一种Mg-Zn-Gd准晶增强的AZ91镁合金及其制备方法

摘要

本发明涉及一种Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金，其特征在于，质量百分含量为：Al？8.18~8.82，Zn？1.90~5.16%，Gd？0.29~1.36%，余量为Mg。本发明先获得组织明确、成分均匀的Mg-Zn-Gd准晶合金，再将准晶中间合金添加到传统的AZ91合金，通过合理的工艺手段，将AZ91和质量百分比为2%~10%准晶中间合金同时熔炼，获得Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金。在保证了镁合金的高的比强度和比刚度的同时，使得合金的强度和塑性及耐腐蚀性能明显提高，获得良好的综合性能。本发明制备得到的AZ91合金将进一步提高其在轨道交通、汽车、电子以及通信等领域有广泛的应用。

说明书

技术领域

本发明属于镁合金制备领域，具体涉及一种Mg-Zn-Gd准晶增强的AZ91合金及其制备方法。

背景技术

在目前镁合金的实际生产中，AZ91合金是目前使用最广泛的一种铸造镁合金，将Mg-Zn-RE准晶合金作为中间合金加入到AZ91等商业镁合金中，能够在不改变合金的基本组成相的条件下，利用准晶颗粒独有的低界面能、重熔性、耐腐性能、高强级高硬度等特点，作为中间合金添加到AZ91铸态镁合金中，提高合金的力学性能及耐腐性性能。

目前，应用较为广泛的Al-Cu-Fe准晶增强AZ91镁合金。虽然能提高合金的强度，但是不可避免会带来一些金属杂质。申请号为200610026842.X的中国专利报道了一种自生准晶增强的高塑性变形镁合金的制备方法，获得了抗拉强度很高的镁合金板材。

研究表明，二十面体准晶（I相）具有高硬度、良好的热力学稳定性、低摩擦系数、低界面能和耐蚀等特点以及与镁基体的良好的结合性。

发明内容

本发明针对目前铸态AZ91镁合金的组织晶粒比较粗大，力学性能不高，腐蚀性较差等缺点，提供一种Mg-Zn-Gd准晶增强AZ91镁合金获得成分均匀的第二相，改善了合金的强度和塑性及耐腐蚀性，使得合金的综合性能有明显的提高，满足日益增长的镁合金需求。

本发明同时提供上诉Mg-Zn-Gd准晶增强AZ91镁合金材料的制备方法。在传统铸态AZ91的基础上，加入质量分数为2~8%的Mg-Zn-Gd准晶中间合金，制得Mg-Zn-Gd准晶增强AZ91镁合金方法简单易操作。

本发明是通过以下方法实现的：

一种Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金，其特征在于，有以下质量百分含量为：Al8.33~8.82，Zn1.90~4.39%，Gd0.29~1.11%，余量为Mg；所述的Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金的微观形貌为：不连续的网状的Mg₁₇Al₁₂相与少量的颗粒状二十面体准晶共存；所述镁基体为α-Mg；所述的Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金的为：第二相的体积分数为12.42~20.84%；平均枝晶长度为13.45~72.61μm；所述的第二相包括，不连续的网状的Mg₁₇Al₁₂相与少量的颗粒状二十面体准晶；所述的枝晶长度为第二相的平均枝晶长度。

一种Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金的制备方法如下：制备Mg-Zn-Gd准晶中间合金；熔炼AZ91镁合金，再将Mg-Zn-Gd准晶中间合金和AZ91镁合金熔炼保温后，浇注在合适的模具中获得成分均匀的Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金。

所述的Mg-Zn-Gd准晶中间合金，其组成按质量百分含量为：46.12~46.95%Zn，14.85~15.02%Gd，余量为Mg。

本发明的Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1）制备Mg-Zn-Gd准晶中间合金：

按配比准备好镁锭、锌锭和Mg-Gd中间合金为原料，将炉温升至680~720℃，把镁锭的放入石墨坩埚中，然后把石墨坩埚放入充满SF₆-CO₂混合气体的电阻炉中，待镁锭熔化后加入Mg-Gd中间合金，最后在Mg-Gd中间合金熔化后加入锌锭，待锌料熔化后保温15~30min，然后缓慢晃动石墨坩埚1~2min，放入炉中静置2~3min，浇入金属型模具中，获得成分均匀的Mg-Zn-Gd准晶合金；

