一种高轧制成形能力镁-稀土合金及其制备方法

摘要

本发明提供一种高轧制成形能力镁‑稀土合金及其制备方法。该镁‑稀土合金中各元素质量百分含量分别为Gd：4.8‑5.2％，Y：2.3‑2.8％，Zn：1.9‑2.3％，Al：0.8‑1.2％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03％，余量为Mg。制备方法为：以纯Mg、纯Zn、纯Al、Mg‑Gd中间合金、Mg‑Y中间合金为原料，原料熔化后进行搅拌、精炼、扒渣，保温静置后降温，浇注成型得到镁合金铸坯或镁合金铸锭，镁合金铸坯或镁合金铸锭经过匀质化处理后，在轧机上热轧制成形得到镁‑稀土合金。本发明提供一种新型低成本、高轧制成形能力镁‑稀土合金，具有良好的综合机械性能，可作为高强度结构材料使用。

权利要求

1.一种高轧制成形能力镁-稀土合金，其特征是：该高轧制成形能力镁-稀土合金以商业纯Mg、商业纯Zn、商业纯Al、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金为原料，原料熔化后进行搅拌、精炼、扒渣，保温静置后降温，浇注成型得到具有高轧制成形能力镁-稀土合金；所述的镁-稀土合金中各元素质量百分含量分别为Gd：4.8-5.2％，Y：2.3-2.8％，Zn：1.9-2.3％，Al：

0.8-1.2％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03％，余量为Mg。

2.权利要求1所述的一种高轧制成形能力镁-稀土合金的制备方法，其特征是：

以商业纯Mg、商业纯Zn、商业纯Al、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金为原料；按照产品的质量百分含量为Gd：4.8-5.2％，Y：2.3-2.8％，Zn：1.9-2.3％，Al：0.8-1.2％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03％，余量为Mg的配比将原料混合；原料熔化后进行搅拌、精炼、扒渣，保温静置后降温，浇注成型得到镁合金铸坯或镁合金铸锭；所得镁合金铸坯或镁合金铸锭经过匀质化处理后，在轧机上热轧制成形，得到高轧制成形能力镁-稀土合金；

所述熔炼的工艺参数为：熔体保温温度为740-750℃，保温静置时间为25-45min，浇注温度为700-740℃；

所述匀质化处理的工艺参数为：均匀化温度为420-550℃，保温时间为5-15h，冷却方式为空冷；

所述热轧制的主要工艺参数为：轧制温度为420-550℃，道次间变形量为1-10％，道次间保温时间为5-15min，总变形量为50-85％。

3.根据权利要求2所述的高轧制成形能力镁-稀土合金的制备方法，其特征是：所述的熔炼过程中采用SF6/CO2气体保护或采用熔剂保护。

4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述的浇注成型的方法为金属模具浇注成型或连铸成型。

5.根据权利要求2或3所述的高轧制成形能力镁-稀土合金的制备方法，其特征是：所述的浇注成型采用连铸成型方式时，在连铸成型过程中，结晶器内镁熔体采用SF6/CO2气体保护。

6.根据权利要求4所述的高轧制成形能力镁-稀土合金的制备方法，其特征是：所述的浇注成型采用连铸成型方式时，在连铸成型过程中，结晶器内镁熔体采用SF6/CO2气体保护。

说明书

一种高轧制成形能力镁-稀土合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于新材料技术领域，涉及的是一种镁基合金及其制备方法，具体涉及一种高轧制成形能力镁-稀土合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 稀土元素由于具有独特的核外电子排布，在冶金、材料领域中有独特的作用，具有净化合金溶液、改善合金组织、提高合金室温及高温力学性能、增强合金耐蚀性能等功能。因此，镁-稀土合金具有镁合金的固有优点，如密度小、比强度高、具有金属光泽等，同时又具有耐热强度高、蠕变性能优良的新特点。

