室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金及制备方法

摘要

一种室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金，其化学成分为Mg-xRE-y(Zn+Sc)-z(Ag+Zr).其中0.5≤x≤3.0，0.1≤y≤1.5，0.01≤z≤1.0（wt.%），稀土元素包括Gd、Y、Dy、Er、Tm和Lu；其制备方法主要是，将上述原料加入自动控温电阻炉中，采用六氟化硫和氩气混合气体保护，熔炼温度为680-800℃，在650-770℃浇注到钢模中，钢模要在500-600℃下充分预热，浇注后，在650-750℃炉中保温30-120分钟，然后用水冷却至室温。本发明的单相固溶体镁稀土基合金晶粒尺寸小，延展性好，室温延伸率超过20%，力学性能和加工性能优良，耐腐蚀性能优异。

权利要求

1.一种室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金，其特征在于，其化学成分为Mg-xRE-y(Zn+Sc)-z(Ag+Zr)，其 中，x、y、z为 质 量 百 分数 wt.%，0.5%≤x≤ 3.0%，

0.1%≤y≤1.5%，0.01%≤z≤1.0%；RE为稀土元素，包含Gd、Y、Dy、Er、Tm和Lu的两种或多种，并且RE中各种稀土元素的质量分数比相等；Zn+Sc，表示Zn和Sc中的一种或两种, 当同时添加两种元素时，各元素的质量分数比相等；Ag+Zr表示Ag和Zr中的一种或两种，当同时添加两种元素时，各元素的质量分数比相等。

2.上述权利要求1的单相固溶体镁稀土基合金的制备方法，其特征在于：

（1）原料：质量纯度99.5%的Mg锭、99.9%的Zn锭、99.99%的Ag锭、99%的Sc锭、99%的Mg-20wt.%RE中间合金和99%的Mg-33.3 wt.%Zr中间合金为原料；

（2）加料：先将上述的金属锭和中间合金锭去除表面氧化皮，中间合金锭要先在

200-400 ℃充分预热，然后按顺序依次将金属Mg锭、Zn锭、Mg-RE中间合金锭、Sc锭、Ag锭和Mg-Zr中间合金锭加入自动控温电阻炉中，采用六氟化硫和氩气1:19混合气体保护，每添加一种原料，搅拌10分钟；

（3）熔炼：熔炼温度为680-800℃，所有原料都添加完成后，再搅拌30分钟；在

650-770℃浇注到钢模中，钢模要在500-600℃下充分预热，浇注后，在650-750℃炉中保温

30-120分钟，然后用水冷却至室温。

说明书

室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属材料及其制备方法，特别涉及一种镁合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 镁合金具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼性及切削加工性好、导热性好、电磁屏蔽能力强以及减振性好和易于回收优点，满足航空、航天、现代汽车工业对减重、节能的要求，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。

[0003] 目前变形镁合金主要有镁铝系，镁锌系和镁稀土系合金。镁铝系合金是最常用于变形体系，但是，这类合金具有很强的基面织构，显著的不对称性和相对狭窄的加工温度范围。由于镁铝合金的共晶温度437 ℃，热加工温度通常低于350 ℃，因此，变形的速度较低，产品生产成本高。另一方面，如果选择高的温度（超过350 ℃），共晶相溶解，导致合金热裂和表面质量降低[K.U. Kainer, Magnesium Alloys and Technologies, WILEY-VCH Verlag GmbH, Weiheim, 2003]。镁锌系因为不含铝，其组织可通过添加Zr有效细化，然而，这类合金很容易形成铸造微孔，轧制过程中热裂趋势明显，难以焊接，因此这类合金在变形材料中的应用也很少[H.E. Friedrich, B. L.Mordike, Magnesium Technology, Springer Press, Berlin, 2006]。和上面两种相比，镁稀土系合金的性能更加突出，如WE43（Mg-4.1Y-2.2Nd-1HRE-0.5Zr）和WE54（Mg-5.2Y-1.7Nd- 1.7HRE-0.4Zr）合金具有很好的力学性能和热稳定性，但是这类合金随着稀土含量的增加，合金的价格明显上升，更重要的是，随着稀土含量的增加，第二相粒子的量明显增多，合金的耐腐蚀性能急剧下降。因此，开发出新型的具有良好变形性能，优良耐腐蚀性能的合金对镁合金的应用十分必要[F. Czerwinski, Magnesium injection molding, Springer press, Bolton, 2007]。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种具有良好变形性能和优良耐腐蚀性能的室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金及制备方法。本发明主要是通过固溶强化和细晶强化提高合金力学性能。

