CN102392165B

CN102392165B - 一种具有高强度的变形镁合金及其挤压材的制备方法

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Publication number: CN102392165B
Application number: CN 201110445929
Authority: CN
Inventors: 乐启炽; 张志强; 崔建忠; 宝磊
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN102392165A

Abstract

本发明属于金属材料技术及冶金技术领域，具体涉及一种具有高强度的变形镁合金及其挤压材的制备方法。本发明的一种具有高强度的变形镁合金是Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金，按质量百分比，2.0%~6.0%的Zn，1.5%~6.0%的Cu或Ni，0.1~0.5%的Y、Nd、Gd、Ce或MM，0~0.8%的Zr，Mg为余量，杂质Fe含量<0.005%，密度为(1.84~1.86)′10³kg/m³。采用低频电磁油滑半连续铸造本发明镁合金锭坯，然后采用反向温挤压并进行T5热处理，得到本发明的具有高强度的变形镁合金的挤压材。本发明的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金挤压材密度为(1.84~1.86)×10³kg/m³，其T5热处理后的室温拉伸力学性能为：抗拉强度390~420MPa，屈强比>0.96，延伸率>7%。

Description

一种具有高强度的变形镁合金及其挤压材的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术及冶金技术领域，具体涉及一种具有高强度的变形镁合金及其挤压材的制备方法。

背景技术

镁合金具有密度小、比强高以及减振性、电磁屏蔽性和机械加工性能优良等优点，是结构轻量化的理想材料，近年来镁合金的研究与应用得到高度重视。但是，镁合金也存在熔铸困难大、强度低、塑性、耐热性和耐蚀性差等问题，其中，强度低、易发生屈服变形是镁合金应用领域受限的一种重要原因，因此，镁合金一般只能用作次受力件，这严重制约其应用领域。目前工业通用镁合金主要是AZ系和ZK系镁合金。AZ系变形态和热处理态合金的强度一般不大于300MPa，屈服强度一般不大于180MPa，屈强比一般在0.5~0.7左右，即使是有较高的强度ZK系镁合金，其变形态和热处理态强度和屈强比也不高，如ZK60挤压棒材T5态的抗拉强度为350MPa，屈服强度为285MPa，屈强比为0.814。因此，开发高强度变形镁合金及其产品是近年国内外镁合金研究领域的重要方向。

提高镁合金材料的强度，一般通过以下途径来实现：一种是采用复杂的制备工艺，如快速凝固工艺和强烈变形工艺等；另一种是通过颗粒或纤维增强复合材料来实现，但都存在无法制备大尺寸材料的问题。目前可用作结构材料的高强镁合金均通过高稀土合金化来实现，但随之而来的问题是合金材料昂贵，除了少量军事用途外，民用几无可能，同时还存在密度显著增加、塑性差以及高合金化带来的大体积凝固的热裂、偏析等问题。目前国内外所开发的高强镁稀土变形合金的强度范围一般在450MPa~500MPa范围，强度在350MPa~450MPa范围的高强镁合金稀缺，而强度在此范围的镁合金具有替代强度相当的2xxx铝合金的潜在优势，因此，此强度范围的变形镁合金开发对扩大镁合金的应用领域具有重要意义。

发明内容

针对强度在350MPa~450MPa范围的镁合金稀缺的问题，本发明提供了一种具有高强度的变形镁合金及其挤压材的制备方法，目的是得到抗拉强度在390MPa~420MPa，屈强比大于0.96，同时延伸率大于7%的新型高强变形镁合金。

本发明的一种具有高强度的变形镁合金是Mg-Zn-(Cu或Ni)－RE系镁合金，按质量百分比，2.0%~6.0%的Zn，1.5%~6.0%的Cu或Ni，0.1~0.5%的Y、Nd、Gd、Ce或MM（为富Ce混合稀土，其中 Ce>50%，其余为La，Nd和Pr），0~0.8%的Zr，Mg为余量，杂质Fe含量<0.005%，密度为(1.84~1.86) ×10³kg/m³。

制备本发明的一种具有高强度的变形镁合金的挤压材，按照以下步骤进行：

（1）采用电阻熔炼炉或者燃气熔炼炉在五号熔剂保护下熔炼镁合金，将金属镁熔化并加热至730°C~740°C，按镁合金的质量百分比，加入2.0%~6.0%的Zn，1.5%~6.0%的Cu或Ni， 0.1~0.5%的Y、Nd、Gd、Ce或MM，0~0.8%的Zr，制备Mg-Zn-(Cu或Ni)系镁合金熔体，采用六氯乙烷与五号熔剂对熔体进行净化处理，经搅拌后，熔体降温至660°C~680°C进行铸造；