2）制备AZ91镁合金：

以质量百分含量为8.78～8.95%Al，0.83～0.96%Zn和90.09～90.39%Mg为原料，加热熔化并升温至715～720℃，搅拌均匀后浇注金属型，制得AZ91镁合金，熔炼过程中通入SF6-CO2混合气体保护，获得AZ91镁合金；

3）制备Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金：

按配比取步骤1）制备的Mg-Zn-Gd准晶中间合金和步骤2）制备的AZ91镁合金，在SF₆-CO₂混合气体保护下，将AZ91镁合金放入预热到680～700℃的容器中，然后升温至710～740℃，待AZ91镁合金完全熔化后，将Mg-Zn-Gd准晶中间合金加入到熔体AZ91中，待Mg-Zn-Gd准晶中间合金熔化后，保温20-30min，搅拌1～2min，静置5～10min，然后将熔液浇入到预热200-300℃的钢模中，制得Mg-Zn-Gd准晶相增强的AZ91镁合金。

所述的，步骤1）中原料纯锌锭、Mg-Gd中间合金和纯镁锭的质量百分比为：46.12~46.95%Zn，14.85~15.02%Gd，余量为纯镁锭；步骤2)制得AZ91镁合金，各成分质量百分含量组成为：55.00～56.00%Zn、5.00～6.00%Y，余量为镁；所述的，步骤2）中原料8.78～8.95%Al，0.83～0.96%Zn，余量为Mg；所述的，步骤3)中，Mg-Zn-Gd准晶合金的加入量AZ91原料质量的2.00～8.00%。

本发明的特点及有益效果在于：

(1)本发明中的Mg-Zn-Gd准晶相具有准周期性排列，熔体内部具有原子团簇，能够为合金提供强化相，细化晶粒。显著提高合金的力学性能及耐腐蚀性能；

(2)本发明通过优化制备工艺和组分配比，制备出Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金，Mg-Zn-Gd准晶具有重熔性，在AZ91镁合金内部形成原子团簇，为合金提供更多的核心，增加AZ91的晶粒数量，由于准晶相的界面能较小，因此晶粒尺寸明显减小；

(3)本发明所得的Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金的强度、硬度、延伸率及耐腐蚀性明显提高。

附图说明

图1为实施例3制备的Mg-Zn-Gd准晶合金的微观组织图a及局部放大图b。

图2为实施例3制备的Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金的微观组织图。

图3为对比例制备的AZ91镁合金的微观组织图。

图4为实施例和对比例的微观形貌表征。

图5为实施例和对比例的室温力学性能。

具体实施方式

下面通过实施例和对比例对本发明Mg-Zn-Gd准晶合金及其制备方法做进一步说明。

实施例1

一种Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金，其特征在于，有以下质量百分含量为：Al8.82，Zn1.90%，Gd0.29%，余量为Mg。

采取以下步骤制得：

1）制备Mg-Zn-Gd准晶中间合金：

按配比准备好镁锭、锌锭和Mg-Gd中间合金为原料，将炉温升至680℃，把镁锭的放入石墨坩埚中，然后把石墨坩埚放入充满SF₆-CO₂混合气体的电阻炉中，待镁锭熔化后加入Mg-Gd中间合金，最后在Mg-Gd中间合金熔化后加入锌锭，待锌熔化后保温15min，然后缓慢晃动石墨坩埚1min，放入炉中静置2min，浇入金属型模具中，获得成分均匀的Mg-Zn-Gd准晶合金；

2）制备AZ91镁合金：

以质量百分含量为8.78%Al，0.83%Zn和90.39%Mg为原料，加热熔化并升温至715℃，搅拌均匀后浇注金属型，制得AZ91镁合金，熔炼过程中通入SF₆-CO₂混合气体保护，获得AZ91镁合金；

3）制备Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金：

按配比取步骤1）制备的Mg-Zn-Gd准晶中间合金和步骤2）制备的AZ91镁合金，在SF₆-CO₂混合气体保护下，将AZ91镁合金放入预热到680℃的容器中，然后升温至710℃，待AZ91镁合金完全熔化后，将Mg-Zn-Gd准晶中间合金加入到熔体AZ91中，待Mg-Zn-Gd准晶中间合金熔化后，保温20min，搅拌1min，静置5min，然后将熔液浇入到预热200℃的钢模中，制得Mg-Zn-Gd准晶相增强的AZ91镁合金。

获得合金微观形貌的特征参数见标1，合金性能见图5。

实施例2

一种Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金，其特征在于，有以下质量百分含量为：Al8.65%，Zn2.76%，Gd0.58%，余量为Mg。

