一种制备高强度含Sc铸造镁钆合金的方法与流程

一种制备高强度含sc铸造镁钆合金的方法
技术领域
1.本发明属于镁钆合金制备技术领域，具体涉及的是一种制备高强度含sc铸造镁钆合金的方法。


背景技术：

2.镁合金作为最轻质的金属工程结构材料，因其具有比重轻、节能降耗、比强度比刚度高、阻尼减振降燥能力强、液态成型性能优越、能屏蔽电磁辐射和易于回收利用的特征，使其特别适合汽车、计算机、通讯、仪器仪表、家电轻工、军事等领域的应用。mg-al、mg-zn等一系列的镁合金被开发出来应用到各个领域，但是其绝对强度较低，韧性不足以及较低的耐高温性能制约了其进一步推广和应用。
3.研究人员发现在镁合金中添加gd、ce、y等稀土等可以提高合金高温强度及抗高温蠕变性能和改善铸造性能，国内外从20世纪70年代就开始了添加稀土元素强化镁合金的研究和应用；但是高含量的镁稀土合金带来高性能的同时，也会大大的提高镁合金的密度和成本，为了提高镁合金应用的广泛性，尽可能地减少稀土的添加并且最大限度的提高镁合金的强韧性和耐热性能成为镁合金研究中的热点。
4.钆在镁中的最大固溶度为23.5wt.%，并且固溶度随温度的降低到200℃可迅速下降到3.82wt.%，是一种时效强化效果非常显著的合金化元素，具有固溶强化和时效强化的双重作用。mg-gd合金当时效温度高于523k时，在0.5~1h内即出现时效强化，而当温度低于473k时，经过长时间才能达到时效强化效果；在（11-20）方向上柱面析出的盘状第二相β'和β''对基面位错滑移的阻碍能力最好，强化效果最佳，是mg-gd合金产生时效强化效应的主要原因；相关研究显示镁钆二元合金中钆元素的添加量至少要达到10%才能产生显著的时效强化效果，但是单纯的添加钆不但会使合金成本提高而且会使得合金密度比较高，室温塑韧性极低，因此添加价格和密度更低的元素以减少钆在镁合金中的用量，开发出一种塑韧性较好的镁合金尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，解决现有技术中镁钆合金塑韧性差的技术问题，本发明提供一种制备高强度含sc铸造镁钆合金的方法。本发明通过微量的sc和zr元素复合添加能够显著抑制合金晶粒在较高温度下的长大，并且通过520-525℃均匀化处理6-9h，从而达到对于mg-gd-nd稀土镁合金的消除成分偏析，消除内应力，特别是可以有效地促进mg-gd-nd-sc-zr合金中的强化相gdsc相在基体和晶粒中的生长，从而达到提高综合力学性能。
6.为了解决上述问题，本发明的技术方案为：一种制备高强度含sc铸造镁钆合金的方法，包括以下步骤：s1、原料预处理：s1-1、切块：将镁、镁-钆中间合金、镁-钕中间合金、镁-锆中间合金、镁-钪中间合
金块体分别置于钢质平板上，机械切割制成块状原料，块状原料的尺寸为：长10mm
×
宽10mm
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高10mm；s1-2、对步骤s1-1块状原料的表面用砂纸进行打磨，然后用无水乙醇进行清洗；s1-3、无水乙醇清洗后的块状原料置于真空干燥箱中预热干燥，预热干燥温度为100℃，真空度2pa，干燥时间为40min；s2、配制涂覆剂：称取氧化镁50g
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1g，量取水玻璃10ml
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1ml，量取去离子水500ml
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1ml，将氧化镁、水玻璃和去离子水加入混浆机中进行搅拌，搅拌转数50r/min，搅拌时间为80min，制得乳白色悬浮状涂覆剂；s3、制备开合式模具：开合式模具的型腔呈立方体形状，开合式模具的材质为不锈钢，型腔表面的粗糙度为ra0.08-0.16μm；s4、熔炼镁锌合金锭：s4-1、开合模具清洗、预热和型腔表面涂覆涂覆剂：首先，用无水乙醇清洗开合模具的型腔表面，使型腔表面洁净；然后，用步骤s2配制的涂覆剂均匀涂覆于开合模具的型腔表面，涂覆层厚度为0.5mm；最后，将开合模具置于干燥箱中预热，预热温度为150℃；s4-2、打开真空熔炼炉，清理熔炼坩埚内部，然后用无水乙醇进行清洗，使熔炼坩埚内部洁净；s4-3、称取步骤s1原料预处理后的称取镁块1290g
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lg、镁-钆中间合金165g
