CN101476073B - 一种细晶粒高强变形镁合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有稳定细晶粒组织和高强度的变形镁合金材料，该合金各组份的重量百分比为锌8.5％～9.5％、锆0.4～0.8％、稀土铒0.4％～4.0％，其余为镁和不可避免的杂质。该合金材料不需要施加特殊的工艺措施，如等通道挤压、快速冷却等，在普通工业化挤压、轧制、锻造等变形加工设备上变形加工，即可获得尺寸在2～10μm的稳定细小晶粒组织，并且通过合适的热处理可以有效调整材料的强度、塑性、加工硬化指数等力学性能指标，满足成品或半成品的使用性能和加工性能要求。

Description

一种细晶粒高强变形镁合金材料

技术领域

本发明涉及一种镁合金材料，尤其涉及一种具有稳定细晶粒组织和高强度的变形镁合金。属于金属材料技术领域。

背景技术

镁合金是最轻的工业结构材料，近年来在3C、航空航天、交通运输等行业受到愈来愈广泛的关注。但是，镁合金的发展应用远不及铝合金，其主要原因有两点：第一，镁的绝对强度不足；第二，镁的塑性变形能力差，还无法满足许多工业产品和设备的要求。众所周知，在金属材料强化机制当中，仅晶粒细化既可以提高材料的强度同时又提高材料的塑性。目前，晶粒细化方式有两大类，一类是铸态晶粒细化，即在铸造成型过程中，通过向液态金属中添加晶粒细化剂，如碳类变质剂(MgCO₃、CaCO₃、C₂C1₆)、Mg-Zr中间合金等，或对熔体施加物理作用力，使合金凝固结晶时形成细小晶粒的铸态组织，但是其晶粒细化效果有限；另一类是动态再结晶晶粒细化，即在热变形过程中通过再结晶生成细小无畸变的新晶粒。镁的层错能低，易于发生动态再结晶，实践表明可以有效细化晶粒。但是目前应用的商业镁合金，其热变形细晶组织稳定性不够好，在热加工后冷却到室温的过程中即有大的晶粒长大倾向，从而导致镁合金制品塑性降低。为了将热变形后的细晶组织保留下来，目前生产中普遍采用快速冷却方式；但是即便如此，由于热加工后的镁合金制品通常还需要经过后续的温、热加工或热处理来调整其内部组织、外型尺寸和性能等以满足不同的使用要求，在这些工序当中仍然将发生晶粒长大。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种具有稳定细晶粒组织和高强度的变形镁合金。

本发明的目的是这样实现的：一种细晶粒高强变形镁合金材料，其特征在于，所述镁合金由镁、锌、锆和稀土铒组成，其重量百分组成为锌8.5％～9.5％、锆0.4～0.8％、稀土铒0.4％～4.0％，其余为镁和不可避免的杂质。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1.本发明细晶粒高强变形镁合金材料中由于添加了稀土元素铒，铒与合金元素锌以及基体元素镁结合形成一定体积分数和大小的Mg-Zn-Er三元化合物相，该化合物相具有较高的熔点和热稳定性，在热变形过程中能够有效钉扎晶界，抑制再结晶晶粒长大，得到细小的热变形晶粒组织。

2.本发明与传统高强度变形镁合金相比，提高了合金元素锌的含量，弥补了因锌与稀土化合而导致的基体锌固溶度的降低，从而保证了足够数量的MgZn析出相和时效强化效果，使材料具有高强度。而且，含铒的一定体积分数和大小的高稳定性第二相诱发MgZn时效强化相在热变形过程中的动态析出，形成均匀细小的粒状弥散析出相，明显提高合金强度和塑性。

3.本发明的细晶变形镁合金具有很好的热稳定性，能有效抑制后续热机械处理中的化合物粗化和晶粒长大。

4.本发明的变形镁合金材料不需要施加特殊的工艺措施，如等通道挤压、快速冷却等，在普通工业化挤压、轧制、锻造等变形加工设备上变形加工，即可获得尺寸在2～10μm的细小晶粒组织。

5.本发明的细晶粒高强变形镁合金，可以根据成品或半成品的使用性能和加工性能要求，通过合适的热处理有效调整其强度、塑性、加工硬化指数等力学性能指标。

附图说明

图1是本发明细晶粒高强变形镁合金材料的合金挤压态组织的典型形貌照片，其中(a)为金相显微组织照片，(b)为扫描电子显微镜照片；

图2是本发明细晶粒高强变形镁合金材料的合金挤压后，经固溶时效热处理的组织的典型扫描电子显微镜照片；

图3是本发明细晶粒高强变形镁合金材料的合金挤压后固溶处理态在室温下的典型拉伸力学性能曲线。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：一种细晶粒高强变形镁合金材料，所述镁合金中各组份的重量百分比为锌8.7％、锆0.7％、铒0.5％，其余为镁和不可避免的杂质。