[0005] 本发明的镁稀土基合金的化学成分为Mg-xRE-y(Zn+Sc)-z(Ag+Zr)，其中， x、y、z为质量百分数 （wt.%），0.5%≤x≤3.0%，0.1%≤y≤1.5%，0.01%≤z≤1.0%；RE为稀土元素，包含Gd、Y、Dy、Er、Tm和Lu的两种或多种，并且RE中各种稀土元素的质量分数比相等；(Zn+Sc)表示Zn和Sc中的一种或两种, 当同时添加两种元素时，各元素的质量分数比相等；(Ag+Zr)表示Ag和Zr中的一种或两种，当同时添加两种元素时，各元素的质量分数比相等；余量为Mg。

[0006] 上述镁稀土基合金的制备方法：

[0007] （1）原料：质量纯度99.5%的Mg锭、99.9%的Zn锭、99.99%的Ag锭、99%的Sc锭、99%的Mg-20wt.%RE中间合金和99%的Mg-33.3 wt.%Zr中间合金为原料。

[0008] （2）加料：先将上述的金属锭和中间合金锭去除表面氧化皮，中间合金锭要先在200-400 ℃充分预热，然后按顺序依次将金属Mg锭、Zn锭、Mg-RE中间合金锭、Sc锭、Ag锭和Mg-Zr中间合金锭加入自动控温电阻炉中，采用六氟化硫和氩气1:19混合气体保护，每添加一种原料，搅拌10分钟。

[0009] （3）熔炼：熔炼温度为680-800℃，所有原料都添加完成后，再搅拌30分钟；在650-770℃浇注到钢模中，钢模要在500-600℃下充分预热，浇注后，在650-750℃炉中保温
30-120分钟，然后用水冷却至室温，得到一种室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金。

[0010] 本发明与现有技术相比具有如下优点：

[0011] 1、通过添加合适合金化元素改变合金的晶格参数，消除合金的各向异性，提高合金的变形加工性能。

[0012] 2、由于所有的合金化元素都以固溶态分布，从根本上消除了第二相，消除了合金微电池腐蚀作用，提高了合金的耐腐蚀性能。

[0013] 3、本发明的合金由单相固溶体组成，晶粒尺寸小，室温延展性好,室温延伸率超过20%，力学性能和加工性能突出，耐腐蚀性能优异，在高性能变形材和生物医用领域具有广阔的应用前景。

附图说明

[0014] 图1 是本发明实施例1 Mg-0.5RE-1.5Sc-0.01Ag合金的金相组织图。

[0015] 图2 是本发明实施例1 Mg-0.5RE-1.5Sc-0.01Ag合金的经腐蚀处理后的电镜图。

[0016] 图3 是本发明实施例2中Mg-2RE-1Zn-0.2Ag-0.2Zr合金和AZ31的室温力学性能图。

[0017] 从图1中可以看出经过本发明制备的合金晶粒小，分布均匀；从图2可以看出，合金在溶剂中主要是均匀腐蚀，基本上消除了点腐蚀，从而提高了整个合金的耐蚀性；从图3可以看出，和目前镁合金中最好的变形镁合金AZ31固溶体合金相比，Mg-2RE-1Zn-0.2Ag-0.2Zr合金的变形更加均匀，延伸率明显提高。

具体实施方式

[0018] 实施例 1

[0019] 按照Mg-0.5RE-1.5Sc-0.01Ag（wt.%）的组成进行原料质量配比，镁为余量，其中RE中的 Gd、Y、Dy、Er和Tm质量分数比相等，所有原料的质量纯度分别为：99.5%的Mg锭、99%的Mg-20wt.%RE中间合金锭、99%的Sc锭和99.99%的Ag锭。先将上述的金属锭和中间合金锭去除表面氧化皮，中间合金锭要先在200℃充分预热，然后按顺序依次将金属Mg锭、Mg-RE中间合金锭、Sc锭和Ag锭加入自动控温电阻炉中，熔炼温度为700℃，采用六氟化硫和氩气1:19混合气体保护，每添加一种原料，搅拌10分钟；所有原料都添加完成后，再搅拌
30分钟；在770℃浇注到钢模中，钢模要在500℃下预热，浇注后，在650℃炉中保温120分钟，然后用水冷却至室温，得到室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金。该合金的室温延伸率超过20%。

