本發明涉及有色金屬領域，尤其涉及一種高強耐熱鑄造鎂合金及制備方法。
背景技術：
鎂合金是實用金屬中密度最低的金屬，具有比強度高、比剛度好、抗震減噪性能好等特點，是較為理想的金屬結構材料。目前鎂合金產品主要以壓鑄件為主，高性能的鍛件應用很少。其主要原因是鎂合金常溫塑性差，對變形速率敏感，鍛造成型困難。鎂合金晶體結構為密排六方，常溫下可開動的滑移系較少，塑性變形能力差。自由鍛造的應變狀態是一向壓縮兩相延伸，這對發揮鎂合金的塑性不利。所以鎂合金鍛造時應精確地控制變形速度、變形率及其它工藝參數。目前對鍛造鎂合金的研究主要集中在如何合理的控制組織、細化晶粒及適當的控制溫度范圍與變形速率等方面以提高或改善鎂合金的塑性變形能力。
我國具有豐富的鎂資源，耐熱鎂合金的研究和開發符合汽車、航空航天等工業發展要求。鎂合金的研究也引起了我國的高度重視，已列入“十五”規劃的重大專項攻關課題，高溫鎂合金也是“十一五”規劃中材料研究的重點。值得重視的是，現有鎂合金在汽車上的用量遠沒有達到人們期待的水平，鎂合金的研究與應用都有著很長的路要走。有關統計數字表明,在過去10年里,鎂合金壓鑄件在汽車上的使用量上升了15％左右,這種發展趨勢將會在今后很長的時間內持續下去。目前，鎂合金在汽車上的應用還僅局限于一些在常溫下運行的殼體型零件(如手動變速器殼和蓋、離合器殼等)和車內部件(如方向盤系統、儀表面板等)，而這些零件在整車中所占重量比是十分有限的。要達到每臺車上用185公斤鎂合金的目標，必須實現發動機和底盤零件(包括輪轂)的鎂合金化。這就對鎂合金的性能提出了更高要求。發動機和傳動機構的零件要求材料具有優良的耐熱性能(高溫強度和抗蠕變性能)，而底盤零件則需要高強度、高韌性、抗疲勞和耐腐蝕性能。因此，開發新型高性能、低成本的鎂合金是當前世界汽車業急需解決的重大課題。
中國專利cn1804083a記載了一種高強耐熱稀土鎂合金，其組成為：2-10％重量比的gd,3-12％重量比的y,gd和y的重量之和占該合金總重量的13％-14％，以及0.4％-0.7％重量比的zr和不大于0.3％重量比的活化元素(zn,ag,cu,sr,ca,ti,bi,cd中任選一種)，或0.6％-1.5％重量比的mn和不大于0.3％重量比的活化元素(sn、si、sb、ca、sr中任選一種)，其余為mg。這種稀土鎂合金的析出物總是沿著基體的棱柱面析出，形成一種交叉的網狀相結構，具有能高度抗粒子粗化，提供高度強化和蠕變抗力的作用。其在300℃應用條件下，瞬時極限拉伸強度為180mpa。然而，在該專利中，ca含量不大于0.3％，并且沒有加入nd元素。其在300℃的瞬時極限拉伸強度并沒有極大的發揮，如果ca含量超過0.3％，并適當的利用它的第二相強化作用，會得到300℃的瞬時極限拉伸強度超過200mpa的合金。
中國專利cn101078080a記載了一種抗蠕變鎂合金，該鎂合金成分及其重量百分比為：1.5-10wt.％y,0.15-2.0wt.％zr,0.3-2.0wt.％nd,2.5-8wt.％gd，及sm、dy、tb、ho、er、tm和eu中一種或幾種，其中0-1.5wt.％sm,0-5wt.％dy；0-5wt.％tb；0-5wt.％ho，0-5wt.％er,0-5wt.％tm,0-5wt.％eu，其余為mg。該專利中雖然包括了y,gd和nd合金元素，但沒有包括ca元素和高于10wt.％以上的y以及高于2wt.％以上含量的nd,以及并未包含si、sb、ti、sn、sr、bi、cd等元素。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有技術中存在的缺點，而提出的一種高強耐熱鑄造鎂合金及制備方法。
為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：
一種高強耐熱鑄造鎂合金，其質量百分比為：gd6-13％、y2-6％、zr0.3-0.8％、ca0.3-0.6％、si≤0.01％、富鈰混合稀土0.7-3.0％，其余為mg。本發明合金中zr是作為合金晶粒細化粒而添加的。
