CN101956111B - 加Sc强化ZK60镁合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加Sc强化ZK60镁合金的方法，通过在ZK60镁合金中加入稀土元素Sc来实现，具体方法包括熔炼制锭－均匀化－热挤压－热处理等步骤。由于Sc的加入，有效地细化了ZK60镁合金的晶粒，晶间网状析出相变得细小、且分布均匀，并在晶界处形成细小弥散的颗粒状析出相，经均匀化、挤压和热处理后，合金的抗拉强度可达364MPa，屈服强度可达352MPa，屈强比接近于1，与普通ZK60合金相比，抗拉强度和屈服强度分别提高了39MPa和67MPa，显著的提高了ZK60镁合金的抗拉强度和屈服强度，拓宽了ZK60镁合金的工业化应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种加Sc强化ZK60镁合金的方法，属于金属材料类及冶金领域。
背景技术
镁及镁合金在工程应用金属结构材料中是最轻质的材料，它具有密度小、比强度高、比刚度高、铸造性能好、减震性好、抗磁性好、易于切削加工和尺寸稳定性高等优点，在航空、交通和电子等领域有很好的应用前景。
在变形镁合金中，ZK60镁合金作为Mg-Zn-Zr系变形镁合金的典型代表，具有良好的强度、塑性及耐蚀性的配合，其比强度己经超过了部分高强度铝合金，但其强度和塑性在应用场合仍然不能满足要求。目前，主要是通过向其加入如Nd、Y、Ce、Er等稀土元素来改善ZK60镁合金的强度及塑性。如王斌等研究了稀土Y和Ce对ZK60镁合金组织和力学性能的影响，研究指出稀土Y使ZK60合金的室温抗拉强度提高了12.6%，Ce则提高了ZK60合金的伸长率。尽管目前国内外在稀土元素对ZK60镁合金组织及性能的影响方面做了一定的研究，但因其综合力学性能暂不能满足应用领域的较高要求而不能推广应用。所以，有必要通过添加其他合金元素等方法来改善ZK60镁合金的力学性能。稀土Sc的密度比其他稀土元素低，能体现镁合金的低密度特性，且Sc在镁中的最大固溶度为25.9%(wt)，具有很强的固溶强化和时效强化能力。截止目前，稀土Sc对ZK60镁合金组织和力学性能影响的研究还未见相关文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有ZK60镁合金因强度和塑性不高而应用受到限制这一不足，提出通过添加稀土Sc元素来改善其力学性能，从而加快ZK60镁合金的工业化应用。
为了实现上述目的，本发明提出一种加Sc强化ZK60镁合金的方法，包括熔炼制锭－均匀化－热挤压－热处理等步骤。
本发明涉及的含Sc的ZK60镁合金，按重量百分比包括以下成份：Zn 5.8～6.0％，Zr 0.6～0.8％，Sc 0.1～0.9％，余量为Mg和不可避免的杂质。
进一步，按重量百分比包括以下成份：Zn 5.8％，Zr 0.7％，Sc 0.6％，余量为Mg和不可避免的杂质。
本发明提出的加Sc强化ZK60镁合金的方法，包括以下步骤：
a）熔炼制锭：在溶剂保护下，将一定重量的高纯Mg锭放入坩埚中待熔化后升温至740~760℃，按相应成分配比加入纯Zn、Mg-3%Sc，Mg-30%Zr中间合金；加入方法：将纯Zn、Mg-3%Sc，Mg-30%Zr中间合金在150~200℃下预热20~30分钟，用瓢迅速将其压入熔融液面以下待熔化后搅拌，加入精炼剂精炼5~10分钟后，搅拌合金熔体并在720~740℃静置15~20分钟，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，在250~300℃的铁模内进行浇铸，浇铸温度在700~720℃。
b）均匀化：将步骤a）制得的铸锭在380~390℃温度条件下进行均匀化处理，保温时间为16小时；
c）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭在400℃预热2小时，挤压温度为400℃，挤压速度为0.93~1.32m/min，挤压比为25:1；
