CN101787471B

CN101787471B - 一种低稀土高强度镁锂合金及其制备方法

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Publication number: CN101787471B
Application number: CN2010101031738A
Authority: CN
Inventors: 徐春杰; 孟令楠; 张忠明
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: CN101787471A

Abstract

本发明公开的一种低稀土的镁锂合金，其重量百分比合金组成为：5.5％～11％的Li，1％～5％的Zn，1％～5％的Ca，0％～2％的RE，其余为Mg。采用抽真空后氩气保护的方法熔铸合金，再将得到的铸态镁合金锭在气体保护条件下进行热处理，再将该合金挤压或轧制温变形加工，即得到变形加工后的镁合金。本发明提供一种低稀土含量、密度低于1.6g/cm³的镁锂合金，该镁合金不仅有高强度，还具有高的塑性和韧性，能够满足室温变形加工薄板类材料对强度和塑性性能指标的要求。

Description

一种低稀土高强度镁锂合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及冶金技术领域，涉及一种合金，尤其涉及一种低稀土的镁锂合金。

背景技术

镁合金具有低比重、高比强度和比刚度，镁锂合金是近几年发展的具有较好塑性变形能力的新型超轻合金，但由于在剧烈变形过程中连续的bcc结构的富锂β相变形硬化强化效果非常有限，富锂β相强度极低。因此，在室温条件下的强度极低，通常镁锂合金的抗拉强度低于100MPa，这大大限制了此类合金的广泛应用。如何保证在基体晶体结构转变成富锂β相与富镁α相混合组织以后，合金既具有良好塑性又具有较高强度，是该研究领域主要的技术问题。一些科研人员常采用合金化方法，试图通过加入合金元素以提高镁锂合金的强度指标，张密林等公开的专利《一种高强度的镁锂合金》(申请号：200710144339.9，公开号：CN101121981，公开日：2008.02.13)中采用Al、Zn、Ce作为强化元素，制备的合金抗拉强度达到245～300MPa，屈服强度为230～280MPa，延伸率为10～25％，密度为1.35～1.62g/cm³；周铁涛等人公开的专利《一种含锂镁合金材料及其制备方法》(申请号：200410096186.1，公开号：CN1605650，公开日：2005.04.13)中采用Al、Zn、Zr、RE等作为强化元素，制备的合金抗拉强度达到180～280MPa，密度为1.31～1.60g/cm³。这些对比文件中所涉及的合金均具有较高的强度和较低的密度。尽管Al是强化效果较好的元素，但是Al量的增加随获得Mg₁₇Al₁₂相数量的增加会大幅度降低合金的塑性，尽管随着Al量的增加可以产生时效强化特性，但更容易产生过时效现象，并且随着Al量的增加，过时效出现时间提前，由过时效产生的性能下降相对增加。尽管众多研究者采用稀土细化镁合金的晶粒，提高合金的综合力学性能获得了极优异的效果。但是，稀土元素是目前比较昂贵的稀有金属，因此稀土元素的增加必然增加合金的生产成本，不利于镁锂合金的推广应用。另外，由于Li是非常活泼的金属，镁中加入锂元素后，合金的抗腐蚀能力大大降低。

发明内容

为了解决现有的镁锂合金材料强度差问题，本发明的目的在于提供一种低稀土高强度的镁锂合金，密度低于1.6g/cm³，该镁合金不仅具有高强度，还具有高塑性变形能力的镁锂合金。

本发明的另一目的在于提供上述镁合金材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种低稀土高强度镁锂合金，按重量百分比其组成为：5.5％～11％的Li，1％～5％的Zn，1％～5％的Ca，0％～2％的RE，其余为Mg，控制杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％。

本发明所采用的另一技术方案是，上述镁合金的制备方法，分别取镁锂中间合金、镁钙中间合金、镁稀土中间合金、工业纯镁锭以及工业纯锌在真空电阻炉中进行熔铸合金，熔铸过程为：首先将各金属锭表面去污后置于坩埚中，将工业纯锌置于工业纯镁锭中的钻孔内，然后将真空电阻炉抽真空后充入氩气，反复3次，最后再充入氩气至1atm，加热熔炼过程在氩气保护条件下进行待所有金属熔化后采用氩气气体搅拌该合金液5-15分钟，当合金液温度为720℃～740℃时将熔体浇入水冷铜铸型中，得到铸态镁合金锭，使铸态镁合金锭的重量百分比为：Li为5.5％～11％，Zn为1％～5％，Ca为1％～5％，RE为0％～2％，其余为Mg；