采取以下步骤制得：

1）制备Mg-Zn-Gd准晶中间合金：

按配比准备好镁锭、锌锭和Mg-Gd中间合金为原料，将炉温升至700℃，把镁锭的放入石墨坩埚中，然后把石墨坩埚放入充满SF_6-CO₂混合气体的电阻炉中，待镁锭熔化后加入Mg-Gd中间合金，最后在Mg-Gd中间合金熔化后加入锌锭，待锌熔化后保温17min，然后缓慢晃动石墨坩埚1.25min，放入炉中静置2.25min，浇入金属型模具中，获得成分均匀的Mg-Zn-Gd准晶合金；

2）制备AZ91镁合金：

以质量百分含量为8.82%Al，0.89%Zn和90.29%Mg为原料，加热熔化并升温至717℃，搅拌均匀后浇注金属型，制得AZ91镁合金，熔炼过程中通入SF₆-CO₂混合气体保护，获得AZ91镁合金；

3）制备Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金：

按配比取步骤1）制备的Mg-Zn-Gd准晶中间合金和步骤2）制备的AZ91镁合金，在SF₆-CO₂混合气体保护下，将AZ91镁合金放入预热到685℃的容器中，然后升温至720℃，待AZ91镁合金完全熔化后，将Mg-Zn-Gd准晶中间合金加入到熔体AZ91中，待Mg-Zn-Gd准晶中间合金熔化后，保温23min，搅拌1.2min，静置7min，然后将熔液浇入到预热225℃的钢模中，制得Mg-Zn-Gd准晶相增强的AZ91镁合金。

获得合金微观形貌的特征参数见标1，合金性能见图5。

实施例3

一种Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金，其特征在于，有以下质量百分含量为：Al8.49%，Zn3.59%，Gd0.86%，余量为Mg。

采取以下步骤制得：

1）制备Mg-Zn-Gd准晶中间合金：

按配比准备好镁锭、锌锭和Mg-Gd中间合金为原料，将炉温升至720℃，把镁锭的放入石墨坩埚中，然后把石墨坩埚放入充满SF₆-CO₂混合气体的电阻炉中，待镁锭熔化后加入Mg-Gd中间合金，最后在Mg-Gd中间合金熔化后加入锌锭，待锌熔化后保温20min，然后缓慢晃动石墨坩埚1.5min，放入炉中静置2.5min，浇入金属型模具中，获得成分均匀的Mg-Zn-Gd准晶合金；

2）制备AZ91镁合金：

以质量百分含量为8.88%Al，0.93%Zn和90.19%Mg为原料，加热熔化并升温至719℃，搅拌均匀后浇注金属型，制得AZ91镁合金，熔炼过程中通入SF₆-CO₂混合气体保护，获得AZ91镁合金；

3）制备Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金：

按配比取步骤1）制备的Mg-Zn-Gd准晶中间合金和步骤2）制备的AZ91镁合金，在SF₆-CO₂混合气体保护下，将AZ91镁合金放入预热到690℃的容器中，然后升温至730℃，待AZ91镁合金完全熔化后，将Mg-Zn-Gd准晶中间合金加入到熔体AZ91中，待Mg-Zn-Gd准晶中间合金熔化后，保温25min，搅拌1.5min，静置8min，然后将熔液浇入到预热250℃的钢模中，制得Mg-Zn-Gd准晶相增强的AZ91镁合金。

获得合金微观形貌的特征参数见标1，合金性能见图5。

实施例4

一种Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金，其特征在于，有以下质量百分含量为：Al8.33%，Zn4.39%，Gd1.11%，余量为Mg。

采取以下步骤制得：

1）制备Mg-Zn-Gd准晶中间合金：

按配比准备好镁锭、锌锭和Mg-Gd中间合金为原料，将炉温升至730℃，把镁锭的放入石墨坩埚中，然后把石墨坩埚放入充满SF₆-CO₂混合气体的电阻炉中，待镁锭熔化后加入Mg-Gd中间合金，最后在Mg-Gd中间合金熔化后加入锌锭，待锌熔化后保温20min，然后缓慢晃动石墨坩埚1.75min，放入炉中静置2.25min，浇入金属型模具中，获得成分均匀的Mg-Zn-Gd准晶合金；