（2）采用低频电磁油滑半连续铸造，在SF₆+CO₂混合气体为保护气氛，电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT的条件下，铸造规格为横截面直径为100mm~300mm的镁合金铸造锭坯，得到的镁合金铸造锭坯在410±10°C下退火10小时，然后定尺、扒皮，备用；

（3）采用反向挤压装置对定尺并扒皮后的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金铸造锭坯在160-250℃条件下进行反向温挤压，挤压比>8.3，挤压速度为4.5~12m/min，得到Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金挤压棒材；

（4）将挤压后得到的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金挤压棒材进行T5热处理，具体制度为加热到180°C~250°C，保温10~50小时。

所述的SF₆+CO₂混合气体中SF₆和CO₂体积比为1:10。

所述的反向挤压装置包括中空的挤压杆、挤压模具、挤压筒、挤压垫片和挤压底座。在挤压底座上装配有挤压筒，挤压筒内底部装配有挤压垫片，挤压垫片上方装配有挤压模具，挤压模具上方装配有中空的挤压杆。其中挤压模具为中空的圆柱体，圆柱体内部从下到上依次是模角段、预工作带、定径工作带和出口段，模角为30~45°，出口段的直径大于工作带的直径，预工作带直径大于定径工作带直径，两工作带长度之比为0.5~0.8，定径工作带长度为4~8mm。

所述的反向挤压装置在进行挤压前，采用二硫化钼锂基润滑脂作为润滑剂，均匀涂抹在挤压模具内壁、坯料表面和挤压筒的内壁上。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

（1）本发明通过向金属镁中添加过渡元素Zn和Cu或Zn和Ni，并通过微量稀土合金化，产生了能反向温挤压变形和高强度效果，本发明的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金能在160-250℃下进行温挤压，且其挤压材具有高强度指标；

（2）本发明反向挤压装置采用了模角30~45°的小模角设计，同时采用双工作带设计，缓解了镁合金瞬间挤压力峰值高的问题，并保证了挤压材的高表面质量；

（3）本发明的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金挤压材具有高强、高屈强比特点。其挤压棒材经T5热处理后的室温拉伸力学性能为：抗拉强度390~420MPa，屈强比至少为0.96，延伸率至少为7%；

（4）本发明的镁合金挤压材的密度为(1.84~1.86) ×10³kg/m³。

附图说明

图1为本发明镁合金的典型铸造组织；

图2为本发明镁合金的典型均匀化退火组织；

图3为本发明镁合金反向挤压装置示意图；

其中1：挤压杆；2：挤压筒；3：挤压模具；4：挤压垫片；5：挤压底座；

图4为本发明镁合金反向挤压装置中挤压模具3的结构示意图；

其中3-1：模角段；3-2：预工作带；3-3：定径工作带；3-4：出口段；

图5为本发明镁合金挤压坯料与挤压棒材照片；

图6为本发明镁合金挤压棒材的拉伸试样尺寸图；

图7为本发明实例1镁合金挤压棒材的典型金相组织；

图8为本发明实例1镁合金挤压棒材的拉伸真应力－真应变曲线；

图9为本发明实例2镁合金挤压棒材的典型金相组织；

图10为本发明实例2镁合金挤压棒材的拉伸真应力－真应变曲线；

图11为本发明实例3镁合金挤压棒材的典型SEM组织；

图12为本发明实例3镁合金挤压棒材的拉伸真应力－真应变曲线；

图13为本发明实例4镁合金挤压棒材的典型SEM组织；

图14为本发明实例4镁合金挤压棒材的拉伸真应力－真应变曲线。

具体实施方式

本实施例中Mg、Zn、Cu采用一级镁锭、锌锭和电解铜纯金属加入，Ni、Y、Nd、Gd、Zr分别采用Mg-20%Ni、Mg-50%Y、Mg-50%Nd、Mg-50%Gd和Mg-30%Zr中间合金加入，Ce和MM采用纯金属加入，熔剂为市场购买。