[0003] 由于稀土相的增强作用，镁-稀土合金在室温及高温下均表现出优异的力学性能而备受青睐。然而，正是由于镁-稀土合金的高强性能，反而使其变形能力很差，多数仅能通过挤压的方法进行变形加工。一般而言，在Mg-Zn-RE合金体系中有三种三元平衡相，即W相(Mg3Zn3RE2,立方结构)、I相(Mg3Zn6RE,二十面体准晶结构)以及X相(Mg12ZnRE,长周期堆垛结构)[Materials&Design 87(2015)245-255,Journal of Alloys and Compounds 426(2006)155-161]。在这三种相中，I和X两种相被认为是有效增强相而受到较多关注[Materials Science and Engineering:A 373(2004)320-327,Scripta Materialia 53(2005)799-803]。然而，由于与基体之间较弱的结合力[Materials Science and Engineering:A 373(2004)320-327]及在拉伸过程中的断裂倾向[Journal of Alloys and Compounds 432(2007)129-134]，通常认为W相是一种破坏相而非有益相。Mg-Zn-RE合金中W、I和X三种相的形成取决于Zn(wt.％)/RE(wt.％)比值：当Zn(wt.％)/RE(wt.％)大于4.38时，只有I相生成；当Zn(wt.％)/RE(wt.％)位于1.10和4.38之间时，同时生成I相和W相；当Zn(wt.％)/RE(wt.％)小于1.10时只有W相生成；而当Zn(wt.％)/RE(wt.％)相当小时则会出现X相[Journal of Alloys and Compounds 426(2006)155-161]。这些金属间化合物沉淀在晶界处抑制晶界滑移，从而提高合金的室温、高温力学性能。但是这种强化合金的方式势必会降低合金的延伸率，影响合金的热加工成形性能，特别是含W相的镁-稀土合金的轧制成形能力。

[0004] Mg-Gd-Y系镁合金具有优异的力学性能，但是由于其成本较高，不利于普遍应用。所以，在保证一定力学性能的前提下，降低合金中稀土元素的含量，研制一些新型合金成为Mg-RE系合金重点发展的方向之一。

发明内容

[0005] 本发明的目的是在降低镁-稀土合金材料成本的同时，提供一种高轧制成形能力镁-稀土合金及其制备方法。

[0006] 本发明的技术方案为：

[0007] 一种高轧制成形能力镁-稀土合金，该高轧制成形能力镁-稀土合金以商业纯Mg、商业纯Zn、商业纯Al、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金为原料，原料熔化后进行搅拌、精炼、扒渣，保温静置后降温，浇注成型得到具有高轧制成形能力镁-稀土合金；所述的镁-稀土合金中各元素质量百分含量分别为Gd：4.8-5.2％，Y：2.3-2.8％，Zn：1.9-2.3％，Al：0.8-1.2％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03％，余量为Mg。

[0008] 上述高轧制成形能力镁-稀土合金的制备方法，具体包括以下步骤：

[0009] 以商业纯Mg、商业纯Zn、商业纯Al、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金为原料；按照产品的质量百分含量为Gd：4.8-5.2％，Y：2.3-2.8％，Zn：1.9-2.3％，Al：0.8-1.2％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03％，余量为Mg的配比将原料混合；合金元素熔化后进行熔炼、搅拌、扒渣，保温静置后降温，浇注成型得到镁合金铸坯或镁合金铸锭；所得镁合金铸坯或镁合金铸锭经过匀质化处理后，在轧机上热轧制成形，得到高轧制成形能力镁-稀土合金；

[0010] 所述的浇注成型的方法为金属模具浇注成型或连铸成型；若采用连铸成型方式浇注成型，在连铸成型过程中，结晶器内镁熔体采用SF6/CO2气体保护。所述的熔炼过程中采用如下两种方式之一进行保护：一种是SF6/CO2气体保护，一种是熔剂保护；所述的熔炼工艺参数为：熔体保温温度为740-750℃，保温静置时间为25-45min，浇注温度为700-740℃。所述匀质化处理的工艺参数为：均匀化温度为420-550℃，保温时间为5-15h，冷却方式为空冷。所述热轧制的主要工艺参数为：轧制温度为420-550℃，道次间变形量为1-10％，道次间保温时间为5-15min，总变形量为50-85％。

[0011] 本发明的有益效果为：

[0012] (1)本发明在镁合金中添加Gd、Y、Zn、Al等元素，合金中优先形成大量团簇状Al11(Y,Gd)3颗粒相和少量多边形块状Al2(Y,Gd)相，这便降低了合金中Gd、Y的含量，于是W相向片层状生长的趋势受到抑制，仅发育成尺寸较小的颗粒。如此一来，W相对合金在变形过程中破坏力显著降低。