一種高強耐熱鑄造鎂合金的制備方法，包括熔煉工藝和熱處理工藝，所述熔煉工藝包括以下步驟：
s1、備料：準備含配制合金總重量6-13％gd的mg–gd中間合金，含2-6％y的mg–y中間合金，含0.3-0.6％ca的mg–ca中間合金,含0.3-0.8％zr的k2zrf6混合鹽，余量為純mg；
s2、烘料：將mg–gd中間合金、mg–y中間合金、mg–ca中間合金、k2zrf6混合鹽、純mg在180-220℃預熱烘干；
s3、熔鎂：將烘干后的純mg熔化成mg液；
s4、加gd和y：向720-740℃的mg液中加入中間合金mg–gd，熔化得mg–gd熔液；所述mg–gd熔液溫度回升至720-740℃條件下加入mg–y中間合金，熔化得mg–gd–y熔液；
s5、加si：將mg–gd–y熔液溫度升至740-780℃條件下加入si，熔化得mg–gd–y-si熔液；
s6、加富鈰混合稀土：將mg–gd–y-si熔液升溫至760-780℃條件下加入k2zrf6混合鹽混合鹽和富鈰混合稀土，熔化得混合熔液；
s7、砂型鑄造：將混合熔液的溫度升至760-780℃，保溫25-35分鐘；然后降溫至740-760℃，不斷電精煉10-15分鐘；再升溫至770-780℃靜置25-35分鐘；在720-740℃條件下撇去表面浮渣并進行澆鑄，得到鎂合金。
所述熱處理工藝的步驟如下：
s1、三級固溶處理：首先對鎂合金在中溫300-350℃保溫1小時，取出后迅速置于80℃熱水中進行淬火；然后在次高溫400-460℃保溫4小時，取出后迅速置于80℃熱水中進行淬火；最后在高溫480-520℃保溫4-20小時，取出后迅速置于80℃熱水中進行淬火；
s2、時效處理：對固溶處理后的合金在200-240℃保溫8-24小時，取出后空冷至室溫。
優選地，所述熔煉工藝的步驟s3中熔化采用坩堝電阻爐。
優選地，所述熔煉工藝的步驟s7中澆鑄用模具預先加熱至220-250℃。
優選地，所述富鈰混合稀土的成分含量為：ce50±5％；la30±3％；nd15±2％；pr：5±1％。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、與現有技術相比，本發明具有顯著進步，提供的耐熱鎂合金除具有重量輕、工藝簡單、成本可接受之外，還具有良好的塑性、優異的高溫強度和抗蠕變性能。
2、本發明能夠充分發揮高稀土合金和高含鈣量的綜合優勢，得到3000c的瞬時極限拉伸強度最高可達262mpa的高強度高抗蠕變的鎂合金，并且本發明范圍內的合金在300℃的瞬時極限拉伸強度均高于190mpa。
3、本發明所述的鎂合金通過普通鑄造的方法就可以獲得，通過后續熱處理工藝進行處理會得到優異性能的高強度高抗蠕變的耐熱鎂合金。適合大規模工業化生產，特別適合于在高溫300-350℃的情況下使用。
具體實施方式
下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。
本發明選取中國專利cn1804083a作為對比例，其記載了一種高強耐熱稀土鎂合金，其組成為：2-10％重量比的gd,3-12％重量比的y,gd和y的重量之和占該合金總重量的13％-14％，以及0.4％-0.7％重量比的zr和不大于0.3％重量比的活化元素(zn,ag,cu,sr,ca,ti,bi,cd中任選一種)，或0.6％-1.5％重量比的mn和不大于0.3％重量比的活化元素(sn、si、sb、ca、sr中任選一種)，其余為mg。這種稀土鎂合金的析出物總是沿著基體的棱柱面析出，形成一種交叉的網狀相結構，具有能高度抗粒子粗化，提供高度強化和蠕變抗力的作用。
該專利t6態的室溫力學性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強度：180mpa，屈服強度：100mpa，延伸率：6.8％，彈性模量：35gpa，穩態蠕變速率：6.0×10-7/％·s。
實施例一
一種高強耐熱鑄造鎂合金，其質量百分比為：gd8％、y4％、zr0.5％、ca0.4％、si0.005％、富鈰混合稀土2.1％，其余為mg。
