CN102051509A

CN102051509A - 高强韧耐热Mg—Al—RE—Mn变形镁合金及其板材的制备方法

Info

Publication number: CN102051509A
Application number: CN2010106168934A
Authority: CN
Inventors: 王建利; 王立民; 吴耀明; 王立东; 董含武; 李建平
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-05-11

Abstract

本发明涉及一种高强韧耐热Mg-Al-RE-Mn变形镁合金及其板材的制备方法，其材料组分包括铝、稀土、锰、杂质元素(硅、铁、镍、铜)和镁，制备方法为：将纯镁、纯铝铸锭、镁-锰(或铝-锰)中间合金、镁-稀土中间合金按设定成分配制，采用熔炼炉进行熔炼、精炼，然后浇铸成铸锭，在370～410℃进行均匀化处理然后水淬，塑性变形加工前在280～400℃保温一段时间后进行挤压、轧制或挤压+轧制，制成高强韧耐热Mg-Al-RE-Mn变形镁合金板材。本发明制备的变形镁合金及其板材既有高强韧、高耐热性，又具有良好的塑性和热加工性能，产品可作为轻质高强耐热的结构材料，满足航空、航天及民用车辆等对于轻质高强韧耐热变形镁合金材料的需求。

Description

高强韧耐热Mg—Al—RE—Mn变形镁合金及其板材的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料的制备技术领域，涉及一种变形镁合金及其板材的制备方法，特别是一种具有高强韧性和优异塑性加工性能的Mg-Al-RE-Mn变形镁合金及其板材的制备方法。

背景技术

镁合金是所有结构用金属材料中密度最低的，其密度值1.8g/cm³约为铝的2/3，钢的1/4。与其他金属材料相比，镁合金具有储量资源丰富(约占地壳质量的2.77％，在地壳表层储量居第6位)、密度小、比强度和比刚度高、加工焊接和阻尼性能优良以及尺寸稳定、电磁屏蔽和抗辐射能力强、价格低廉、可回收利用等优点，迄今它已成功应用于航空、汽车制造、交通、通讯和电子等诸多领域，被称为是“21世纪的绿色工程材料”。随着近年来国际能源的日趋紧张以及环境保护问题，对结构材料轻量化技术要求日益迫切，更是极大地刺激了镁合金的发展。在产品制造工艺方面，由于镁为六方密堆积晶体结构，其成形性较低，因此，镁合金的产品大部分使用铸造工艺来实现。

现有技术中，Mg-Al系镁合金如AZ91D、AM50、AM60等由于具有优异的铸造性能、抗腐蚀性能及中等的强度，目前已被广泛应用于生产仪表盘、方向盘、座椅等汽车零部件，是一个非常重要的合金系。Mg-Al系合金既包括铸造镁合金，又包括变形镁合金，是目前牌号最多、应用最广泛的合金系，其主要合金牌号有AZ31、AZ61、AZ81、AZ91(以上为Mg-Al-Zn系)、AM20、AM50、AM60(以上为Mg-Al-Mn系)、AS21、AS41、AS11(以上为Mg-Al-Si系)以及AE21、AE41、AE42、AE44(以上为Mg-Al-RE系)等。

与铸造镁合金相比，变形镁合金在晶粒尺寸上更细、成份上更均匀、内部组织更致密，产品尺寸精度和表面质量更高，所以变形镁合金比铸造镁合金不仅具有更高的强度和更大的延伸率，而且塑性成形得到的产品比较多样化，可以加工成管材、型材、板材和棒材等，并且可以通过材料结构的控制以及热处理工艺的应用，获得比铸造镁合金材料更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能，从而可以满足结构件更多样化的需求。因此，变形镁合金材料更具有发展前景和应用潜力。研究与开发新型变形镁合金，开发变形镁合金生产工艺，生产高质量的变形镁合金产品，对发展镁合金材料具有长远的影响，但目前本领域公知的变形Mg-Al系镁合金的种类很少，只有AZ31、AZ61及AZ81等。这些变形镁合金在制备过程中由于前期的均匀化处理使低熔点相β-Mg₁₇Al₁₂溶解到了基体中，然而当合金在高温服役时，β-Mg₁₇Al₁₂相会从过饱和固溶体中析出，并发生粗化和软化，从而降低了镁合金的强度和抗蠕变性能，限制了镁合金的使用范围；而具有较好耐热性能的Mg-Al-Si、Mg-Al-RE等合金，其塑性变形能力又非常差，这些因素都限制了Mg-Al系镁合金的使用范围。