将得到的铸态镁合金锭在CO₂+0.5％SF₆或氩气气体保护条件下，在300℃～355℃条件下进行热处理，然后将该镁合金锭在150℃～300℃条件下进行挤压或轧制加工，得到变形加工后的镁合金。

本发明在加入密度仅为0.54g/cm³的Li元素获得连续bcc结构的富锂β相与hcp结构的富镁α相以提高镁合金的塑性变形能力的基础上，加入Zn、Ca和微量的稀土元素，在富锂β相中获得强化相粒子，以此来解决该镁合金在后续的变形加工过程中富锂β相变形硬化强化效果非常有限的问题，达到固溶及沉淀强化富锂β相的目的，同时Ca和微量稀土元素的加入可以达到细化晶粒的目的。尽管这样会牺牲该合金的部分塑性，但可以获得高强度的镁锂合金。另外，Ca是镁合金中常用的合金元素，常用作阻燃镁合金的添加元素。由于Li元素是非常活泼的元素，极易和氧元素发生反应，因此在镁锂合金中引入Ca元素，不仅可以获得强化相粒子提高合金的强度，同时可以提高合金熔炼过程中的阻燃性，并可以提高该镁锂合金抗氧腐蚀能力。微量稀土元素的加入可以细化该合金的晶粒，达到提高强度的目的，同时，可以降低合金的成本。

本发明的低稀土高强韧镁锂合金，室温条件下，抗拉强度：200～260MPa，屈服强度：190～230MPa，伸长率≥20％，密度≤1.6g/cm³；120℃条件下，抗拉强度≥150MPa，屈服强度≥130MPa，伸长率≥25％。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明的镁锂合金材料，按重量百分比其组成为：5.5％～11％的Li，1％～5％的Zn，1％～5％的Ca，0％～2％的RE，其余为Mg，控制杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％。

采用抽真空后氩气保护的方法熔铸合金，各组分分别为镁锂中间合金、镁钙中间合金、镁稀土中间合金、工业纯镁锭以及工业纯锌，其中工业纯镁锭和工业纯锌的纯度均≥99.8％。熔铸合金在真空电阻炉中进行。熔铸过程为：首先将各金属锭表面去污后置于坩埚中，依次为工业纯镁锭、镁锂中间合金、镁钙中间合金、镁稀土中间合金，工业纯锌置于在工业纯镁锭中的钻孔内，然后将真空电阻炉抽真空后充入氩气，反复3次，最后再充入氩气至1atm，加热熔炼过程在氩气保护条件下进行待所有金属熔化后采用氩气气体搅拌该合金液5-15分钟，当合金液温度为720～740℃时将熔体浇入水冷铜铸型中，得到铸态镁合金锭，使铸态镁合金锭的重量百分比为：Li为5.5％～11％，Zn为1％～5％，Ca为1％～5％，RE为0％～2％，其余为Mg；

将得到的铸态镁合金锭在(CO₂+0.5％SF₆)或氩气气体保护条件下，在300℃～355℃条件下进行热处理，然后将该镁合金锭在150℃～300℃条件下进行挤压或轧制加工，得到变形加工后的镁合金。

实施例1：

本发明的高强超韧低密度超轻镁合金，按重量百分比其组成为：Li：7％，Zn：4％，Ca：2％，控制杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％，其余为Mg。熔铸合金在真空电阻炉中进行。首先各金属锭表面去污后置于坩埚中，然后将真空电阻炉抽真空后充入氩气，反复3次，最后再充入氩气至1atm，加热熔炼过程在氩气保护条件下进行。金属熔体采用纯钛管引入氩气气体搅拌10分钟，720℃时将熔体浇入水冷铜铸型中，得到铸态镁合金锭。所得到的铸态镁合金锭在氩气保护条件下，在300℃条件下进行热处理，然后将该镁合金锭在260℃条件下进行挤压加工成型材。拉伸性能试验在分别在室温电子万能试验机和控温电子万能试验机上进行。

所得的镁合金在室温条件下，抗拉强度：223MPa，屈服强度：193MPa，伸长率：24％，密度：1.54g/cm³；120℃条件下，抗拉强度：177MPa，屈服强度：151MPa，伸长率：41％。

实施例2：

本发明的高强超韧低密度超轻镁合金，按重量百分比其组成为：Li：8.2％，Zn：5％，Ca：3％，Nd：1％，控制杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％，其余为Mg。熔铸获得铸态镁合金锭条件同实施例1。所得到的铸态镁合金锭在氩气保护条件下，在310℃条件下进行热处理，然后将该镁合金锭在255℃条件下进行挤压加工成2mm的板材。拉伸性能试验在分别在室温电子万能试验机和控温电子万能试验机上进行。