d）热处理：对热挤压后所得的棒材进行T6热处理，固溶温度为450℃，用石墨粉覆盖保护，保温3小时后水冷，在180℃温度下时效24小时空冷至室温。
本发明采用Sc强化ZK60镁合金的机理在于：Sc在镁合金中的最大固溶度为25.9%(wt)，具有很强的固溶强化和时效强化能力。此外，由于Sc原子半径与镁相差不大，有利于增强与镁合金原子间的结合力，减少原子扩散速度。Sc加入到ZK60合金中，有效地细化了合金的晶粒，晶间网状析出相变得细小、且分布均匀，并在晶界处形成细小弥散的颗粒状析出相，从而使得合金屈服强度和抗拉强度提高。
发明的有益效果：本发明提出的加Sc强化ZK60镁合金的方法，通过熔炼制锭－均匀化处理－热挤压－热处理步骤制备出含Sc的ZK60镁合金，经热挤压后，合金的抗拉强度可达350MPa，屈服强度可达290MPa，与普通ZK60合金相比，抗拉强度和屈服强度分别提高了23MPa和55MPa；挤压棒材经T6态热处理后，合金的抗拉强度可达364MPa，屈服强度可达352MPa，与普通ZK60合金相比，抗拉强度和屈服强度分别提高了39MPa和67MPa，显著的提高了材料的抗拉强度和屈服强度，充分挖掘了镁合金材料的使用潜力。
附图说明
图1a为本发明不同Sc含量挤压态（a）ZK60-xSc镁合金的室温拉伸曲线。
图1b为本发明不同Sc含量T6态（b）ZK60-xSc镁合金的室温拉伸曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
本实施例的含Sc的ZK60镁合金按重量百分比包括以下成份：Zn 5.9％，Zr 0.5％，Sc 0.1％，余量为Mg。
实施例2：
本实施例的含Sc的ZK60镁合金，按重量百分比包括以下成份：Zn 6.0％，Zr 0.6％，Sc 0.2％，余量为Mg。
实施例3：
本实施例的含Sc的ZK60镁合金，按重量百分比包括以下成份：Zn 6.0％，Zr 0.8％，Sc 0.4％，余量为Mg。
实施例4：
本实施例的含Sc的ZK60镁合金，按重量百分比包括以下成份：Zn 5.8％，Zr 0.7％，Sc 0.6％，余量为Mg。
实施例5：
本实施例的含Sc的ZK60镁合金，按重量百分比包括以下成份：Zn 6.0％，Zr 0.8％，Sc 0.9％，余量为Mg。
实施例6:
制备权利所述的含Sc 的ZK60镁合金的方法，包括以下步骤：
a）熔炼制锭：在溶剂保护下，将一定重量的高纯Mg锭放入坩埚中待熔化后升温至750℃(或740℃、760℃)，按实施例1-5之任意一例的成分配比加入纯Zn、Mg-3%Sc，Mg-30%Zr中间合金；加入方法：将纯Zn、Mg-3%Sc，Mg-30%Zr中间合金在180℃（或150℃ 、200℃）下预热20分钟，用瓢迅速将其压入熔融液面以下待熔化后搅拌，加入精炼剂精炼5分钟后，搅拌合金熔体并在720℃（或740℃）静置15分钟，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，在250~300℃的铁模内进行浇铸，浇铸温度在720℃（或700℃）。
b）均匀化：将步骤a）制得的铸锭在390℃（或380℃）温度条件下进行均匀化处理，保温时间为16小时；
c）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭在400℃预热2小时，挤压温度为400℃，挤压速度为0.93~1.32m/min，挤压比为25:1；
d）热处理：对热挤压后所得的棒材进行T6热处理，固溶温度为450℃，用石墨粉覆盖保护，保温3小时后水冷，在180℃温度下时效24小时空冷至室温。
图1为本发明不同状态的ZK60-xSc合金的室温拉伸曲线，结果表明，ZK60镁合金中加入Sc元素后，合金的屈服强度、抗拉强度分别提高，但延伸率有所降低。挤压态时，随Sc加入量的增加，合金的抗拉强度、屈服强度均升高，但延伸率有所下降(图1a)。挤压经T6处理后(图1b)，随Sc加入量的增加，合金的抗拉强度、屈服强度升高，其中屈服强度增幅较大，最大增幅为67MPa，但延伸率随Sc加入量的增加有所下降。