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lg、镁-钕中间合金30g
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lg、镁-锆中间合金7.5g
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lg、镁-钪中间合金7.5g
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lg，置于熔炼坩埚底部；s4-4、关闭真空熔炼炉并密闭；开启真空泵，抽取炉腔内的空气，直至炉腔内压强达到2pa；开启中频感应加热器开始加热，加热温度为750℃
±
1℃，加热时间为60min；s4-5、熔炼坩埚底部与底吹管连通，向立式真空熔炼炉内充入氩气，氩气底吹速度为200 cm3/min，由出气阀调控炉腔内压强恒定在1个大气压；镁、钆、钕、锆、钪在熔炼过程中将发生合金化反应，反应方程式如下:式中：mg5gd为镁钆共晶相，mg
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nd为镁钕共晶相，mggdsc为镁钆钪共晶相，mgndsc为镁钕钪共晶相，a-mg为镁基体相；熔炼后制得合金溶液，加热温度降至720℃
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1℃，在此温度恒温保温10min；s4-6、浇铸：关闭底吹电机，打开立式真空熔炼炉，除去熔炼坩埚内溶液表面熔渣，对准预热的开合式模具浇口进行浇铸，铸满为止；s4-7、冷却：将浇铸了合金溶液的开合式模具埋入细沙中冷却至25℃；s4-8、开模：打开开合式模具，取出铸件，制得镁钆合金铸锭；s5、镁钆合金铸锭热处理：均匀化处理：将制备的镁钆合金铸锭置于热处理炉中进行均匀化处理，加热温度为520-525℃，恒温保温时间为6-8h，通入氩气进行保护，氩气通入速度为100cm3/min；恒温
保温后，将镁钆合金铸锭快速置于35℃的温水中进行淬火处理，淬火时间为30s；时效处理：将均匀化处理后的镁钆合金铸锭置于热处理炉中进行时效处理，时效温度为250℃，恒温保温时间为1.5h；然后将镁钆合金铸锭快速置于30℃的温水中进行淬火处理，淬火时间为30s，淬火后制得高强度含sc铸造镁钆合金铸锭；s6、高强度含sc铸造镁钆合金铸锭的清理与清洗：将步骤s5制备的高强度含sc铸造镁钆合金铸锭置于钢质平板上，用砂纸打磨铸锭的表面，使表面光洁；然后用无水乙醇清洗各表面，使各表面洁净；s7、高强度含sc铸造镁钆合金铸锭真空干燥：将步骤s6清洗后的高强度含sc铸造镁钆合金铸锭置于真空干燥箱中，真空度为2pa，干燥温度为100℃，干燥时间为10min；s8、检测、分析、表征。
7.进一步地，所述步骤s8中，对制备的高强度含钪镁锌合金铸锭试样的微观形貌、金相组织、力学性能进行检测、分析、表征。
8.进一步地，用金相分析仪和透射电子显微镜进行金相组织分析，用微机控制电子万能试验机进行抗拉强度分析。
9.与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明针对现有技术中铸造镁合金强度低的技术问题，在熔炼过程中添加镁、钆、钕、钪、锆以增强铸造镁合金的力学性能，制备的铸造镁合金抗拉强度达337mpa，屈服强度达212mpa，延伸率达6.5%，产物纯度达99.5%。此制备方法工艺先进，数据精确翔实，是先进的制备高强度镁钆合金锭的方法。
附图说明
10.图1为高强度含sc铸造镁钆合金横切面金相组织形貌图；图2为高强度含sc铸造镁钆合金横切面透射暗场图；图3为铸态与时效态高强度含sc铸造镁钆合金力学性能对比曲线图。
具体实施方式
11.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
12.使用的化学物质材料为：镁、镁-30%钆中间合金、镁-25%钕中间合金、镁-25%锆中间合金、镁-10%钪中间合金、水玻璃、去离子水、氩气，其组合准备用量如下（以克、毫升、cm3为计量单位）：镁:mg，纯度99.99%，固态块体1290g；镁-钆中间合金:mg-30%gd，纯度30%，固态块体165g；镁-钕中间合金:mg-25%nd，纯度25%，固态块体30g；镁-锆中间合金:mg-25%zr，纯度25%，固态块体7.5g；镁-钪中间合金:mg-10%sc，纯度10%，固态块体7.5g；水玻璃：na2sio3·
9h2o 液态液体10ml；氧化镁：mgo 固态粉末50g；无水乙醇：c2h5oh 液态液体1000ml；去离子水：h2o 液态液体 1000ml；