实施例1

采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁加热到730℃熔化，按镁合金的质量百分比组成，加入4%的Zn，3%的Cu和0.4%的Y，采用六氯乙烷与五号熔剂对镁合金熔体进行净化处理，熔体经搅拌后降温至670℃，在SF₆ 与CO₂体积比为1:10的混合气体保护气氛下，采用低频电磁油滑半连续铸造制备镁合金锭坯，施加电磁条件为：电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，铸造速度为140mm/min，水量为70L/min，得到规格为直径165mm，高1800mm，化学分析组成为Mg-3.91Zn-2.78Cu-0.31Y的镁合金锭坯，于410±10°C退火10h；退火结束后扒皮；取直径50mm，高120mm规格的样品加热至180°C，保温2小时，将如附图3所示的反向挤压装置中的挤压筒、挤压模具和挤压垫片加热至180°C，在300吨油压机上，以5.0m/min的挤压速度挤压镁合金样品，得到直径12mm的镁合金挤压棒材，挤压比为17.4，挤压前，在挤压模具内壁、镁合金样品表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂进行润滑；将挤压棒材进行T5热处理，于250°C下保温10小时。该合金挤压棒材的密度为1.844×10³kg/m³，其典型显微组织如附图7所示；将其加工成如附图6所示的拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度为2mm/min，其典型真应力-真应变曲线如附图8所示；其T5态的室温拉伸力学性能如表1所示，平均值分别为：抗拉强度R_m=397.9MPa，屈服强度R_p0.2=394.9MPa，屈强比R_p0.2/R_m=0.992，延伸率A=8.8%。

表1 实施例1的镁合金挤压棒材T5态的室温拉伸力学性能

Figure 2011104459291100002DEST_PATH_IMAGE001

实施例2

采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁加热到730℃熔化，按镁合金的质量百分比组成，加入4%的Zn，3%的Cu，0.2%的Y，0.6%的Zr，采用六氯乙烷与五号熔剂对镁合金熔体进行净化处理，熔体经搅拌后降温至665℃，在SF₆ 与CO₂体积比为1:10的混合气体保护气氛下，采用低频电磁油滑半连续铸造制备镁合金锭坯，施加电磁条件为：电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，铸造速度为140mm/min，水量为70L/min，得到规格为直径165mm，高1800mm，化学分析组成为Mg-3.48Zn-3.23Cu-0.212Y-0.547Zr的镁合金锭坯，于410±10°C退火10h，退火结束后扒皮；取直径50mm，高120mm规格的样品加热至180°C，保温2小时，将如附图3所示的反向挤压装置中的挤压筒、挤压模具和挤压垫片加热至180°C，在300吨油压机上，以5.0m/min的挤压速度挤压镁合金样品，得到直径12mm的镁合金挤压棒材，挤压比为17.4，挤压前，在挤压模具内壁、镁合金样品表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂进行润滑；将挤压棒材进行T5热处理，于200°C下保温46小时，其显微组织如附图9所示。该合金挤压棒材的密度为1.850′10³kg/m³。将其取样加工成如附图6所示的拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度为2mm/min，其拉伸真应力-真应变如附图10所示。其T5态的室温拉伸力学性能如表2所示，其T5态时的平均值分别为：抗拉强度R_m=415.5MPa，屈服强度R_p0.2=410.7MPa，屈强比R_p0.2/R_m=0.988；延伸率A=7.3%。

表2　实施例2的镁合金挤压棒材T5态的室温拉伸力学性能

Figure 2011104459291100002DEST_PATH_IMAGE002

实施例3

采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁加热到740℃熔化，按镁合金的质量百分比，加入4%的Zn，3%的Ni，0.4%Y，采用六氯乙烷与五号熔剂对镁合金熔体进行净化，熔体经搅拌后降温至680℃，在SF₆ 与CO₂体积比为1:10的混合气体保护气氛下，采用低频电磁油滑半连续铸造制备镁合金锭坯，施加电磁条件为：电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，铸造速度为140mm/min，水量为70L/min，得到规格为直径165mm，高1800mm，化学分析组成为Mg-4.01Zn-2.98Ni-0.370Y的镁合金锭坯，于410±10°C退火10h；退火结束后扒皮；取直径50mm，高120mm规格的样品加热至180°C，保温2小时，将如附图3所示的反向挤压装置中的挤压筒、挤压模具和挤压垫片加热至180°C，在300吨油压机上，以5.0m/min的挤压速度挤压镁合金样品，得到直径12mm的镁合金挤压棒材，挤压比为17.4，挤压前，在挤压模具内壁、镁合金样品表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂进行润滑。将得到的挤压棒加热到250°C保温15小时进行T5热处理。该合金挤压棒材密度为1.845×10³kg/m³，其典型显微组织如图11所示；从T5态棒材取样加工成如附图6所示的拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度为2mm/min，其拉伸应力-应变如图12所示；其T5态的拉伸力学性能如表4所示；其T5态的平均值分别为：抗拉强度R_m=395.8MPa，屈服强度R_p0.2=385.6MPa，屈强比R_p0.2/R_m=0.974；延伸率A=9.8%。

