有效利用稀土元素Y强化Mg－Zn－Y－Zr系镁合金及制备方法

摘要

本发明涉及有效利用稀土元素Y强化镁合金及其制备技术，特别是一种准晶相强化Mg－Zn－Y－Zr系镁合金及其制备方法，解决了镁合金强化等问题。在Y含量一定的前提下，通过合理选择合金中锌钇比(Zn/Y＝6～15)，使引入到镁合金基体中准晶相的体积百分含量达到最大，制备出具有低密度、高强度、较好塑性的Mg－Zn－Y－Zr镁合金。该镁合金材料的组分及其含量为：锌(Zn)含量为5～30％；钇(Y)含量为0.5～5％；锆(Zr)含量为0.3～0.8％和余量的镁(Mg)组成，所有百分数为重量百分数。经合金熔炼及后续热挤压加工变形成制品，其加工工艺操作简单、方便。本发明材料的抗拉强度为σb＝290～360MPa，屈服强度为σ0.2＝175～260MPa，延伸率为δ＝10～18％，密度为1.84～2.73g/cm3。

说明书

技术领域

本发明涉及有效利用稀土元素Y强化镁合金的方法及其制备技术，特别是一种具有低密度、高强度、较好塑性的变形Mg-Zn-Y-Zr系镁合金材料——准晶相强化镁合金及制备该合金材料的方法。

背景技术

镁合金作为一种新型的金属材料，具有密度低、比强度和比刚度高等优点，这使得镁合金在航空航天和汽车等高新技术领域有着潜在的广泛应用前景。与其它镁合金相比，由于Mg-Zn-Y-Zr变形镁合金在室温和高温下具有较高的屈服和抗拉强度，所以关于其力学性能的研究报道有很多。研究结果表明，Mg-Zn-Y-Zr镁合金主要是通过准晶相I-Mg₃Zn₆Y的形成来提高其力学性能的。因此，可以预测，通过增加合金中准晶相的体积百分含量可以使Mg-Zn-Y-Zr镁合金的力学性能得到显著的提高。迄今为止关于准晶相体积百分含量对合金力学性能影响的文献报道只有一篇。文献(Mater.Sci.Eng.A(材料科学与工程)449-451(2007)987)报道了在Zn/Y比为5的前提下，通过增加合金元素锌(Zn)和稀土元素钇(Y)，使Mg-Zn-Y-Zr合金中准晶相的体积百分含量增加，从而使合金的强度得到显著的提高。然而，该工作没有深入认识到准晶相的形成与Zn/Y比的关系，仅仅通过增加锌(Zn)和钇(Y)的重量百分含量来提高合金的力学性能，这将使稀土元素Y对镁合金的强化作用得不到有效的发挥。因此，为了充分发挥稀土元素Y对Mg-Zn-Y-Zr镁合金的强化作用，提出一种新的准晶相形成与Zn/Y比的关系是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系镁合金及其制备方法，解决镁合金准晶相强化等问题。在一定Y含量的前提下，通过合理选择合金中Zn/Y比，使引入到镁合金基体中准晶相的体积百分含量达到最大，制备出具有低密度、高强度、较好塑性的Mg-Zn-Y-Zr镁合金。

本发明的技术方案是：

本发明的高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金材料其组分及其含量为：锌(Zn)含量为5～30％；钇(Y)含量为0.5～5％；锆(Zr)含量为0.3～0.8％和余量的镁(Mg)组成，所有百分数为重量百分数；为使合金中准晶相的体积百分含量达到最大，锌和钇的重量比值(Zn/Y)为6～15。

本发明的高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金材料，其抗拉强度为σ_b＝290～360MPa，屈服强度为σ_0.2＝175～260MPa，延伸率为δ＝10～18％，密度为1.84～2.73g/cm³。

本发明最重要的发现在于：通过选取合理的锌钇比(Zn/Y＝6～15)，将引入到Mg-Zn-Y-Zr镁合金材料的基体中准晶相的体积百分含量达到最大(准晶相的体积百分含量在6％-35％范围内)，使合金获得了较高的强度且保留着较好的塑性。

本发明的内在机理主要为：准晶相的形成与Zn/Y比有关。在一定稀土元素Y含量的前提下，通过确定准晶相形成对应的最大Zn/Y比值，使合金中准晶相的体积百分含量达到最大，从而有效地提高合金的力学性能。本发明合金成分是这样确定的：

本发明锌(Zn)和钇(Y)含量分别为5～30％和0.5～5％，由于准晶相的引入与锌，钇含量密切有关。在稀土元素Y含量一定时，当锌和钇的重量比值(Zn/Y)为6～15时，锌和钇将以准晶相形式存在于合金基体中，而且随着Zn/Y比的增加准晶相的体积百分含量显著增加。因此，本发明通过合理控制Zn/Y比值，充分保证引入到合金基体中的准晶相体积百分含量达到最大，起到显著强化合金的目的。

