鎂錳中間合金裝入410℃預熱好的坩堝中，并在n2和sf6混合氣體保護下將坩堝內溫度升至750℃，其中，n2的流量為1.0m³/h，sf6的流量為0.4ml/min，待合金熔化；

s4.合金化：控制鎂液溫度為740℃，依次加入經預熱好的金屬al、鎂鈰鑭中間合金和鎂釤中間合金，每熔化一種合金或金屬后，進行人工攪拌4min，然后再靜置6min。

s5.攪拌保溫：待加完合金或金屬后，降低鎂液溫度至為730℃進行人工攪拌15min，待攪拌完后撈掉底部沉渣并扒去表面浮渣，然后繼續在730℃保溫20min。

s6.精煉靜置：控制鎂液溫度為720℃，往熔爐底部以上10cm的位置通入流量為0.3m³/h的氬氣，持續時間為30min，待精煉完后降溫并同時靜置，靜置時間為40min，以便雜質沉淀，待完成靜置后，扒掉表面浮渣；

s7.成份分析：取部分熔湯，澆注成光譜分析試樣，并進行成份分析，若成份不符合目標成分要求，則重復步驟（4），直至成份符合要求；

s8.將熔煉好的合金在700℃進行壓鑄。

按照gb/t128-2010《金屬材料室溫拉伸實驗方法》的標準和gb/t4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》的標準，測試本發明對比例1及實施例2、3、4得到的耐熱稀土鎂合金在20℃、150℃、200℃下的力學性能，測試結果如表1所示。

表1拉伸測試結果

由以上對比例與實施例可看出，本發明提供的耐熱稀土鎂合金具有良好的常溫及高溫拉伸性能。本發明的耐熱稀土鎂合金在常溫與高溫下較alcela44具有更好的力學性能，在常溫20℃下，實施例4的耐熱鎂合金抗拉強度較對比例1的alcela44提高2.3%，屈服強度提高4.3%，延伸率提高4%。本發明的耐熱稀土鎂合金在150℃下的抗拉強度為137mpa~151mpa，屈服強度為101mpa~113mpa，延伸率為30％~34.5％；在150℃下，對比例1的alcela44和實施例2的耐熱稀土鎂合金抗拉強度和屈服強度接近，但實施例2的延伸率比對比例1提高15%；在150℃下，實施例4的耐熱稀土鎂合金抗拉強度比對比例1高6.3%，屈服強度高6.6%，延伸率高1.7%。本發明的耐熱稀土鎂合金在200℃下的抗拉強度為112mpa~125mpa，屈服強度90mpa~103mpa，延伸率為27％~30％；在200℃下，對比例1的alcela44和實施例3的耐熱稀土鎂合金抗拉強度和屈服強度接近，但實施例3的延伸率比對比例高1.7%。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，并非對本發明作任何形式上的限制。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。