所得的镁合金在室温条件下，抗拉强度：247MPa，屈服强度：221MPa，伸长率：23％，密度：1.52g/cm³；120℃条件下，抗拉强度：198MPa，屈服强度：161MPa，伸长率：33％。

实施例3：

本发明的高强超韧低密度超轻镁合金，按重量百分比其组成为：Li：6.8％，Zn：2％，Ca：4.5％，Y：1％，控制杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％，其余为Mg。熔铸获得铸态镁合金锭条件同实施例1。所得到的铸态镁合金锭在氩气保护条件下，在300℃条件下进行热处理，然后将该镁合金锭在265℃条件下进行挤压加工成1mm的板材。拉伸性能试验在分别在室温电子万能试验机和控温电子万能试验机上进行。

所得的镁合金在室温条件下，抗拉强度：252MPa，屈服强度：219MPa，伸长率：23％，密度：1.53g/cm³；120℃条件下，抗拉强度：189MPa，屈服强度：159MPa，伸长率：34％。

实施例4：

本发明的高强超韧低密度超轻镁合金，按重量百分比其组成为：Li：5.5％，Zn：1％，Ca：5％，Nd：2％，控制杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％，其余为Mg。熔铸合金在真空电阻炉中进行。首先各金属锭表面去污后置于坩埚中，然后将真空电阻炉抽真空后充入氩气，反复3次，最后再充入氩气至1atm，加热熔炼过程在氩气保护条件下进行。金属熔体采用纯钛管引入氩气气体搅拌5分钟，730℃时将熔体浇入水冷铜铸型中，得到铸态镁合金锭。所得到的铸态镁合金锭在氩气保护条件下，在355℃条件下进行热处理，然后将该镁合金锭在300℃条件下进行挤压加工成型材。拉伸性能试验在分别在室温电子万能试验机和控温电子万能试验机上进行。

所得的镁合金在室温条件下，抗拉强度：254MPa，屈服强度：221MPa，伸长率：21％，密度：1.57g/cm³；120℃条件下，抗拉强度：193MPa，屈服强度：151MPa，伸长率：29％。

实施例5：

本发明的高强超韧低密度超轻镁合金，按重量百分比其组成为：Li：11％，Zn：5％，Ca：1％，控制杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％，其余为Mg。熔铸合金在真空电阻炉中进行。首先各金属锭表面去污后置于坩埚中，然后将真空电阻炉抽真空后充入氩气，反复3次，最后再充入氩气至1atm，加热熔炼过程在氩气保护条件下进行。金属熔体采用纯钛管引入氩气气体搅拌15分钟，740℃时将熔体浇入水冷铜铸型中，得到铸态镁合金锭。所得到的铸态镁合金锭在氩气保护条件下，在320℃条件下进行热处理，然后将该镁合金锭在150℃条件下进行挤压加工成型材。拉伸性能试验在分别在室温电子万能试验机和控温电子万能试验机上进行。

所得的镁合金在室温条件下，抗拉强度：214MPa，屈服强度：187MPa，伸长率：39％，密度：1.44g/cm³；120℃条件下，抗拉强度：171MPa，屈服强度：153MPa，伸长率：47％。

Claims

1.一种低稀土高强度镁锂合金，其特征在于：按重量百分比其组成为：5.5％的Li，1％的Zn，5％的Ca，2％的Nd，其余为Mg，控制杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％。

2.按照权利要求1所述镁锂合金的制备方法，其特征在于，分别取镁锂中间合金、镁钙中间合金、镁稀土中间合金、工业纯镁锭以及工业纯锌在真空电阻炉中进行熔铸合金，熔铸过程为：首先将各金属锭表面去污后置于坩埚中，将工业纯锌置于工业纯镁锭中的钻孔内，然后将真空电阻炉抽真空后充入氩气，反复3次，最后再充入氩气至1atm，加热熔炼过程在氩气保护条件下进行，待所有金属熔化后采用氩气气体搅拌该合金液5-15分钟，当合金液温度为720℃～740℃时将熔体浇入水冷铜铸型中，得到铸态镁锂合金锭，使铸态镁锂合金锭的重量百分比为：5.5％的Li，1％的Zn，5％的Ca，2％的Nd，其余为Mg，控制杂质元素Fe＜0.005％，Cu＜0.002％，Ni＜0.002％；

将得到的铸态镁锂合金锭在CO₂+0.5％SF₆或氩气气体保护条件下，在300℃～355℃条件下进行热处理，然后将该镁锂合金锭在150℃～300℃条件下进行挤压或轧制加工，得到变形加工后的镁锂合金。