[发明专利]具有高耐蚀性的稀土耐热镁合金

说明书

技术领域

本发明涉及具有高耐应力腐蚀性和耐热性的稀土镁合金。 

背景技术

镁合金是目前已知的密度最低的金属结构材料。由于节能减排的要求，交通工具的轻量化是现在关注的重点，比如汽车的传动箱等采用耐热镁合金制作，可以降低汽车的自重，从而提高汽车的燃油效率。此外，在电子工业方面，广泛使用的各种投影仪的外壳要求具有一定的耐蚀性和耐热性，也对镁合金的性能提出了更高的要求。 

现在使用的这类合金主要是ZE41铸造镁合金，其主要合金成分为4.0 %的锌和1.0 %的稀土。Zn是一种能改善强度的元素。但是，过量添加Zn会降低合金的耐热性能和铸造性能。稀土元素的加入有利于提高合金的高温蠕变性能，但是增加了合金的成本。总体上来讲ZE41,基本不具备时效强化的效应，其使用温度最高不得超过150℃。 

发明内容

本发明是要制备一种镁合金，这种合金可以通过合适的热处理工艺时效强化，具有良好的铸造性能和耐蚀性能，在高温（200℃）时具有较高的屈服强度和蠕变性能，能够替代ZE41在交通运输工具、飞行器设计、航空航天领域的使用。 

1.        本合金中添加了稀土元素Nd和Gd，其含量为Gd: 1~2%，Nd: 2~3%。为了提高合金的综合性能加入了少量的Zn，其含量为0.5~1.0%，除此之外加入0.5%左右的Zr以达到细化晶粒的目的。镁合金的其他成分为Mg和少量的杂质元素。 

2.        杂质元素的含量：Si不得高于0.01%，Cu不得高于0.008%，Ni不得高于0.001%，Fe不高于0.004%，Al不高于0.003%。尤其要控制合金中Fe和Al的含量。 

3.        为使合金达到预期的性能，设计了合适的热处理工艺：在500～520℃固溶处理8～12小时，随后在～70℃热水中淬火；在180～250℃的时效处理炉内时效至峰值。 

合金元素选取的原则和有害元素含量的控制： 

Zn

锌在镁中的最大固溶度为6.2%，是一种非常有效和合金化元素，具有固溶强化和时效强化的双重作用。Zn也同Zr、稀土结合，形成强度较高的沉淀强化镁合金。此外，Zn也能减轻因Fe、Ni存在引起的腐蚀作用。

Zr 

锆在镁中的溶解度很小，在包晶温度下仅为0.58%，具有很强的晶粒细化作用。Zr的晶格常数和镁非常接近，在凝固过程中先形成富锆固相粒子将为镁晶粒提供异质形核位置。Zr添加到合金中充当晶粒细化剂。

Gd和Nd 

钆和钕都是稀土元素，稀土是镁合金最有效的合金元素之一。稀土元素原子扩散能力差，既可以提高镁合金在结晶温度和减缓在结晶过程，又可以析出非常稳定的弥散相粒子，从而大大提高镁合金的高温强度和蠕变抗力。在镁合金中同时添加Gd和Nd两种稀土元素，稀土元素间的像话作用，能降低稀土在镁中的固溶度，并影响过饱和固溶体的沉淀析出动力学，有利于提高沉淀强化相的体积分数。此为稀土元素的加入使合金凝固温度区间变窄，并且能减轻焊缝开裂和提高铸件的致密性。

Cu 

铜是影响合金抗蚀性的元素，含有少量的铜会大幅度降低合金的耐蚀性能。

Fe和Ni 

铁、镍也是影响合金抗蚀性的元素，及时极微量的Fe、Ni也能大大降低合金的抗蚀性。

热处理工艺： 

本合金为可以通过合适得热处理工艺人工时效强化的高强度镁合金，热处理工艺为合金制备的关键工序。为了使合金达到预期的性能，必须参照T6热处理工艺，对铸件或零部件进行适当的热处理。

按照本发明提供的成分制备的合金具有较好的铸造性能，采用各种常见铸造方法，诸如压铸、模铸、重力铸造等都可以获得性能符合要求的耐热镁合金品种。 

按照本发明制得的铸造产品可以用于许多要求重量轻，强度高，高温性能好，耐蚀性佳的零部件和产品。在需要满足上述特性的汽车零件、飞行器部件及各种便携式设备中，该合金品种能替代早期的ZE41，获得广泛得应用。 

另外，由于金属材料易于回收，比塑料产品更易于重复利用，故有利于资源节约和环境保护。 

附图说明

下面参照附图，说明本发明实例。 

附图1. 材料的热处理工艺示意图。 

附图2. 合金的时效硬化行为。 

附图3. 在峰值时效阶段合金的主要强化相。 

附图4. 室温下合金的力学性能。 

附图5. 合金在200℃下的蠕变性能。 

具体实施方式

按照本发明提供的合金成分进行配料，用铁坩埚在普通电阻炉上进行熔炼，为了防治合金在熔炼过程中燃烧，用熔剂进行保护。采用高纯Mg和Zn锭，合金元素Gd，Nd和Zr分别以Mg-Gd , Mg-Y和Mg-Zr中间合金的形式添加，合金的熔炼及浇注温度分别为750℃和730℃, 将熔体浇注成24 mm（厚）×220 mm（长）×90 mm(高) 的扁锭, 用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP）分析合金的成分。按照国家标准要求，将时效至峰值的合金切割成棒状或板状评定其力学性能。