[发明专利]含铜耐热稀土镁合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料技术领域的镁合金及其制备方法，具体地说，涉及的是一种含铜耐热稀土镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，能满足日益严格的汽车尾气排放要求，可生产出重量轻、油耗少、环保型的新型汽车，因而在汽车工业中受到了广泛的关注。然而，低的常温强度、高温强度和塑性等力学性能制约了其在发动机和动力系统零件上的应用。因此，提出了高强度高韧性高抗蠕变性能的耐热镁合金。稀土元素被认为是用来提高镁合金耐热性能的重要元素，例如已获商业化应用的Mg-Y-Nd基合金WE54和WE43。传统的WE54合金经T6处理后，室温抗拉强度为250MPa，屈服强度为172MPa，延伸率为2.0％。

经对现有技术的文献检索发现，在专利文献CN 1804083A中记载了一种高强耐热稀土镁合金，其组成为：2～10％重量比的Gd、3～12％重量比的Y，Gd和Y的重量之和占该合金总重量的13～14％，以及0.4～0.7％重量比的Zr和不大于0.3％重量比的活化元素(Zn、Ag、Cu、Sr、Ca、Ti、Bi、Cd中任选一种)，或0.6～1.5％重量比的Mn和不大于0.3％重量比的活化元素(Sn、Si、Sb、Ca、Sr中任选一种)，其余为镁。这种稀土镁合金的析出物总是沿着基体的棱柱面析出，形成一种交叉的网状相结构，具有能高度抗粒子粗化，提供高度强化和蠕变抗力的作用。其在300℃应用条件下，瞬时极限拉伸强度为180MPa。然而该专利文献中，没有加入Cu元素。事实上在稀土元素中加入一定比例的Cu元素，通过普通铸造的方法利用时效强化，第二相强化和固溶强化就会制备出具有高强高韧性的稀土镁合金。

目前已知的一些具有高强度高韧性的Mg-Zn-RE类合金的专利(比如CN1886528A，CN 1886529A，CN 101027420A)中，通过不同的热变形工艺，制备出了高强高韧耐热稀土镁合金。但关于利用普通铸造技术制备高强高韧Mg-Cu-RE合金，目前还没有报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种高强度，高韧性和高抗蠕变性能的含铜耐热稀土镁合金及其制备方法，通过在镁中添加Cu和Y、Gd、Sm、Nd、La、Ce、Tb、Dy、Ho、Er、Tm等稀土元素的一种或几种，并且通过熔炼及热处理工艺条件来获得高强度，高韧性和高抗蠕变性能的镁合金。该金属针对镁合金扩大的用途，其强度及韧性均处于可供实用的水平。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的含铜耐热稀土镁合金，包括Cu、M，其余为Mg和不可避免的杂质，其中M为Y、Gd、Sm、Nd、La、Ce、Tb、Dy、Ho、Er、Tm中的一种或几种，Cu的原子百分比含量为a％，M原子百分比含量为b％，a和b满足：0.1≤a≤5，且0.5≤b≤5。

所述杂质元素原子百分比含量为：Fe＜0.002％和Ni＜0.001％。

合金的成分设计依据为：若Cu原子百分比含量为5％以上，则特别是韧性(或延展性)有降低的倾向；若稀土类元素合计原子百分比含量为5％以上，则韧性(或延展性)也有降低的倾向。若Cu的原子百分比含量低于0.1％，或者稀土原子百分比含量总计低于0.5％，则强度及韧性至少任一方面将不充分。因此，Cu的原子百分比含量含量的下限为0.1％，稀土类元素合计原子百分比含量的下限为0.5％。

强度及韧性的增大在于Cu的原子百分比含量处于0.5～2.5％时变得显著。若Cu原子百分比含量在0.1％附近而稀土类元素含量变少，则强度有降低的倾向，但是即使是处在此范围的情况下，仍显示出比以往高的高强度及高韧性。因此，本发明的镁合金中Cu的原子百分比含量最大范围是0.1％以上，5％以下。

强度及韧性的增大在于稀土类元素合计原子百分比含量处于1～3％时变得显著。若稀土类元素合计原子百分比含量在0.5％附近而Cu含量变少，则强度有降低的倾向，但是即使是处在此范围的情况下，仍显示出比以往高的高强度及高韧性。因此，本发明的镁合金中稀土类元素合计原子百分比含量最大范围是0.5％以上，5％以下。

本发明所涉及的含铜耐热稀土镁合金的制备方法，包括两个阶段，即熔炼和后续热处理，其中：

所述熔炼过程在SF₆/CO₂气体保护条件下进行，包括如下步骤：

(1)熔炼Mg：在熔炼炉中加入烘干的工业纯镁，加热熔炼；

(2)加入Mg-Cu中间合金：待镁完全熔化后，在660～680℃下加入Mg-Cu中间合金；