表3　实施例3的镁合金挤压棒材T5态的室温拉伸力学性能

实施例4

采用燃气熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁加热到730℃熔化，按镁合金的质量百分比组成，加入2%的Zn，4%的Ni，0.5%的Nd，0.8%的Zr，采用六氯乙烷与五号熔剂对镁合金熔体进行净化处理，熔体经搅拌后降温至680℃，在SF₆ 与CO₂体积比为1:10的混合气体保护气氛下，采用低频电磁油滑半连续铸造制备镁合金锭坯，施加电磁条件为：电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，铸造速度为140mm/min，水量为70L/min，得到规格为直径165mm，高1800mm，化学分析组成为Mg-4.21Zn-3.12Ni-0.472Gd-0.452Zr的镁合金锭坯，于410±10°C退火10h，退火结束后扒皮；取直径50mm，高120mm规格的样品加热至180°C，保温2小时，将如附图3所示的反向挤压装置中的挤压筒、挤压模具和挤压垫片加热至180°C，在300吨油压机上，以5.0m/min的挤压速度挤压镁合金样品，得到直径12mm的镁合金挤压棒材，挤压比为17.4，挤压前，在挤压模具内壁、镁合金样品表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂进行润滑，将获得的挤压棒材进行T5热处理，于250°C下保温15小时。该合金挤压棒材的密度为1.852×10³kg/m³，其典型显微组织如附图13所示；将挤压态棒材取样加工成如附图6所示的拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度为2mm/min，其典型真应力-真应变曲线如附图14所示，其挤压态室温拉伸力学性能如表4所示，其T5态时的平均值分别为：抗拉强度R_m=414.7MPa，屈服强度R_p0.2=399.3MPa，屈强比R_p0.2/R_m=0.962；延伸率A=10.2%。

表4 实施例4的镁合金挤压棒材T5态的室温拉伸力学性能

Figure 2011104459291100002DEST_PATH_IMAGE004

实施例5

采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁加热到730℃熔化，按镁合金的质量百分比组成，加入4.5%的Zn，3.5%的Ni，0.5%的Gd，0.6%的Zr，采用六氯乙烷与五号熔剂对镁合金熔体进行净化处理，熔体经搅拌后降温至680℃，在SF₆ 与CO₂体积比为1:10的混合气体保护气氛下，采用低频电磁油滑半连续铸造制备镁合金锭坯，施加电磁条件为：电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，铸造速度为140mm/min，水量为70L/min，得到规格为直径165mm，高1800mm，化学分析组成为Mg-4.21Zn-3.12Ni-0.472Gd-0.452Zr的镁合金锭坯，于410±10°C退火10h，退火结束后扒皮；取直径50mm，高120mm规格的样品加热至160°C，保温2小时，将如附图3所示的反向挤压装置中的挤压筒、挤压模具和挤压垫片加热至160°C，在300吨油压机上，以10m/min的挤压速度挤压镁合金样品，得到直径16mm的镁合金挤压棒材，挤压比为9.7，挤压前，在挤压模具内壁、镁合金样品表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂进行润滑，将获得的挤压棒材进行T5热处理，于200°C下保温15小时。

实施例6

采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁加热到730℃熔化，按镁合金的质量百分比组成，加入6%的Zn，2%的Ni，0.6%的Ce，采用六氯乙烷与五号熔剂对镁合金熔体进行净化处理，熔体经搅拌后降温至680℃，在SF₆ 与CO₂体积比为1:10的混合气体保护气氛下，采用低频电磁油滑半连续铸造制备镁合金锭坯，施加电磁条件为：电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，铸造速度为140mm/min，水量为70L/min，得到规格为直径165mm，高1800mm，化学分析组成为Mg-5.36Zn-1.73Ni-0.35Ce的镁合金锭坯，于410±10°C退火10小时，退火结束后扒皮；取直径46mm，高120mm规格的样品加热至250°C，保温2小时，将如附图3所示的反向挤压装置中的挤压筒、挤压模具和挤压垫片加热至250°C，在300吨油压机上，以8.0m/min的挤压速度挤压镁合金样品，得到直径12mm的镁合金挤压棒材，挤压比为14.7，挤压前，在挤压模具内壁、镁合金样品表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂进行润滑，将获得的挤压棒材进行T5热处理，于180°C下保温20小时。