发明内容

本发明的目的是针对现有镁合金存在存在的缺点，提供一种高强韧、耐热性好、塑性加工性能优良、易于工业化生产、可使产品在25℃～175℃长期使用的高强韧耐热Mg-Al-RE-Mn变形镁合金及其板材的制备方法，从而有效提高材料的室温和高温力学性能。

为实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：所述的Mg-Al-RE-Mn变形镁合金材料的组分物质由镁(Mg)、铝(Al)、稀土(RE，包括La、Ce、Nd、Sm、Gd、Y)、锰(Mn)、杂质元素组成，其重量百分含量为：

Al 2.0～9.5％，RE 0.5～4.0％，

Mn 0.1～0.8％，杂质元素总量＜0.02％，

其余为Mg，

所说的杂质元素为Si(硅)、Fe(铁)、Ni(镍)和Cu(铜)：

用于制备该Mg-Al-RE-Mn变形镁合金及其板材的方法包括以下步骤：

(1)按照Mg-Al-RE-Mn变形镁合金组分计算所需原料的重量，原料采用工业纯镁锭、工业纯铝锭、Mg-RE中间合金以及Mg-Mn中间合金，或采用工业纯镁锭、工业纯铝锭、Mg-RE中间合金以及Al-Mn中间合金；

(2)按照步骤(1)中计算出的原料重量，采用气体保护气氛在电阻炉中熔炼合金，熔炼温度为730℃～750℃；先在熔炼炉中加入工业纯镁锭，待镁锭完全熔化后，加入工业纯铝锭、Mg-RE中间合金以及Mg-Mn中间合金，或加入工业纯铝锭、Mg-RE中间合金以及Al-Mn中间合金，待所有原料完全熔化后进行搅拌，使合金成分均匀；然后使熔炼炉升温至760℃～780℃对合金进行精炼，边搅拌边加入国家标准5号熔剂，精炼时间为5～8分钟，精炼完后在730℃～750℃保温静置10～20分钟，然后将熔融的镁合金精炼料浇铸到预热温度为200～300℃的铁模具中，浇铸温度为700℃～730℃；

(3)塑性变形前，将铸件在370℃～410℃温度范围内进行均匀化处理，然后进行水淬，均匀化处理时间为16～24小时，得高强韧耐热Mg-Al-RE-Mn变形镁合金坯件；

(4)板材制备：

将经均匀化处理过的坯件置入加热炉中，在280℃～400℃温度范围内进行预热，然后通过挤压机对热坯件进行塑性变形，得到挤压板材，挤压比为10～30，挤压速度为4m/min，在挤压机出口处对挤出板材进行流水冷却；或

将经均匀化处理过的坯件置入加热炉中，在280℃～400℃温度范围内进行预热，然后通过轧制机对热坯件进行4～6道次轧制塑性变形，得到轧制板材，轧制变形总压下量为60％～80％，轧制速度为2m/min，终轧后的板材在空气中自然冷却；或

将经均匀化处理过的坯件置入加热炉中，在280℃～400℃温度范围内进行预热，然后通过挤压机对热坯件进行塑性变形，得到挤压板材，挤压比10～30，挤压速度为4m/min；在挤压机出口处对挤出材料进行流水冷却后，再将得到的挤压板材在280℃～400℃温度范围内进行预热，然后通过轧制机对热坯件进行4～6道次轧制塑性变形，得到轧制板材，轧制变形过程将轧辊加热到轧制变形温度，轧制变形总压下量为60％～80％，轧制速度为1m/min，终轧后的板材在空气中自然冷却。

本发明的实现还在于：用于熔炼镁合金的保护气氛采用六氟化硫和氩气的混合气体(SF₆+CO₂)或六氟化硫和二氧化碳的混合气体(SF₆+Ar)，其中六氟化硫(SF₆)的体积分数为1％，余量体积分数的气体为氩气(Ar)或二氧化碳气体(CO₂)。