2）制备AZ91镁合金：

以质量百分含量为8.90%Al，0.92%Zn和90.18%Mg为原料，加热熔化并升温至718℃，搅拌均匀后浇注金属型，制得AZ91镁合金，熔炼过程中通入SF₆-CO₂混合气体保护，获得AZ91镁合金；

3）制备Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金：

按配比取步骤1）制备的Mg-Zn-Gd准晶中间合金和步骤2）制备的AZ91镁合金，在SF₆-CO₂混合气体保护下，将AZ91镁合金放入预热到695℃的容器中，然后升温至735℃，待AZ91镁合金完全熔化后，将Mg-Zn-Gd准晶中间合金加入到熔体AZ91中，待Mg-Zn-Gd准晶中间合金熔化后，保温27min，搅拌1.7min，静置9min，然后将熔液浇入到预热275℃的钢模中，制得Mg-Zn-Gd准晶相增强的AZ91镁合金。

获得合金微观形貌的特征参数见标1，合金性能见图5。

实施例5

一种Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金，其特征在于，有以下质量百分含量为：Al8.18%，Zn5.16%，Gd0.1.36%，余量为Mg。

采取以下步骤制得：

1）制备Mg-Zn-Gd准晶中间合金：

按配比准备好镁锭、锌锭和Mg-Gd中间合金为原料，将炉温升至740℃，把镁锭的放入石墨坩埚中，然后把石墨坩埚放入充满SF₆-CO₂混合气体的电阻炉中，待镁锭熔化后加入Mg-Gd中间合金，最后在Mg-Gd中间合金熔化后加入锌锭，待锌熔化后保温30min，然后缓慢晃动石墨坩埚12min，放入炉中静置3min，浇入金属型模具中，获得成分均匀的Mg-Zn-Gd准晶合金；

2）制备AZ91镁合金：

以质量百分含量为8.95%Al，0.96%Zn和90.09%Mg为原料，加热熔化并升温至720℃，搅拌均匀后浇注金属型，制得AZ91镁合金，熔炼过程中通入SF₆-CO₂混合气体保护，获得AZ91镁合金；

3）制备Mg-Zn-Gd准晶相增强AZ91镁合金：

按配比取步骤1）制备的Mg-Zn-Gd准晶中间合金和步骤2）制备的AZ91镁合金，在SF₆-CO₂混合气体保护下，将AZ91镁合金放入预热到700℃的容器中，然后升温至740℃，待AZ91镁合金完全熔化后，将Mg-Zn-Gd准晶中间合金加入到熔体AZ91中，待Mg-Zn-Gd准晶中间合金熔化后，保温30min，搅拌2min，静置10min，然后将熔液浇入到预热300℃的钢模中，制得Mg-Zn-Gd准晶相增强的AZ91镁合金。

所得合金微观形貌特征参数见图4，合金性能见图5。

对比例

一种常规铸态AZ91镁合金，其特征在于，有以下质量百分含量为：Al8.88%，Zn0.93%，余量为Mg。

采取以下步骤制得：

选取质量百分比为Al8.88%，Zn0.93%和Mg90.19%作为原料，将炉升至720℃，通入SF₆-CO₂混合气体保护，先将Mg放入坩埚中，熔化后保温20min，依次加入Al料和Zn料，待Al和Zn熔化后，搅拌1min，保温10min后，浇入预热250℃的钢模中，获得铸态AZ91镁合金。

对比例制备得到的AZ91镁合金，各组分重量百分含量为8.85%Al、0.941%Zn，余量为镁。制得的AZ91镁合金中第二相的体积分数为25.32%。制得的AZ91镁合金平均枝晶长度为76.32μm；第二相为Mg₁₇Al₁₂相；晶粒为在第二相作用下镁基体α-Mg的晶粒；AZ91镁合金微观形貌为：大片连续的Mg₁₇Al₁₂分布在镁基体晶界，所述镁基体为α-Mg；

所得合金微观形貌特征参数见图4，合金性能见图5。

选取与实施例相近成分的AZ91镁合金作对比，对比例的AZ91各元素的重量比为：Al8.88%，Zn0.93%，余量为Mg。

对比例和各实施例的微观形貌表征参数如图4所示；对比例和各实施例的力学性能和耐腐蚀性能对比结果如图5所示。

结果表明，本发明合金中枝晶长度明显减小，综合力学性能明显提升，腐蚀性能显著提高：抗拉强度最高提高93MPa，提高了55.69%，屈服强度最高提高25MPa，提高了38.46%，延伸率最高提升至4.1%。