实施例2：一种细晶粒高强变形镁合金材料，所述镁合金中各组份的重量百分比为锌9.4％、锆0.6％、铒2.1％，其余为镁和不可避免的杂质。

实施例3：一种细晶粒高强变形镁合金材料，所述镁合金中各组份的重量百分比为锌8.5％、锆0.5％、铒4.0％，其余为镁和不可避免的杂质。

实施例4：一种细晶粒高强变形镁合金材料，所述镁合金中各组份的重量百分比为锌9.1％、锆0.6％、铒0.7％，其余为镁和不可避免的杂质。

本发明的细晶粒高强变形镁合金材料可以采用以下制备工艺来制取：按照上述实施例的成分配制合金，原材料为工业纯镁锭、工业纯锌锭、Mg-31％Zr中间合金和Mg-30％Er中间合金，采用半连续铸造法熔炼铸造。首先，在电阻坩埚炉中加热熔化工业纯镁，750℃左右打渣加入锌锭和镁锆中间合金，当全部熔化后搅拌2-5分钟，使合金成分均匀化，接着精炼4-8分钟、静置保温30分钟；然后，加入镁铒中间合金，熔化后搅拌均匀，加入精炼剂如RJ-4，精炼4-8分钟，静置保温30分钟，之后降温至720℃左右，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇注。将浇注获得的铸锭锯切车皮，之后在315℃均匀化处理20小时，然后进行挤压。挤压前铸锭在400℃预热90分钟，挤压比25，挤压速度1m/min。挤压后空冷至室温。

本发明实施例1～4挤压态棒材的室温力学性能如表1所示。

表1合金的力学性能

合金	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	延伸率(％)
				实施例1	362	307	23.0
实施例2	370	320	16.9
				实施例3	353	289	19.2
实施例4	371	318	21.8

由表1可以看出，本发明(实施例1～4)的合金与目前商业高强度变形镁合金ZK60相比，抗拉强度和屈服强度显著提高，而且具有优良的塑性。图1(a)为本发明细晶粒高强变形镁合金材料的合金热挤压后空冷至室温的典型组织形貌照片，照片显示合金具有细小的晶粒组织。图1(b)为扫描电镜形貌，其中1～2μm左右尺寸较大、体积分数较少的颗粒为稀土Er与Zn、Mg结合生成的Mg-Zn-Er三元化合物相；尺寸在纳米数量级的细小粒子为MgZn时效析出相。Mg-Zn-Er三元化合物具有较高的熔点和热稳定性，在热变形过程中可以稳定存在，其周围的高能应变区可以提供新相形核所需的能量，从而促进MgZn时效相的析出；而弥散分布的细小MgZn析出相具有明显的析出强化作用，并且这些均匀分布的细小粒子对基体塑性的割裂作用较小，在显著提高材料强度的同时，不会对塑性产生明显影响。本发明合金与ZK60合金相比，提高了锌含量，弥补了因锌与稀土化合而导致的基体锌固溶度的降低，从而保证了足够数量的MgZn析出相和时效强化效果，确保材料具有高强度。另外，高稳定性的Mg-Zn-Er三元相有效钉扎晶界，抑制晶粒长大，提高材料的热稳定性。图2是合金经410℃X1.5～2h+200℃X10h的固溶时效处理后的典型扫描电镜照片，照片显示化合物仍稳定存在，而晶粒仍为5～10μm的等轴细晶，表明组织具有很好的稳定性。图3是固溶处理态合金室温下的典型拉伸力学性能曲线。经过合适的后续热处理可以有效调整合金的强度、塑性、加工硬化指数等力学性能指标，图3显示合金抗拉强度仍高于330MPa，而延伸率进一步增加，为24％，加工硬化指数在0.20以上，表明合金具有优良的使用塑性和进一步塑性加工的能力，能够满足成品或半成品的使用性能和加工性能要求。

Claims (5)

1.一种细晶粒高强度变形镁合金材料，其特征在于，所述镁合金由镁、锌、锆和稀土铒组成，其重量百分组成为锌8.5％～9.5％，锆0.4％～0.8％，稀土铒0.4％～4％，其余为镁和不可避免的杂质；

其制备方法如下：按上述组份配制合金，原料为工业纯镁锭、纯锌锭、Mg-31％Zr中间合金和Mg-30％Er中间合金，采用半连续铸造法熔炼；即在电阻坩锅炉中加热熔化工业纯镁，750℃打渣加入锌锭和镁锆中间合金，当全部熔化后搅拌2-5分钟，使合金成分均匀化，接着精炼4-8分钟、静置保温30分钟；然后，加入镁铒中间合金，熔化后搅拌均匀，加入精炼剂RJ-4，精炼4-8分钟，静置保温30分钟，之后降温至720℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇注；将浇注获得的铸锭锯切车皮，之后在315℃均匀化处理20小时，然后进行挤压；挤压前铸锭在400℃预热90分钟，挤压比为25，挤压速度1m/min；最后空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的变形镁合金材料，其特征在于，所述镁合金中各组份的重量百分组成为锌8.7％，锆0.7％，稀土铒0.5％，其余为镁和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的变形镁合金材料，其特征在于，所述镁合金中各组份的重量百分组成为锌9.4％，锆0.6％，稀土铒2.1％，其余为镁和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的变形镁合金材料，其特征在于，所述镁合金中各组份的重量百分组成为锌8.5％，锆0.5％，稀土铒4.0％，其余为镁和不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的变形镁合金材料，其特征在于，所述镁合金中各组份的重量百分组成为锌9.1％，锆0.6％，稀土铒0.7％，其余为镁和不可避免的杂质。

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