实施例7

采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁加热到730℃熔化，按镁合金的质量百分比组成，加入5.5%的Zn，6%的Cu，0.5%的MM，0.8%的Zr，采用六氯乙烷与五号熔剂对镁合金熔体进行净化处理，熔体经搅拌后降温至680℃，在SF₆ 与CO₂体积比为1:10的混合气体保护气氛下，采用低频电磁油滑半连续铸造制备镁合金锭坯，施加电磁条件为：电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，铸造速度为140mm/min，水量为70L/min，得到规格为直径165mm，高1800mm，化学分析组成为Mg-5.20Zn-5.12Cu-0.32MM-0.67Zr的镁合金锭坯，于410±10°C退火10h，退火结束后扒皮；取直径46mm，高120mm规格的样品加热至200°C，保温2小时，将如附图3所示的反向挤压装置中的挤压筒、挤压模具和挤压垫片加热至200°C，在300吨油压机上，以12.0m/min的挤压速度挤压镁合金样品，得到直径16mm的镁合金挤压棒材，挤压比为8.3，挤压前，在挤压模具内壁、镁合金样品表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂进行润滑，将获得的挤压棒材进行T5热处理，于250°C下保温15小时。

Claims

1.一种具有高强度的变形镁合金，其特征在于是Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金，按质量百分比，2.0%~6.0%的Zn，1.5%~6.0%的Cu或Ni，0.1~0.5%的Y、Nd、Gd或MM，0~0.8%的Zr，Mg为余量，杂质Fe含量<0.005%，密度为(1.84~1.86)×10³kg/m³；所述的MM为富Ce混合稀土，其中Ce＞50%，其余为La，Nd和Pr；其制备方法是：（1）采用电阻熔炼炉或者燃气熔炼炉在五号熔剂的保护下熔炼镁合金，将金属镁熔化并加热至730°C~740°C，按镁合金的质量百分比，加入2.0%~6.0%的Zn，1.5%~6.0%的Cu或Ni，0.1~0.5%的Y、Nd、Gd或MM，0~0.8%的Zr，制备Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金熔体，采用六氯乙烷与熔剂对熔体进行净化处理，经搅拌后，熔体降温至660°C~680°C进行铸造；所述的MM为富Ce混合稀土，其中Ce＞50%，其余为La，Nd和Pr；（2）采用低频电磁油滑半连续铸造，在SF₆和CO₂体积比为1:10的混合气体为保护气氛，电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT的条件下，铸造规格为横截面直径为100mm~300mm的镁合金铸造锭坯，得到的镁合金铸造锭坯在410±10°C下退火10小时，然后定尺、扒皮，备用；（3）采用反向挤压装置对定尺和扒皮后的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金铸造锭坯在160-250℃条件下进行反向温挤压，挤压比>8.3，挤压速度为4.5m/min~12m/min，得到Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金挤压棒材；其中所述的反向挤压装置包括中空的挤压杆、挤压模具、挤压筒、挤压垫片和挤压底座，在挤压底座上装配有挤压筒，挤压筒内底部装配有挤压垫片，挤压垫片上方装配有挤压模具，挤压模具上方装配有中空的挤压杆，所述的挤压模具是一个中空的圆柱体，圆柱体内部从下到上依次是模角段、预工作带、定径工作带和出口段，模角为30~45°，出口段的直径大于工作带的直径，预工作带直径大于定径工作带直径，两工作带长度之比为0.5~0.8，定径工作带长度为4~8mm；所述的反向挤压装置在进行挤压前，在挤压模具内壁、铸造坯锭表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂；（4）对挤压后得到的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金挤压棒材进行T5热处理，具体制度为加热到180°C~250°C，保温10~50小时。

2.采用权利要求1所述的具有高强度的变形镁合金制备挤压材的方法，其特征在于所述的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金挤压棒材经热处理后的室温拉伸力学性能为：抗拉强度390~420MPa，屈强比至少为0.96，延伸率至少为7%。

3.采用权利要求1所述的具有高强度的变形镁合金制备挤压材的方法，其特征在于所述的Mg-Zn-(Cu或Ni)-RE系镁合金挤压棒材的密度为(1.84~1.86)×10³kg/m³。