CN101824570A - 一种az系列镁铍稀土合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种AZ系类镁铍稀土合金材料及其制备方法，属于合金领域。其特征是：稀土元素及铍元素质量百分数总含量控制在RE：0.05％～0.4％，Be：0.05％～0.3％，其余为AZ系类镁合金；制备方法是采用普通电阻炉熔化AZ系类镁合金和中间合金，调整炉温进行保温处理，保温时间达到后从炉子中取样进行快速炉前分析，检测成分是否合格；浇注轧制板材进行热轧和冷轧，经T4处理后制作力学试样，测定力学性能。本发明的优点是提高了AZ系类镁合金的力学性能，制得的铸锭析出相分布均匀，无网状、粗大片状的Mg₁₇Al₁₂相，合金熔炼工艺简便，无需特殊的处理工艺及合金加入方法，可在现有工业化生产设备上使用，具有工艺简便的特点，可以实现镁合金无保护气或熔剂保护熔炼，降低成本，减少保护气体对环境的污染和人体的伤害。

Description

一种AZ系列镁铍稀土合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种AZ系列镁铍稀土合金材料及其制备方法，属于合金领域。

背景技术

镁合金材料是目前结构金属材料应用中质量最轻的金属材料，它具有比重小，比强度高，比刚度高，导电、导热性能好，降噪和电磁屏蔽好，切削加工性能好，易于回收等多种优点，广泛应用在航空、航天、汽车制造、家电、电子信息产品中，成为21世纪最有应用前景的金属材料。目前应用最为广泛的有压铸行业应用的AZ91D和广泛应用在镁合金型材、板材中的变形镁合金AZ31和AZ61。然而镁合金材料的力学性能较低、抗高温氧化的性能较差，这严重制约了镁合金材料的应用和推广，目前国内外广泛开展了提高镁合金强度和耐高温性能的研究工作，欧美日等国家开展的高强度、耐高温镁合金材料研究处于较领先的地位，研制出的新型镁合金材料具有较高的力学性能和较好的抗高温氧化性，其中尤以添加铍元素来提高镁合金的抗高温性能，添加稀土元素来细化晶体，提高镁合金的综合力学性能，取得了较好的实验效果。目前已经制定出了标准牌号的稀土镁合金材料，并应用于工业化生产中，铍对镁合金材料提高高温性能的研究已经取得了突破性的进展，即将进入工业化生产和相关标准的制定中。

由于稀土元素在镁合金结晶过程中作为形核的异质核心，提高镁合金凝固时的结晶速率，加快镁合金的凝固过程，缩短凝固时间，这能够显著细化镁合金的组织，抑制镁合金晶粒的长大；同时由于部分稀土元素与镁具有相同的六方晶格，稀土元素的熔点高于镁合金的熔点，在降温结晶的过程中能够与镁形成共晶格，促进镁合金的快速结晶，形成成分过冷和温度过冷，能够极大的细化镁合金的组织，提高镁合金的强度和塑性；再者，稀土元素的活性大于镁元素，能够优先与镁合金中的杂质元素结合，形成富含稀土的杂质，上浮或下沉到熔液的顶部或底部，起到去除杂质，净化熔液的目的，杂质的减少有益于提高镁合金的强度和塑性；第四，稀土元素在镁合金凝聚结晶以后，富集在晶粒的边界，以钉扎的形式阻碍晶界的迁移，阻止晶粒在高温受热时长大，显著提高其强度。

铍元素也是六方晶格结构，也能够与镁形成共晶格结构，细化晶粒，提高镁合金的强度和塑性，不同的是铍元素的晶格和原子尺寸小于镁的晶格和原子尺寸，能够以替换、间隙的形式替换镁晶格中的原子或挤压进镁的晶格中，造成镁晶格的畸变，形成分子应力，而分子应力能显著提高材料的强度。铍的密度小于镁的密度，在镁合金熔炼时，能够上浮于镁合金熔液的表面，形成表面氧化铍薄膜，氧化铍的致密度大于1，能够形成致密的氧化膜，阻止氧进入镁合金熔体中，阻止镁合金的氧化；在镁合金处于高温状态时，镁合金中铍元素氧化以后的致密度大于氧化镁，体积尺寸小于氧化镁的尺寸，能填补氧化镁之间的空洞，阻碍氧气与镁合金基体的接触，提高镁合金材料的抗高温氧化性能。

发明内容

本发明的目的是为了提高AZ系类镁合金的力学性能，提供一种AZ系类镁铍稀土合金材料的成分及其制备方法。

本发明的一种AZ系列镁铍稀土合金材料的原材料采用：

AZ31、AZ61、AZ91D采用符合国家标准的材料，其各元素及杂质含量符合国标要求；铍元素采用镁铍中间合金或铝铍中加合金的形式加入，其合金成分为：镁铍合金铍含量在10％～20wt％之间，铝铍合金铍含量在15％～20wt％之间；镁稀土中间合金采用富含钇和铈的混合稀土中间合金，在混合稀土中间合金中钇含量大于75wt％，铈含量大于20wt％，其他稀土含量小于5wt％；纯镁采用镁含量大于99.95wt％的符合国标的纯镁。

