CN100434555C - 自生准晶增强的高塑性变形镁合金 - Google Patents

Abstract

一种自生准晶增强的高塑性变形镁合金，属于金属材料技术领域。本发明组分及其重量百分比为：2-10%Zn，0.5-6%Gd，0-1.0%Zr，杂质元素Fe＜0.005%，Ni＜0.002%，其余为Mg。本发明合金含有准晶相，以树枝晶形式原位形成于铸态组织中，经过挤压或轧制热变形工艺，该准晶相破碎沿着变形方向分布，同时在挤压或轧制过程中在基体内部和晶界处析出弥散分布的二次准晶相，从而增强了合金的性能。同时，准晶和基体具有良好的界面结合性能，能很好地协调变形，缓解应力集中，从而大幅度提高了镁合金塑性变形能力，可广泛用于制备要求有较高变形能力的挤压、轧制、冲压等各种镁合金变形材料。本发明合金具有较高的塑性并匹配以中等强度：室温下抗拉强度：260MPa-320MPa；拉伸延伸率：20%-26%。

Description

自生准晶增强的高塑性变形镁合金

技术领域

本发明涉及的是一种镁合金，具体是一种自生准晶增强的高塑性变形镁合金。属于金属材料技术领域。

背景技术

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有高比强、高比模、高阻尼减震等优点，在汽车、电子通信、航空航天等领域具有极其重要的应用价值。变形镁合金由于能够获得细小的组织，消除铸造缺陷，比铸造合金具有更高的综合力学性能，具有广泛的应用前景。现有典型的变形镁合金有AZ31、AZ61和ZK60等牌号，它们在室温下具备一定的抗拉强度，但塑性变形能力不高，除了与基体镁是六方结构滑移系少有关外，主要是由于在变形过程中，常规晶体强化相与基体的界面处容易产生应力集中，引发裂纹的萌生，从而导致材料的失效。

准晶是一种不同于晶体的新的物质形态，它具有五次、十次等特殊的旋转对称性。由于准晶独特的原子结构，使准晶具有特殊的物理和机械性能。研究表明，准晶具有很高的压缩强度、高的显微硬度和弹性模量、低的热膨胀系数和表面张力等性能，同时凝固过程中形成的稳定准晶还具有较高的耐热耐蚀和耐磨等性能。与塑性变形密切相关的准晶特征有两点：一是准晶相的准周期晶格使得准晶相与镁基体界面处形成了稳定和近乎无缺陷的界面；其次是准晶相本身具有很低的界面能，使得准晶第二相与基体之间具有良好的润湿性，在第二相和基体间容易获得好的界面结合。这就使得准晶强化相在变形过程中能够与基体进行良好的协调变形，缓解应力集中，阻滞裂纹源的萌生，从而大幅度提高合金的塑性变形能力。

经对现有技术的文献检索发现，只发现有一美国专利(申请号：20030029526)其专利名称为：Quasicrystalline phase-reinforced Mg-basedmetallic alloy with high warm and hot formability and method of makingthe same(具有高热变形能力的准晶增强镁基合金及其制备方法)，该专利涉及的是一种具有较好热轧制变形的含有准晶相的Mg-Zn-Y三元合金，其合金组成为1-10at％Zn，0.1-3at％Y，余量为Mg(重量百分比相应为：2.6-21.5％Zn，0.4-8.8％Y，余量为Mg)。虽然该专利涉及的也是含有准晶作为强化相的镁合金，但该专利与本发明专利涉及的Mg-Zn-Gd-Zr合金成分存在明显区别，同时上述美国专利中只给出了热轧态的机械性能，没有给出镁合金挤压态的机械性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有变形镁合金塑性偏低，成形能力不足的缺点，提供一种自生准晶增强的高塑性变形镁合金，使其在合金的晶界和基体内部形成细小弥散分布的准晶强化相颗粒，充分利用准晶的特性，克服由常规晶体相强化镁合金导致的容易在第二相和基体界面处形成裂纹导致塑性较低的缺点，大幅度提高镁合金室温条件下的塑性，同时保证该镁合金具有中等强度的力学性能，室温下抗拉强度：260MPa-320MPa；拉伸延伸率：20％-26％。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明自生准晶增强的高塑性变形镁合金的组分及重量百分比为：2-10％Zn，0.5-6％Gd，0-1.0％Zr，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