[0013] (2)无论W相，还是Al11(Y,Gd)3和Al2(Y,Gd)相，均是硬质相。在轧制过程中均会强烈刺激镁基体动态再结晶的发生，显著提高合金的轧制变形能力。在总变形量为60-80％的情况下，合金板材的边裂和面裂均得到了抑制。

[0014] (3)本发明采用的都是常规的熔炼、成型，匀质化处理及热轧制处理等方法，Gd、Y总含量小于8％，具有生产成本低，生产效率高，操作易于进行等特点，利于规模化商业生产。

[0015] (4)本发明的镁-稀土合金同时具有一定的力学强度，高的伸长率，和利于热轧制加工(无明显边裂、面裂特征)的特点，是镁合金生产与应用的理想材料。本发明的镁-稀土合金轧制后的各项力学性能见下表：

[0016] Mg-Gd-Y-Zn-Al的力学性能

[0017]

附图说明

[0018] 图1为实施例1中Mg-Gd-Y-Zn-Al合金轧制板材的表面照片图；

[0019] 图2为实施例1中Mg-Gd-Y-Zn-Al合金铸态显微组织照片图；

[0020] 图3为实施例1中Mg-Gd-Y-Zn-Al合金轧制态显微组织照片图。

具体实施方式

[0021] 以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述。

[0022] 实施例1

[0023] 合金的化学成分(质量百分比)为：5.1％Gd、2.6％Y、2.1％Zn、1.0Al，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03％，余量为Mg。

[0024] 制备合金的熔铸和轧制工艺为：首先按配比称料，将Mg、Zn、Al、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金预热到200℃，然后将Mg放入预热到100℃的坩锅中，并通入SF6:CO2体积比为1:100的保护气体，待Mg完全熔化后加入Zn，当熔体温度达到740℃时加入Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金，加入的中间合金熔化后，通入氩气精炼搅拌10min，除渣后在740℃静置
25min，待温度降至700℃后，采用金属模具浇铸成扁锭。所得扁锭在450℃匀质化处理10h后空冷，车削后在420℃进行轧制，道次间变形量3％，道次间保温时间为15min，轧制总变形量为70％，最后得到无边裂、面裂的镁-稀土合金板材。

[0025] 实施例2

[0026] 合金的化学成分(质量百分比)为：5.0％Gd、2.8％Y、2.0％Zn、0.9Al，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03％，余量为Mg。

[0027] 制备合金的熔铸和轧制工艺为：首先按配比称料，将Mg、Zn、Al、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金预热到200℃，然后将Mg放入含有已熔化熔剂的熔化炉中，待Mg完全熔化后加入Zn、Al，当熔体温度达到750℃时加入Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金，加入的中间合金熔化后，通入氩气精炼搅拌15min，除渣后在740℃静置30min，待温度降至720℃后，采用电磁连铸法得到圆柱坯料。电磁连铸工艺参数为：电源功率为10kW、电源频率2000Hz、稳定拉坯速率为8cm/min、冷却水量为1.5m3/h，结晶器内通入SF6:CO2体积比为1:100的保护气体。所得连铸坯在500℃下匀质化处理8h后空冷，机械加工为40mm的板坯，在450℃进行轧制，道次间变形量5％，道次间保温时间为10min，轧制总变形量为80％，最后得到无边裂、面裂的镁-稀土合金板材。

[0028] 实施例3

[0029] 合金的化学成分(质量百分比)为：5.0％Gd、2.7％Y、2.0％Zn、1.0Al，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03％，余量为Mg。

[0030] 制备合金的熔铸和轧制工艺为：首先按配比称料，将Mg、Zn、Al、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金预热到200℃，然后将Mg放入含有已熔化熔剂的熔化炉中，待Mg完全熔化后加入Zn、Al，当熔体温度达到750℃时加入Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金，加入的中间合金熔化后，通入氩气精炼搅拌15min，除渣后在740℃静置30min，待温度降至720℃后，采用普通连铸法得到圆柱坯料。连铸工艺参数为：稳定拉坯速率为8cm/min、冷却水量为1.5m3/h，结晶器内通入SF6:CO2体积比为1:100的保护气体。所得连铸坯在500℃下匀质化处理8h后空冷，机械加工为40mm的板坯，在450℃进行轧制，道次间变形量5％，道次间保温时间为10min，轧制总变形量为80％，最后得到无边裂、面裂的镁-稀土合金板材。