[發明專利]高強度抗蠕變鎂合金及其制備方法

有效

• 申請號: 200610141358.1
• 申請日: 2006-09-29
• 公開（公告）號: CN101153361A
• 公開（公告）日: 2008-04-02
• 發明（設計）人: 顧金海;王渠東;高巖;金田潤也
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;株式會社日立制作所
• 主分類號: C22C23/06
• 分類號: C22C23/06;C22C1/03;B22D21/04;C22F1/06
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 史雁鳴

技術領域

本發明涉及一種高強度抗蠕變鎂合金及其制備方法，具體涉及一種通過添加合金元素(Y、Gd、Zn)以及調整相應的熱處理工藝從而實現鎂合金的高強度和抗蠕變性能，屬于金屬材料類及冶金領域。

背景技術

鎂合金作為最輕的金屬結構材料，能滿足日益嚴格的汽車尾氣排放要求，可生產出重量輕、油耗少、環保型的新型汽車，因而在汽車工業中受到了廣泛的關注。然而，低的高溫強度和抗蠕變性能制約了其在發動機和動力系統零件上的應用。稀土被認為是用來提高鎂合金耐熱性能的重要元素，如已獲商業化應用的Mg-Y-Nd基合金WE54和WE43。

在日本專利特開平10-147830中，發明者選用Y作為第一合金組元，Gd作為第二組元，他們所制備的Mg-8Y-3Gd-0.5Zr合金在經過均質化處理、熱間鍛造以及時效處理之后，可以獲得優于WE54的高溫抗拉強度，其中200℃下的抗拉強度超過了330MPa(株式會社東京精鍛工所，日立金屬株式會社，特開平10-147830，公開日：1998.06.02)。然而該專利中，未對合金的蠕變性能進行描述，且鑄造后所采用的處理工藝相對復雜，不利于工業化生產。另外一種改善耐熱性的可能途徑是添加較為廉價的Zn來取代部分Gd，從而有望獲得對高溫性能改善有益的長周期結構。近年來，通過成分和工藝的調整期望在稀土鎂合金中獲得長周期結構一直是國際上研究的一個熱點。但是在耐熱性方面，過高的Zn含量將影響固溶效果，以致不能充分發揮時效強化的作用，這無疑也不利于鎂合金高溫性能的改善以及有悖于輕量化設計的初衷。

從以上的分析可以看出，進一步優化合金成分和熱處理工藝，對于秉承鎂合金的輕量化特性、實現可接受的價格以及獲得優異的耐熱性能均具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出一種高強度抗蠕變鎂合金及其制備方法，通過添加合金元素(Y、Gd、Zn)以及調整相應的熱處理工藝，從而實現耐熱鎂合金需要具備的優異的高溫強度和抗蠕變性能。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：考慮到Y固溶度大，固溶強化效果好，具有時效強化能力，且在稀土金屬中具有相對較低的密度，有助于增加合金的阻燃和抗氧化能力，因而選用Y作為第一組元，為保證合金得到良好的固溶強化和時效析出強化效果，Y的加入量不低于6％，為避免合金塑性過低，以及鑄態下得到過多的低熔點共晶相而影響高溫蠕變性能，Y的加入量不宜高于12％；選用Gd作為第二組元，因為加入重稀土元素Gd有望獲得比輕稀土元素Y更好的抗蠕變性能，并可發揮Gd的固溶、時效強化效果，改善Y的加入導致時效硬化峰值溫度延遲的不良影響，但過量的Gd會導致密度增加過多，因此Gd的含量控制在1～6％；選用Zn作為第三組元，除可以利用生成的富Zn稀土化合物釘扎晶界，承擔部分載荷而改善高溫性能外，Zn的加入還可以在晶內引入長周期有序結構，因該結構與Mg基體具有共格界面，所以高溫下有助于抑制基體變形并因而改善合金的耐熱性，當然，Zn的加入還可以有效地降低成本，但含量也不宜過多，以免產生過多的難于固溶的富Zn化合物，因此Zn的含量控制在0.5～3％；此外，雖然并不是必需的，但合金中還可以添加適量的Zr來細化晶粒，進一步改善材料的強度和塑性，從而期望獲得較為優異的綜合性能。

綜上所述，本發明所提供的一種高強度抗蠕變鎂合金，其包含的各組分及其重量百分比為：6％≤Y≤12％、1％≤Gd≤6％、0.5％≤Zn≤3％、0≤Zr≤0.9％，其余為Mg和不可避免的雜質。其中，合金中的雜質元素含量為：Fe＜0.005％、Cu＜0.015％、Ni＜0.002％，隨雜質含量的增加，合金的耐腐蝕性能顯著降低。

本發明所提供的上述合金的制備方法，分為兩個階段，即熔煉和后續熱處理。其中，熔煉過程在SF₆/CO₂氣體保護條件下進行，具體步驟如下：

(1)熔煉Mg：在熔煉爐中加入烘干的工業純鎂，加熱熔煉；

(2)加Zn：待鎂完全熔化后，在600～700℃的溫度下加入工業純鋅；

(3)加Y和Gd：在700～740℃的溫度下向鎂液中加入Mg-Y和Mg-Gd中間合金；

(4)在需要加Zr的情況下：將鎂液溫度升至760～780℃后加入Mg-Zr中間合金，攪拌2～5分鐘以促使其充分熔化；