表1 合金的力学性能
| 合金 | 抗拉强度 | 增幅 | 屈服强度 | 增幅 |
| ZK60+0.6Sc | 364 | 12.0% | 352 | 23.5% |
| ZK60+0.4Sc | 359 | 10.5% | 350 | 22.8% |
| ZK60+0.2Sc | 348 | 7.1% | 334 | 17.2% |
| ZK60 | 325 | - | 285 | - |
表1为本发明实施例2~4合金挤压态经T6热处理后的室温力学性能，为便于比较，同时给出了与本实施例相同状态下ZK60的力学性能。
由表1可见合金经T6处理后，合金的抗拉强度达364MPa，屈服强度达352MPa，屈强比接近于1，与ZK60合金相比，抗拉强度和屈服强度分别提高了12.0%和23.5%。这些显示了本发明（实施例1~5）的合金具有较高的抗拉强度和屈服强度，同时，本发明（实施例1~5）提高了合金的屈强比，使材料具有优异的性能。分析研究合金铸态组织表明，铸态ZK60合金由粗大的等轴晶组成，铸态合金晶粒晶界处有一定数量的网状化合物相，在晶界附近有Zr的偏聚区。随着Sc加入量的增加，晶粒大小明显变小，晶间网状析出相变得细小、断续、分布均匀，晶界处有分布均匀的颗粒相出现，并且偏聚区消失。经挤压变形后，合金发生了不同程度的动态再结晶，出现混晶组织，且动态再结晶晶粒细小，并随Sc加入量的增加，晶粒越来越小。挤压变形使得合金中的未溶第二相破碎，分布在基体及晶界上，基体会在第二相周围产生较大的变形，积蓄较大的储能，从而有利于再结晶形核，同时细小弥散的稀土相热稳定性比较高，可有效阻碍再结晶晶粒长大，可以获得细小的再结晶晶粒。观察不同Sc含量的镁合金T6处理态显微组织结果显示，添加Sc元素的ZK60合金的晶粒明显比ZK60合金的晶粒细小，显然，Sc元素的加入有效地抑制了再结晶晶粒的长大，Sc元素在镁中固溶度达25.9%(wt)，经过T6处理后，析出相减少，产生强化作用。本发明的含Sc的ZK60变形镁合金具有高的屈服强度，抗拉强度，且其塑性不低于应用要求，具有良好的应用前景。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种加Sc强化ZK60镁合金的方法，所述方法通过在ZK60镁合金中加入稀土元素Sc来实现，合金按重量百分比包括以下成份：Zn 5.8～6.0％，Zr 0.6～0.8％，Sc 0.1～0.9％，余量为Mg；包括以下步骤：
a）熔炼制锭：在熔剂保护下，将Mg锭放入坩埚中待熔化后升温至740~760℃，按成分配比关系加入纯Zn、Mg-3%Sc，Mg-30%Zr中间合金；加入方法：将纯Zn、Mg-3%Sc，Mg-30%Zr中间合金在150~200℃下预热20~30分钟，用瓢迅速将其压入熔融液面以下待熔化后搅拌，加入精炼剂精炼5~10分钟后，搅拌合金熔体并在720~740℃静置15~20分钟，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，在250~300℃的铁模内进行浇铸，浇铸温度在700~720℃；
b）均匀化：将步骤a）制得的铸锭在380~390℃温度条件下进行均匀化处理，保温时间为16小时；
c）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭在400℃预热2小时，挤压温度为400℃，挤压速度为0.93~1.32m/min，挤压比为25:1；
d）热处理：对热挤压后所得的棒材进行T6热处理，固溶温度为450℃，用石墨粉覆盖保护，保温3小时后水冷，在180℃温度下时效24小时空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的加Sc强化ZK60镁合金的方法，其特征在于：合金按重量百分比包括以下成份：Zn 5.8％，Zr 0.7％，Sc 0.6％，余量为Mg。
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