本发明的实现还在于：合金材料中各杂质元素所占的重量百分含量为：

Si＜0.007％，Fe＜0.005％，

Ni＜0.005％，Cu＜0.005％。

本发明采用的工业纯镁锭中镁含量的质量分数大于99.9％；采用的工业纯铝锭中铝含量的质量分数大于99.9％；采用的Mg-Mn中间合金中Mg的质量分数为98％，Mn的质量分数为2％；采用的Al-Mn中间合金中Al的质量分数为90％，Mn的质量分数为10％；采用的Mg-RE中间合金中Mg的质量分数为80％，RE的质量分数为20％。

本发明中Al和稀土(RE)元素(包括镧、铈、钕、钐、钆、钇)是合金主要的强化元素，通过固溶强化，沉淀强化和细晶强化机制提高合金的室温强度。加入稀土后，稀土与Al可以形成耐热性高的Al-RE相(Al₁₁RE₃和Al₂RE)，改善低熔点化合物Mg₁₇Al₁₂相的形貌并降低其在合金中的体积分数，从而提高合金的高温强度和应变硬化能力。由于合金中存在的Al-RE共晶相具有较高的熔点，在均匀化处理后不会固溶到基体中，在挤压和轧制过程中被很好地分散，从而可以有效的阻止后续热处理过程中晶粒的长大，也可在挤压和轧制过程中作为再结晶的成核位置。Mn的加入可以降低合金中的Fe、Co、Ni、Cu等杂质元素的含量，从而提高合金的抗腐蚀性能。铝、稀土和锰的加入提高了镁合金的塑性和热加工性。本发明采用普通的工艺和设备就可实现生产，所制备的高强耐热变形镁合金既有高强韧、高耐热性，同时还具有良好的塑性和热加工性能。

本发明采用普通变形镁合金制备方法制备的合金的25℃抗拉强度300～380MPa、屈服强度100MPa～290MPa，断裂伸长率为7～26％。密度1.78～1.85g/cm³。本发明的合金可以作为轻质高强耐热的结构材料，也可满足航空、航天、兵器以及民用车辆等对于轻质高强韧耐热变形镁合金材料的需求。

具体实施方式

以下通过实例对本发明生产Mg-Al-RE-Mn变形镁合金板材的方法进行详细说明，这些实例仅用于解释，并不构成对本发明的限制。

实例一

采用铸造方法为普通金属型铸造，二次成型为普通温挤压制备本发明变形镁合金板材，其化学成分(重量百分含量)如下：Al：2.0，RE：0.8，Mn：0.5，其余为Mg和不可避免的杂质组成，不可避免的杂质有Si、Fe、Ni、Cu，每一种的许用重量百分含量为：Si＜0.005、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003。合金熔炼工艺为：按照上述合金成分配制所需原料的重量，在SF₆和Ar气或CO₂混合气体气氛保护下，在730℃～750℃在电阻炉中熔化镁锭，待镁完全熔化后，加入工业纯铝和Al-Mn(或Mg-Mn)中间合金以及Mg-RE中间合金，当合金完全熔化后进行充分搅拌使合金成分均匀，升温到760℃～780℃，边搅拌边加入国家标准5号熔剂对合金进行精炼，精炼5分钟后在700℃～730℃保温静置15分钟，然后将熔融的镁合金在700～730℃浇铸到预热温度为200℃的圆柱形金属型模具中，然后机加工除去表皮，模具的直径为100mm，长为400mm。将铸锭在410℃均匀化处理20小时后水淬冷却，挤压前均匀化处理后的坯件在360℃预热2小时然后进行挤压，模具温度360℃，挤压比为12.56，挤压速度4m/min，挤压出的板材用冷水进行冷却，板材的尺寸为8mm×50mm。在室温下铸态合金的抗拉强度180MPa，屈服强度为47MPa，延伸率为16％，而根据挤压后合金的光学显微金相组织图显示，挤压后合金的光学显微金相组织由均匀的动态再结晶晶粒组成，挤压态合金室温抗拉强度为310MPa，屈服强度为110MPa，延伸率为24％，与铸态合金力学性能相比均有较大提高。挤压板材表面光亮整洁，无任何热裂纹，说明该合金具有优异的塑性加工性能。