[0020] 实施例 2：

[0021] 按照Mg-2RE-1Zn-0.2Ag-0.2Zr（wt.%）组成进行原料质量配比，镁为余量。其中RE中的Gd、Y和Lu质量分数比相等，所有原料的质量纯度分别为：99.5%的Mg锭、99%的Mg-20wt.%RE中间合金锭、99.9%的Zn锭、99.99%的Ag锭和99%的Mg-33.3wt.%Zr中间合金锭。先将上述金属锭和中间合金锭去除表面氧化皮，中间合金锭要先在400℃充分预热，然后按顺序依次将金属Mg锭、Zn锭、Mg-RE中间合金锭、Ag锭和Mg-Zr中间合金锭加入自动控温电阻炉中，熔炼温度为680℃，采用六氟化硫和氩气1:19混合气体保护，每添加一种原料，搅拌10分钟；所有原料都添加完成后，再搅拌30分钟；在650℃浇注到钢模中，钢模要在600℃下预热，浇注后，在750℃炉中保温30分钟，然后用水冷却至室温，得到室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金。该合金的室温延伸率超过20%。

[0022] 实施例 3

[0023] 按照Mg-3RE-0.1Zn-0.05Ag-0.05Zr组成进行原料质量配比，镁为余量。其中RE中的Gd、Y质量分数比相等，所有原料的质量纯度分别为：99.5%的Mg锭、99%的Mg-20wt.%RE中间合金锭、99.9%的Zn锭、99.99%的Ag锭和99%的Mg-33.3wt.%Zr中间合金锭。先将上述的金属锭和中间合金锭去除表面氧化皮，中间合金锭要先在250℃充分预热，然后按顺序依次将金属Mg锭、Zn锭、Mg-RE中间合金锭、Ag锭和Mg-Zr中间合金锭加入自动控温电阻炉中，熔炼温度为750℃，采用六氟化硫和氩气1:19混合气体保护，每添加一种原料，搅拌10分钟；所有原料都添加完成后，再搅拌30分钟；在660℃浇注到钢模中，钢模要在580℃下预热，浇注后，在680℃炉中保温100分钟，然后用水冷却至室温，得到室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金。该合金的室温延伸率超过20%。

[0024] 实施例 4

[0025] 按照Mg-2.4RE-0.5Zn-0.5Sc-0.5Zr 组成进行原料质量配比，镁为余量。其中RE中的Gd、Y、Dy和Tm质量分数比相等，所有原料的质量纯度分别为：99.5%的Mg锭、99%的Mg-20wt.%RE中间合金锭、99.9%的Zn锭、99%的Sc锭和99%的Mg-33.3wt.%Zr中间合金锭。先将上述的金属锭和中间合金锭去除表面氧化皮，中间合金锭要先在300℃充分预热，然后按顺序依次将金属Mg锭、Zn锭、Mg-RE中间合金锭、Sc锭和Mg-Zr中间合金锭加入自动控温电阻炉中，熔炼温度为770℃，采用六氟化硫和氩气1:19混合气体保护，每添加一种原料，搅拌10分钟；所有原料都添加完成后，再搅拌30分钟；在720℃浇注到钢模中，钢模要在590℃下预热，浇注后，在700℃炉中保温90分钟，然后用水冷却至室温，得到室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金。该合金的室温延伸率超过20%。

[0026] 实施例 5

[0027] 按照Mg-2.4RE-0.5Zn-0.5Sc-0.05 Ag 组成进行原料质量配比，镁为余量。其中RE中的Gd、Y、Dy、Er、Tm和Lu质量分数比相等，所有原料的质量纯度分别为：99.5%的Mg锭、99%的Mg-20wt.%RE中间合金锭、99.9%的Zn锭、99%的Sc锭和99.99%的Ag锭。先将上述的金属锭和中间合金锭去除表面氧化皮，中间合金锭要先在350℃充分预热，然后按顺序依次将金属Mg锭、Zn锭、Mg-RE中间合金锭、Sc锭和Ag锭加入自动控温电阻炉中，熔炼温度为800℃，采用六氟化硫和氩气1:19混合气体保护，每添加一种原料，搅拌10分钟；所有原料都添加完成后，再搅拌30分钟；在700℃浇注到钢模中，钢模要在550℃下预热，浇注后，在720℃炉中保温60分钟，然后用水冷却至室温，得到室温高韧性单相固溶体镁稀土基合金。该合金的室温延伸率超过20%。

[0028] 表1 是合金在室温下的力学性能

[0029]