一種高強耐熱鑄造鎂合金的制備方法，包括熔煉工藝和熱處理工藝，所述熔煉工藝包括以下步驟：
s1、備料：準備含配制合金總重量8％gd的mg–gd中間合金，含4％y的mg–y中間合金，含0.4％ca的mg–ca中間合金,含0.5％zr的k2zrf6混合鹽，余量為純mg；
s2、烘料：將mg–gd中間合金、mg–y中間合金、mg–ca中間合金、k2zrf6混合鹽、純mg在180-220℃預熱烘干；
s3、熔鎂：將烘干后的純mg熔化成mg液；
s4、加gd和y：向720-740℃的mg液中加入中間合金mg–gd，熔化得mg–gd熔液；所述mg–gd熔液溫度回升至720-740℃條件下加入mg–y中間合金，熔化得mg–gd–y熔液；
s5、加si：將mg–gd–y熔液溫度升至740-780℃條件下加入si，熔化得mg–gd–y-si熔液；
s6、加富鈰混合稀土：將mg–gd–y-si熔液升溫至760-780℃條件下加入k2zrf6混合鹽混合鹽和富鈰混合稀土，熔化得混合熔液；
s7、砂型鑄造：將混合熔液的溫度升至760-780℃，保溫25-35分鐘；然后降溫至740-760℃，不斷電精煉10-15分鐘；再升溫至770-780℃靜置25-35分鐘；在720-740℃條件下撇去表面浮渣并進行澆鑄，得到鎂合金。
所述熱處理工藝的步驟如下：
s1、三級固溶處理：首先對鎂合金在中溫300-350℃保溫1小時，取出后迅速置于80℃熱水中進行淬火；然后在次高溫400-460℃保溫4小時，取出后迅速置于80℃熱水中進行淬火；最后在高溫480-520℃保溫4-20小時，取出后迅速置于80℃熱水中進行淬火；
s2、時效處理：對固溶處理后的合金在200-240℃保溫8-24小時，取出后空冷至室溫。
實施例一t6態的室溫力學性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強度：180mpa，屈服強度：100mpa，延伸率：6.8％，彈性模量：35gpa，穩態蠕變速率：6.0×10-7/％·s。
實施例二
一種高強耐熱鑄造鎂合金，其質量百分比為：gd6％、y2％、zr0.3％、ca0.3％、si0.01％、富鈰混合稀土0.7％，其余為mg。
實施例二t6態的室溫力學性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強度：370mpa，屈服強度：330mpa，延伸率：5.5％，彈性模量：52gpa，穩態蠕變速率：3.4×10-7/％·s。
實施例三
一種高強耐熱鑄造鎂合金，其質量百分比為：gd10％、y4％、zr0.5％、ca0.4％、si0.01％、富鈰混合稀土2.0％，其余為mg。
實施例三t6態的室溫力學性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強度：377mpa，屈服強度：340mpa，延伸率：5.0％，彈性模量：59gpa，穩態蠕變速率：4.0×10-7/％·s。
實施例四
一種高強耐熱鑄造鎂合金，其質量百分比為：gd11％、y5％、zr0.6％、ca0.5％、si0.01％、富鈰混合稀土2.5％，其余為mg。
實施例四t6態的室溫力學性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強度：370mpa，屈服強度：320mpa，延伸率：5.5％，彈性模量：62gpa，穩態蠕變速率：2.6×10-7/％·s。
實施例五
一種高強耐熱鑄造鎂合金，其質量百分比為：gd13％、y6％、zr0.8％、ca0.6％、si0.01％、富鈰混合稀土3.0％，其余為mg。
實施例五t6態的室溫力學性能和高溫抗蠕變能力為：
抗拉強度：375mpa，屈服強度：325mpa，延伸率：6.0％，彈性模量：65gpa，穩態蠕變速率：1.5×10-7/％·s。
下表1中列出了現有技術對比例與本發明實施例二-實施例五的室溫力學性能和高溫抗蠕變能力數據，由表1可以看出，本發明的鎂合金強度、塑性和耐熱性能配合較好，與現有技術相比具有明顯的優勢。
表1對比例與實施例的室溫力學性能和高溫抗蠕變能力比較