AZ系列镁铍稀土合金材料的成分设计如下：

稀土元素及铍元素质量百分数总含量控制在RE：0.05％～0.4％，Be：0.05％～0.3％，其余为AZ系类镁合金(AZ31、AZ61、AZ91D)。

本发明的制备方法是：

(1)准备：Mg-Be或Al-Be中间合金、Mg-RE中间合金，中间合金的其他杂质元素含量按GB/T8735标准执行，如制造、配置或订购Mg-Be或Al-Be、Mg-RE中间合金；

(2)中间合金的加入：按一种AZ系列镁铍稀土合金材料的成分设计在工业用中频或工频感应熔化炉中将AZ系类镁合金(AZ31、AZ61、AZ91D)和Mg-Be、Mg-RE或AZ系类镁合金(AZ31、AZ61、AZ91D)、Al-Be和Mg、Mg-RE中间合金熔化，调整炉温进行保温处理，保温时间达到后从炉子中取样进行快速炉前分析，检测成分是否合格；

(3)加入中间合金的温度设计：中间合金的加入温度控制在680℃～720℃之间，保温20分钟以上；

(4)浇注温度控制在680℃～700℃之间，采用热轧和冷轧方式轧制，AZ61和AZ31镁铍稀土镁合金的总变形量在板坯厚度的25％以上，AZ91D不做变形处理；

(5)T4态均匀化热处理，工艺为：300℃～400℃之间，时间为30分钟，电阻炉加热，无需气体保护。

发明效果：

本发明的一种AZ系列镁铍稀土合金材料及其制备方法，技术特点之一是原材料来源广泛，采用符合国家标准的商业化镁合金材料，采用现行国家标准中间合金材料；技术特点之二是通过Be、RE的合金化科学配方设计，以及被镁合金行业广泛采用的中频或工频熔化保温炉，可以获得成分均匀、少烧损的高收得率的合金熔体，熔炼过程简便可靠。

采用本发明的镁铍稀土镁合金材料制造的铸锭具有组织细小、均匀的冶金组织，析出相均匀，无网状、粗大片状的Mg₁₇Al₁₂相；合金熔炼工艺简便，无需特殊的处理工艺及合金加入方法，具有工艺简便的特点。显著提高了AZ系类镁合金(AZ31、AZ61、AZ91D)的力学性能和抗高温氧化性能。

(1)制得的铸锭析出相分布均匀，无网状、粗大片状的Mg₁₇Al₁₂相，组织均匀，未添加Be和RE的镁合金组织含有网状及粗大片状的Mg₁₇Al₁₂相。

(2)合金熔炼工艺简便，无需特殊的处理工艺及合金加入方法，可在现有工业化生产设备上使用，具有工艺简便的特点。

(3)可以实现镁合金无保护气或熔剂保护熔炼，降低成本，减少保护气体对环境的污染和人体的伤害，无熔剂熔炼不会带入其它杂质元素；可以提高镁合金熔炼温度50℃左右，有利于镁合金的合金化熔炼；镁合金的抗拉强度在现有基础上提高10％以上，延伸率提高10％以上。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

(一)合金成分设计与控制

RE和Be的质量百分数控制在：RE：0.05％～0.4％，Be：0.05％～0.3％范围内，其余为AZ系类镁合金(AZ31、AZ61、AZ91D)。

(二)材料制造工艺

(1)准备：Mg-Be或Al-Be中间合金、Mg-RE中间合金，中间合金的其他杂质元素含量按GB/T8735标准执行，如制造、配置或订购Mg-Be或Al-Be、Mg-RE中间合金。

(2)中间合金的加入：按一种AZ系列镁铍稀土合金材料的成分设计在工业用中频或工频感应熔化炉中将AZ系类镁合金(AZ31、AZ61、AZ91D)和Mg-Be、Mg-RE或AZ系类镁合金(AZ31、AZ61、AZ91D)、Al-Be和Mg、Mg-RE中间合金熔化，调整炉温进行保温处理，保温时间达到后从炉子中取样进行快速炉前分析，检测成分是否合格。如不满足一种AZ系列镁铍稀土合金材料的成分设计的要求，则加材料调整。