本发明锆(Zr)含量为0.3～0.8％，可以使合金的晶粒得到有效细化。

本发明一种有效利用稀土元素Y强化Mg-Zn-Y-Zr系镁合金的方法，包括控制Zn/Y比，向合金基体中引入较多的准晶相和后续的热挤压加工。其具体冶炼铸造和后续热挤压加工过程的具体步骤如下：

1)烘干及预热：常规辅料(覆盖剂/RJ-5)的烘干温度为120～180℃；各种配料与浇铸模具的预热温度为150～300℃；常用工具(搅拌器、掏渣勺、浇铸用料勺等)在700～740℃的熔融态洗涤熔剂中清洗及预热。

2)镁锭的熔化：设定温度680～720℃，升温；当坩埚预热至暗红色(400～500℃)时，清理坩埚内残渣，在坩埚内壁及底部均匀地撒上一层覆盖剂/RJ-5；加入已预热的镁锭，并在炉料上撒上一层覆盖剂/RJ-5；此过程中覆盖剂/RJ-5用量占炉料重量的0.1～1.0％；继续升温。

3)锌的加入：当镁熔体温度达到720～740℃时，在覆盖剂/RJ-5保护下加入锌块，配料全部熔化后，搅动5～10分钟，使成分均匀。

4)锆和稀土元素钇的加入：当合金熔体温度达到780～800℃时，在覆盖剂/RJ-5保护下加入纯钇和镁锆中间合金(Mg-33％Zr)，配料全部熔化后，搅动5～10分钟，使成分均匀。

5)熔体的精炼：待温度为760～780℃时，搅拌熔体7～10分钟，使熔体自下而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔体的波峰上撒以覆盖剂/RJ-5(避免燃烧或氧化)，其用量为炉料总重的0.5～2.5％。

6)熔体的保温静置：精炼结束后，清除合金液表面、坩埚壁等处的熔渣，然后在熔体表面撒以覆盖剂/RJ-5，用量以熔体表面不燃烧为准；将熔体升温至800～820℃，保温静置30～40分钟。

7)浇铸成型：将熔体降温至760～780℃，在0.6∶1～1.4∶1(重量比)的硫磺和硼酸混合粉料保护下进行浇铸，硫磺和硼酸的加入量占合金总重量的0.5～1％。

8)挤压成型工序：将铸锭在380～420℃下进行6～10小时的均匀化处理后，进行剥皮。将剥皮后的铸锭在温度为380～420℃下进行变形加工成制品。

本发明的特点是：

1、本发明通过合理控制合金元素中锌钇比(Zn/Y)，使引入到Mg-Zn-Y-Zr镁合金基体中准晶相的体积百分含量达到最大，充分发挥了稀土元素对镁合金强化作用。

2、本发明采用本发明方法获得了具有低密度、高强度、较好塑性的Mg-Zn-Y-Zr镁合金，特别适合于轻质、高强、高韧的用材需求。

3、本发明加工工艺操作简单、方便。

附图说明

图1高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金(实施例1、实施例3)的X-射线衍射谱。

图2(a)-(c)高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金(实施例1、实施例3)的微观组织扫描电镜照片。

图3高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金(实施例1、实施例2、实施例3)的室温下力学性能。

具体实施方式

下面通过实施例详述本发明。

实施例1

I)、合金组成

按下列配比配制40千克高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金材料所称取出的各元素为：锌(Zn)2.4千克、钇(Y)0.4千克、镁锆中间合金(Mg-33％Zr)1千克和余量的镁(Mg)。按重量百分比计，合金成分为Mg-6％Zn-1％Y-0.4％Zn，合金中Zn/Y比为6。

II)、合金冶炼及铸造

合金的冶炼在一个80千克容量的坩埚和电阻炉中进行。坩埚和铸造用模具采用低碳钢材质。下面以实施例1为例，详细阐述合金的冶炼和铸造工艺。

1)设定坩埚目标温度为680℃，开始加热；然后将纯镁、纯锌、纯钇、镁锆中间合金(Mg-33％Zr)等各种配料放在烘箱中预热至150℃，同时将覆盖剂/RJ-5放入烘箱中烘烤；将浇铸用模具在另外的箱式炉中预热至300℃。

2)当坩埚升温至400℃时，清理坩埚内残渣，在坩埚内壁及底部均匀地撒上一层覆盖剂/RJ-5；然后将预热好的纯镁配料放入坩埚内，并在炉料上撒上一层覆盖剂/RJ-5；此过程中覆盖剂/RJ-5用量占炉料重量的0.6％，继续升温。

3)等纯镁配料熔化并且坩埚温度稳定在720℃后，加入预热的纯锌，然后熔体进行搅拌约6分钟，此过程中，酌情加入已烘烤的覆盖剂/RJ-5进行保护，以表面不燃为准。

4)待坩埚温度升至790℃后，加入纯钇和镁锆中间合金(Mg-33％Zr)，搅拌6分钟将其熔化，然后静置3分钟；在此过程中加入覆盖剂/RJ-5进行保护，覆盖剂/RJ-5的加入量为炉料重量的0.6％。