本发明以2-10％Zn，0.5-6％Gd，其余为镁作为基本成分，在这个合金范围内，通过常规铸造工艺就能原位生成枝晶状的准晶相，加入0-1.0％Zr起进一步细化合金晶粒的作用。通过挤压(或轧制)热变形工艺，使合金的枝晶状准晶相组织破碎，形成沿挤压方向分布的带状结构，同时在挤压变形过程中，在基体内部形成细小弥散分布的二次准晶析出相(100nm-500nm左右)，该弥散分布的颗粒强化作用使得该合金具有较高的抗拉强度。同时由于准晶的特殊物理性能，使得准晶和基体具有良好的界面结合力，准晶的五次对称结构允许它和基体进行协同变形，变形过程中能够有效地缓解应力集中，阻滞裂纹的萌生和扩展，从而使得合金的变形性能大幅度地提高。本发明形成的变形镁合金明显高于目前广泛使用的变形镁合金AZ31，同时抗拉强度高于或与AZ31相当。

根据合金的性能价格比，本发明优选范围为：3-7％Zn，0.5-3％Gd，0-0.5％Zr，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。本优选方案获得的合金具有很高的延伸率，中等抗拉强度和屈服强度。

本发明镁合金通过以下工艺制备得到：(1)配料：按照配方质量百分比进行高纯镁，高纯锌，镁-钆中间合金和镁-锆中间合金等原材料进行配料。(2)熔炼：熔炼前将所有配料进行烘干，后放入常规电阻炉(或中频感应炉)内，在气体保护或溶剂覆盖保护熔炼条件下进行熔炼。(3)浇铸：将熔化了的金属液进行普通金属型浇注或进行半连续(连续)铸造，获得变形前的锭坏。(4)铸锭退火均匀化，消除铸锭的偏析。(5)挤压或轧制。

本发明具有实质性特点和显著的进步，本发明含有一种特殊强化相-准晶相，在变形过程中使得初生枝晶状准晶破碎，同时在基体内部析出弥散分布的二次细小准晶相，使得合金的强度得到提高；同时利用准晶和基体界面的良好结合性，使得合金在变形过程中能够有效的协同变形，缓解应力集中，阻滞裂纹的萌生和扩展，从而在提高合金强度的同时大地幅度改善了塑性变形能力。以Mg-6Zn-1Gd-0.5Zr(重量百分比)合金为例，经过挤压热变形后，合金的晶粒大小在5～7um之间，在基体内部和晶界析出100-500nm大小的准晶颗粒，合金的室温抗拉强度290MPa，屈服强度152MPa，延伸率达到25％，即新合金的强度达到AZ31变形镁合金的强度，塑性要比目前商用最好塑性变形镁合金AZ31(δ＝15％)显著提高，从而大幅度改善镁合金的变形能力，有利于拓展变形镁合金的应用范围。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

实施例1：

合金成分(重量百分比)：10％Zn，3.6％Gd，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

自生准晶增强的高塑性变形镁合金(挤压棒材)的制备工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配制合金，在中频感应炉中加入工业纯镁，同时采用FS₆0.5％/CO₂混合气体保护；(2)待纯镁完全熔化后，在720℃加入工业纯锌，镁-钆中间合金；(3)待合金完全熔化后，继续升高温度至720℃-740℃，然后保温静置30分钟，捞去表面浮渣后进行金属型浇铸，浇铸过程中在熔体上方通保护气体进行保护。(4)铸锭在400℃下均匀化处理14小时，(5)铸锭在370℃条件下进行挤压棒材，挤压变形前在370℃温度下保温1小时，模具温度为350℃，挤压筒温度为400℃，挤压比为11。本实例合金的平均晶粒大小为8μm，室温抗拉强度，屈服强度和延伸率分别为320Mpa，205MPa，20％。