(3)加入中间合金的温度设计：中间合金的加入温度控制在680℃～720℃之间，保温20分钟以上。

(4)浇注温度控制在680℃～700℃之间。采用热轧和冷轧方式轧制AZ61和AZ31镁铍稀土镁合金。

变形轧制工艺为：

预热温度：350℃～450℃，时间：1.5h，预热时采用电阻炉，无需气体保护。轧辊预热温度：150℃～250℃，轧辊表面涂刷：石墨+CCl₄溶液。

热轧：

第一次：板材下压量为板坯厚度的15～20％，温度：350℃～400℃，

第二次：板材下压量为板坯厚度的10％左右，温度：300℃～350℃，

第三次：板材下压量为板坯厚度的10％左右，温度：300℃～350℃，

退火处理：温度250℃～300℃，时间30分钟。

冷轧：

板材下压量为厚度的5～10％，温度：＜250℃，

总变形量控制在板材板坯厚度的25％以上。

(5)T4态均匀化热处理，工艺为：300℃～400℃之间，时间为30分钟，电阻炉加热，无需气体保护。

实施例1

本发明的一种AZ系列镁铍稀土合金材料及其制备方法，制造的AZ31镁铍稀土镁合金锭坯及变形材具有如下特点：

合金锭化学成分：

合金成分及含量见表1。

表1AZ31试验成分配方

锭坯(直径100mm)组织达到晶粒度近1级；

均匀化处理工艺为：300℃～400℃之间，时间为30分钟，电阻炉加热，无需气体保护。

变形轧制工艺为：预热温度：350℃～450℃，时间：1.5h，预热时采用电阻炉，无需气体保护。轧辊预热温度：150℃～250℃，轧辊表面涂刷：石墨+CCl4溶液。

热轧：

第一次：板材下压量为板坯厚度的15～20％，温度：350℃～400℃，

第二次：板材下压量为板坯厚度的10％左右，温度：300℃～350℃，

第三次：板材下压量为板坯厚度的10％左右，温度：300℃～350℃，

退火处理：温度250℃～300℃，时间30分钟。

冷轧：

板材下压量为厚度的5～10％，温度：＜250℃，

总变形量控制在板材板坯厚度的25％以上。

T4处理后力学性能，见表2。

表2AZ31镁铍稀土镁合金板材力学性能

实施例2

本发明的一种AZ系列镁铍稀土合金材料及其制备方法，制造的AZ61镁铍稀土镁合金锭坯及变形材具有如下特点：

合金锭化学成分：

合金成分及含量见表3。

表3AZ61试验成分配方

锭坯(直径100mm)组织达到晶粒度近1级；

均匀化处理工艺为：300℃～400℃之间，时间为30分钟，电阻炉加热，无需气体保护。

变形轧制工艺为：预热温度：350℃～450℃，时间：1.5h，

预热时采用电阻炉，无需气体保护。轧辊预热温度：150℃～250℃，轧辊表面涂刷：石墨+CCl4溶液。

热轧：

第一次：板材下压量为板坯厚度的15～20％，温度：350℃～400℃，

第二次：板材下压量为板坯厚度的10％左右，温度：300℃～350℃，

第三次：板材下压量为板坯厚度的10％左右，温度：300℃～350℃，

退火处理：温度250℃～300℃，时间30分钟。

冷轧：

板材下压量为厚度的5～10％，温度：＜250℃，

总变形量控制在板材板坯厚度的25％以上。

T4处理后力学性能，见表4。

表4AZ61镁铍稀土镁合金板材力学性能

实施例3

本发明的一种AZ系列镁铍稀土合金材料及其制备方法，制造的AZ91D镁铍稀土镁合金锭坯及变形材具有如下特点：

合金成分及含量见表5。

表5AZ91D试验成分配方

锭坯(直径100mm)组织达到晶粒度近1级；

T4处理后力学性能，见表6。

表6AZ91D镁铍稀土镁合金板材力学性能

Claims (3)

1.一种AZ系列镁铍稀土合金材料，其特征是：稀土元素及铍元素质量百分数总含量控制在RE：0.05％～0.4％，Be：0.05％～0.3％，其余为AZ系类镁合金，铍元素采用镁铍中间合金或铝铍中加合金的形式加入，其合金成分为：镁铍合金铍含量在10％～20wt％之间，铝铍合金铍含量在15％～20wt％之间；镁稀土中间合金采用富含钇和铈的混合稀土中间合金，在混合稀土中间合金中钇含量大于75wt％，铈含量大于20wt％，其他稀土含量小于5wt％。

2.根据权利要求1所述的AZ系列镁铍稀土合金材料，其特征是：AZ系类镁合金是AZ31、AZ61、AZ91D中的一种。

3.一种根据权利要求1所述的AZ系列镁铍稀土合金材料的制备方法，其特征是：

(1)准备：Mg-Be或Al-Be中间合金、Mg-RE中间合金；

(2)中间合金的加入：按AZ系列镁铍稀土合金材料的成分设计在工业用中频或工频感应熔化炉中将AZ系类镁合金和Mg-Be、Mg-RE中间合金或AZ系类镁合金和Al-Be、Mg、Mg-RE中间合金熔化，调整炉温进行保温处理，保温时间达到后从炉子中取样进行快速炉前分析，检测成分是否合格；

(3)加入中间合金的温度设计：中间合金的加入温度控制在680℃～720℃之间，保温20分钟以上；

(4)浇注温度控制在680℃～700℃之间，采用热轧和冷轧方式轧制，AZ61和AZ31镁铍稀土镁合金的总变形量在板坯厚度的25％以上，AZ91D不做变形处理；

(5)T4态均匀化热处理，工艺为：300℃～400℃之间，时间为30分钟，电阻炉加热，无需气体保护。