实例二

采用实例一中的熔炼工艺制备合金成分(重量百分含量)为：Al：4.0，RE：2.0，Mn：0.3，其余为Mg和不可避免的杂质组成。不可避免的杂质有Si、Fe、Ni、Cu，每一种杂质的许用重量百分含量为：Si＜0.007、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003。熔化精炼后的合金浇铸到一个方形金属模具中，模具的内腔尺寸为300mm×80mm×10mm，然后机加工成200mm×50mm×5mm的板状试样。轧制工艺如下：在制备轧制态合金前，在390℃对铸态合金进行均匀化处理，以达到使合金组织均匀的目的。将均匀化处理后的坯件在390℃的预热炉中保温10分钟，然后进行轧制，每道次压下量为12～ 30％，各道次间在390℃条件下退火5分钟，轧制速度为2m/min；经过5道次轧制塑性变形后，薄板最终厚度为1.4mm，总压下量为80％，完成最后一道次轧制后板材空冷到室温，轧制态合金平整光洁，无任何边裂现象。轧制过程中不对轧辊加热。室温下铸态合金的抗拉强度为230MPa，屈服强度为65MPa，延伸率为13％，而根据轧制后合金的光学金相显微组织图显示，轧制态合金由动态再结晶晶粒组成，并含有部分孪晶，轧制态合金的抗拉强度为340MPa，屈服强度为260MPa，与铸态合金相比分别提高了50％和300％。轧制后合金的延伸率为9％，与铸态合金相比略有下降，但仍具有良好的断裂伸长率。

实例三

采用实例一中的熔炼工艺制备合金成分(重量百分含量)为：Al：9.0，RE：3.7，Mn：0.7，其余为Mg和不可避免的杂质组成。不可避免的杂质有Si、Fe、Ni、Cu，每一种杂质的许用重量百分含量为：Si＜0.005、Fe＜0.003、Ni＜0.003、Cu＜0.003。合金挤压工艺为：将铸锭在410℃均匀化处理24小时后水淬冷却，挤压前均匀化处理后的坯件在380℃预热3小时然后进行挤压，模具温度380℃，挤压比为20，挤压速度4m/min，挤压出的板材用冷水进行冷却，板材的尺寸为8mm×150mm。将挤压后的板材再在410℃均匀化处理5小时，然后进行轧制实验。轧制温度为300℃，轧制前挤压板材在300℃的加热炉中预热10分钟后进行6道次轧制。每道次的压下量为15～30％，各道次之间不进行退火处理。轧辊加热到200℃并保温，轧制速度为1m/min，完成最后一道次轧制后板材空冷到室温。本实施例所得轧制合金的室温抗拉强度为370MPa，屈服强度为280MPa，延伸率为15％，与以往室温下铸态合金力学性能相比均有大幅提高，轧制板材表面光洁平整，无任何边裂纹。

Claims

1.一种高强韧耐热Mg-Al-RE-Mn变形镁合金及其板材的制备方法，其特征在于所述的Mg-Al-RE-Mn变形镁合金材料的组分物质及其重量百分含量为：

Al 2.0～9.5％，RE 0.5～4.0％，

Mn 0.1～0.8％，杂质元素总量＜0.02％，

其余为Mg，

所说的杂质元素为Si、Fe、Ni和Cu；

(4)板材制备：

2.根据权利要求1所述的高强韧耐热Mg-Al-RE-Mn变形镁合金及其板材的制备方法，其特征是所述气体保护气氛采用的气体是六氟化硫和氩气的混合气体或六氟化硫和二氧化碳的混合气体，其中六氟化硫的体积分数为1％，余量体积分数的气体为氩气或二氧化碳气体。

3.根据权利要求1所述的高强韧耐热Mg-Al-RE-Mn变形镁合金及其板材的制备方法，其特征是合金材料中各杂质元素所占的重量百分含量为：

Si＜0.007％，Fe＜0.005％，

Ni＜0.005％，Cu＜0.005％。