实施例2：

合金成分(重量百分比)：2％Zn，3％Gd，0.4％Zr，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

准晶强化高塑性变形镁合金(挤压棒材)的制备工艺具体步骤如下：(1)按照上述成分配制合金，在中频感应炉中加入工业纯镁，同时采用FS₆0.5％/CO₂混合气体保护；(2)待纯镁完全熔化后，在720℃加入工业纯锌，镁-钆中间合金，最后添加镁-锆中间合金；(3)待合金完全熔化后，继续升高温度至730℃-750℃，然后保温静置30分钟，捞去表面浮渣后进行金属型浇铸，浇铸过程中在熔体上方通保护气体进行保护。(4)铸锭在400℃下均匀化处理18小时，(5)铸锭在380℃条件下进行挤压棒材，挤压变形前在380℃温度下保温1小时，模具温度为350℃，挤压筒温度为420℃，挤压比为11。本实例合金的平均晶粒大小为7μm，室温抗拉强度，屈服强度和延伸率分别为280MPa，158MPa，22％。

实施例3：合金成分(重量百分比)：6.0％Zn，1.0％Gd，0.5％Zr，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

准晶强化高塑性变形镁合金(管材)的制备工艺具体步骤如下：(1)按照上述成分配制合金，在中频感应炉中加入工业纯镁，同时采用FS₆0.5％/CO₂混合气体保护；(2)待纯镁完全熔化后，在720℃加入工业纯锌，镁-钆中间合金，最后添加镁-锆中间合金；(3)待合金完全熔化后，继续升高温度至730℃-750℃，然后保温静置30分钟，捞去表面浮渣后进行金属型浇铸，浇铸过程中在熔体上方通保护气体进行保护。(4)铸锭在380℃下均匀化处理10小时，(5)铸锭在360℃条件下进行挤压管材，挤压变形前在360℃下保温1小时，模具温度为355℃，挤压筒温度为380℃，挤压比为23.5。本实例合金的晶粒大小为6μm，室温抗拉强度，屈服强度和延伸率分别为290MPa，152MPa，25％。

实施例4：合金成分(重量百分比)：3.6％Zn，1.0％Gd，0.4Zr，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

准晶强化高塑性变形镁合金(板材)的制备工艺具体步骤如下：(1)按照上述成分配制合金，在中频感应炉中加入工业纯镁，同时采用FS₆0.5％/CO₂混合气体保护；(2)待纯镁完全熔化后，在720℃加入工业纯锌，镁-钆中间合金；最后添加镁-锆中间合金，(3)待合金完全熔化后，继续升高温度至730℃-750℃，然后保温静置30分钟，捞去表面浮渣后进行金属型浇铸，浇铸过程中在熔体上方通保护气体进行保护。(4)铸锭在400℃下均匀化处理10小时，在400℃下保温30分钟，然后循环轧制8道次，每道次的压缩比为15％，在每道次轧制前加热10分钟。本实例合金的平均晶粒大小为6μm，室温抗拉强度，屈服强度和延伸率分别为284MPa，147MPa，26％。

Claims (2)

1.一种自生准晶增强的高塑性变形镁合金，其特征在于，组分及重量百分比为：2-10％Zn，0.1-5％Gd，0-1.0％Zr，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。

2.根据权利要求1所述的自生准晶增强的高塑性变形镁合金，其特征是，组分及重量百分比为：3-7％Zn，0.5-3％Gd，0-0.5％Zr，杂质元素Fe＜0.005％，Ni＜0.002％，其余为Mg。