5)待坩埚温度降至780℃时，对熔体进行精炼，搅拌熔体10分钟，使熔体自下而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔体的波峰上(熔体波峰指在搅拌熔体时，熔体自下而上翻滚所引起的液面波动，其中波动较大处为熔体波峰位置)撒以覆盖剂/RJ-5，覆盖剂/RJ-5加入量为炉料总重的2％。

6)精炼结束后，清除合金液表面、坩埚壁等处的熔渣，然后熔体表面撒以覆盖剂/RJ-5，用量以熔体表面不燃烧为准；坩埚温度稳定在800℃后，熔体静置30分钟。然后，在覆盖剂/RJ-5的保护下进行掏渣。

7)掏渣完毕后，维持坩埚温度稳定在780℃，在0.8∶1(重量比)的硫磺和硼酸混合粉料保护下浇铸成型，硫磺和硼酸的加入量占合金总重量的0.6％。

III)、热挤压加工

1)将剥皮后的铸锭在400℃下进行8小时的均匀化处理。

2)将铸锭剥皮。

3)将均匀化处理后的铸锭在420℃下进行变形加工成制品，挤压比为5。

IV)、微观组织表征

组织观察的样品其制备过程如下：采用1000号碳化硅水磨砂纸磨平表面；然后采用油基金刚石研磨膏机械抛光；合金中主要相经X-射线衍射分析为α-Mg、和Mg₃Zn₆Y(准晶相I-phase)，X-射线图谱列在附图1上；通过配有能谱装置的电子扫描显微镜(Philips XL30 ESEM-FEG/EDAX)上可以确定合金中准晶相的分布，相应的扫描电镜照片列在附图2(a)上。本实施例中，准晶相的体积百分含量为6％。

V)、力学性能测试

合金的室温力学拉伸性能样品参考中国国标GB 228-76制备。拉伸样品为圆棒状，其轴线方向平行于材料的纵向，试样标准长度为25mm，直径为5mm。拉伸试验的应变速率为1×10^-3s^-1。拉伸试验在MTS(858.01M)拉扭试验机上进行。该镁合金的材料的抗拉强度为290MPa，屈服强度为175MPa，延伸率为δ＝17％，密度为1.84g/cm³，相应的拉伸曲线列在附图3的序号1上。

实施例2

I)、合金组成

按下列配比配置40千克高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金材料所称取出的各元素为：锌(Zn)3.2千克、钇(Y)0.4千克、镁锆中间合金(Mg-33％Zr)1千克和余量的镁(Mg)。按重量百分比计，合金成分为Mg-8％Zn-1％Y-0.4％Zn，合金中Zn/Y比为8。

II)、合金冶炼及铸造

参考实施例1的冶炼及铸造。不同之处在于：两者的锌(Zn)含量不同。

III)、热挤压加工

参考实施例1的挤压工序。

IV)、微观组织表征

参考实施例1的微观组织表征。合金中主要相为α-Mg和Mg₃Zn₆Y(准晶相I-phase)；与实施例1中合金相比，该合金中的准晶相I-phase的体积百分含量明显增加。本实施例中，准晶相的体积百分含量为10％。

V)、力学性能测试

参考实施例1的力学性能测试。该镁合金的材料的抗拉强度为300MPa，屈服强度为201MPa，延伸率为δ＝14％，密度为1.91g/cm³，相应的拉伸曲线列在附图3的序号2上。

实施例3

I)、合金组成

按下列配比配置40千克高Zn/Y比Mg-Zn-Y-Zr镁合金材料所称取出的各元素为：锌(Zn)4千克、钇(Y)0.4千克、镁锆中间合金(Mg-33％Zr)1千克和余量的镁(Mg)。按重量百分比计，合金成分为Mg-10％Zn-1％Y-0.4％Zn，合金中Zn/Y比为10。

II)、合金冶炼及铸造

参考实施例1的冶炼及铸造。不同之处在于：两者的锌(Zn)含量不同。

III)、热挤压加工

参考实施例1的挤压工序。

IV)、微观组织表征

参考实施例1的微观组织表征。合金中主要相为α-Mg和Mg₃Zn₆Y(准晶相I-phase)，相应X-射线图谱列在附图1上；与实施例1中的合金相比，该合金中准晶相I-phase的体积百分含量显著增加，相应的扫描电晶照片列在附图2(b)上，准晶相的局部放大照片列在附图2(c)上。本实施例中，准晶相的体积百分含量为14％。

V)、力学性能测试

参考实施例1的力学性能测试。该镁合金的材料的抗拉强度为320MPa，屈服强度为232MPa，延伸率为δ＝13％，密度为1.98g/cm³，相应的拉伸曲线列在附图3的序号3上。