氩气：ar气态气体800000cm3。
13.一种制备高强度含sc铸造镁钆合金的方法，包括以下步骤：s1、原料预处理：s1-1、切块：将镁、镁-钆中间合金、镁-钕中间合金、镁-锆中间合金、镁-钪中间合金块体分别置于钢质平板上，机械切割制成块状原料，块状原料的尺寸为：长10mm
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宽10mm
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高10mm；s1-2、对步骤s1-1块状原料的表面用砂纸进行打磨，然后用无水乙醇进行清洗；s1-3、无水乙醇清洗后的块状原料置于真空干燥箱中预热干燥，预热干燥温度为100℃，真空度2pa，干燥时间为40min；s2、配制涂覆剂：称取氧化镁50g，量取水玻璃10ml，量取去离子水500ml，将氧化镁、水玻璃和去离子水加入混浆机中进行搅拌，搅拌转数50r/min，搅拌时间为80min，制得乳白色悬浮状涂覆剂；s3、制备开合式模具：开合式模具的型腔呈立方体形状，开合式模具的材质为不锈钢，型腔表面的粗糙度为ra0.08μm；s4、熔炼镁锌合金锭：s4-1、开合模具清洗、预热和型腔表面涂覆涂覆剂：首先，用无水乙醇清洗开合模具的型腔表面，使型腔表面洁净；然后，用步骤s2配制的涂覆剂均匀涂覆于开合模具的型腔表面，涂覆层厚度为0.5mm；最后，将开合模具置于干燥箱中预热，预热温度为150℃；s4-2、打开真空熔炼炉，清理熔炼坩埚内部，然后用无水乙醇进行清洗，使熔炼坩埚内部洁净；s4-3、称取步骤s1原料预处理后的称取镁块1290g、镁-钆中间合金165g、镁-钕中间合金30g、镁-锆中间合金7.5g、镁-钪中间合金7.5g，置于熔炼坩埚底部；s4-4、关闭真空熔炼炉并密闭；开启真空泵，抽取炉腔内的空气，直至炉腔内压强达到2pa；开启中频感应加热器开始加热，加热温度为750℃，加热时间为60min；s4-5、熔炼坩埚底部与底吹管连通，向立式真空熔炼炉内充入氩气，氩气底吹速度为200 cm3/min，由出气阀调控炉腔内压强恒定在1个大气压；镁、钆、钕、锆、钪在熔炼过程中将发生合金化反应，反应方程式如下:式中：mg5gd为镁钆共晶相，mg
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nd为镁钕共晶相，mggdsc为镁钆钪共晶相，mgndsc为镁钕钪共晶相，a-mg为镁基体相；熔炼后制得合金溶液，加热温度降至720℃，在此温度恒温保温10min；s4-6、浇铸：关闭底吹电机，打开立式真空熔炼炉，除去熔炼坩埚内溶液表面熔渣，对准预热的开合式模具浇口进行浇铸，铸满为止；s4-7、冷却：将浇铸了合金溶液的开合式模具埋入细沙中冷却至25℃；s4-8、开模：打开开合式模具，取出铸件，制得镁钆合金铸锭；
s5、镁钆合金铸锭热处理：均匀化处理：将制备的镁钆合金铸锭置于热处理炉中进行均匀化处理，加热温度为520，恒温保温时间为6h，通入氩气进行保护，氩气通入速度为100cm3/min；恒温保温后，将镁钆合金铸锭快速置于35℃的温水中进行淬火处理，淬火时间为30s；时效处理：将均匀化处理后的镁钆合金铸锭置于热处理炉中进行时效处理，时效温度为250℃，恒温保温时间为1.5h；然后将镁钆合金铸锭快速置于30℃的温水中进行淬火处理，淬火时间为30s，淬火后制得高强度含sc铸造镁钆合金铸锭；s6、高强度含sc铸造镁钆合金铸锭的清理与清洗：将步骤s5制备的高强度含sc铸造镁钆合金铸锭置于钢质平板上，用砂纸打磨铸锭的表面，使表面光洁；然后用无水乙醇清洗各表面，使各表面洁净；s7、高强度含sc铸造镁钆合金铸锭真空干燥：将步骤s6清洗后的高强度含sc铸造镁钆合金铸锭置于真空干燥箱中，真空度为2pa，干燥温度为100℃，干燥时间为10min；s8、检测、分析、表征：对制备的高强度含钪镁锌合金铸锭试样的微观形貌、金相组织、力学性能进行检测、分析、表征；用金相分析仪和透射电子显微镜进行金相组织分析，用微机控制电子万能试验机进行抗拉强度分析。
14.图1所示，晶粒尺寸较小，晶粒中主要含有两种相，基体相a-mg相和耐高温强化相mggdsc，mgndsc相在基体中均匀分布。
15.图2所示，基体中在时效过程析出了密集的强化相。
16.图3所示，在热处理之前（铸态），镁钆合金锭抗拉强度为212mpa，屈服强度为107mpa，延伸率为7.2%；在热处理之后（时效态），镁钆合金锭抗拉强度为337mpa，屈服强度为212mpa，延伸率为6.5%。
17.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。