CN102492883B - 一种具有室温挤压特性的镁合金及其挤压材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种具有室温挤压特性的镁合金及其挤压材的制备方法。本发明的镁合金为低Zn和低稀土合金化的Mg-Zn-RE系镁合金，按质量百分比，含有1.0%~3.0%的Zn，0.1%~1.0%的Y、Nd、Gd、Ce或MM，Mg为余量。采用低频电磁油滑半连续铸造本发明镁合金锭坯，然后采用反向挤压装置对Mg-Zn-RE系镁合金铸造锭坯在室温下进行反向挤压，挤压比为8~20，挤压速度为4.5~8m/min，得到Mg-Zn-RE系镁合金的挤压棒材。本发明的Mg-Zn-RE系镁合金挤压棒材室温拉伸具有高塑性指标。
Description
技术领域
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种具有室温挤压特性的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。众所周知，镁是密排六方晶格结构，室温塑性变形时只能产生基面滑移，且只有两个独立的滑移系，因此室温塑性低，一般不宜冷加工，工业上多采用热加工的方式，在250℃及以上温度生产镁合金变形材，这不仅导致了镁合金变形加工工艺与设备的复杂化，而且也影响变形产品的高性能化。因此，发展可在250℃以下，甚至室温下加工生产的高塑性或高成形性镁合金对拓展镁合金的应用领域具有重要意义。
传统上，提高镁合金塑性变形能力的研究多集中在变形温度、变形量和变形速率、应力状态等变形工艺与条件的优化上，但收效甚微。通过合金化实现提高镁合金的塑性是另一途径，其中Mg-Li合金是典型代表，但Mg-Li合金的强度低、耐蚀性极差，同时因大量添加锂(>5.3wt.%)而造成该合金昂贵，除了少量军事用途外，未能得到广泛应用。近年，通过新型合金的开发以及新合金与新工艺方法的结合来实现镁合金塑性提高的技术方案日益得到重视。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具有室温挤压特性的镁合金及其挤压材的制备方法，目的是制备能室温挤压变形且挤压材具有高塑性的镁合金，本发明中的室温是通常所说的室温25℃。
本发明的镁合金为Mg-Zn-RE系镁合金，按质量百分比，所述的Mg-Zn-RE系镁合金含有1.0%~3.0%的Zn，0.1%~1.0%的Y、Nd、Gd、Ce或MM， Mg为余量。
所述的MM为富Ce混合稀土，按质量百分比，其中 Ce含量至少为50%，余量为La，Nd和Pr。
制备本发明的具有室温挤压特性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，在五号熔剂的保护下，将金属镁熔化并加热至730°C~740°C熔化，按镁合金的质量百分比，加入1.0%~3.0%的Zn，0.1%~1.0%的Y、Nd、Gd、Ce或MM，制备Mg-Zn-RE系镁合金熔体，采用六氯乙烷与熔剂对上述Mg-Zn-RE系镁合金熔体进行净化处理，熔体经搅拌后降温至680°C~700°C进行铸造；
（2）采用低频电磁油滑半连续铸造，电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，在SF6+CO2混合气体保护气氛下，铸造规格为横截面直径100~300mm的镁合金铸造锭坯，将得到的铸造锭坯在410±10°C下退火10小时，然后定尺、扒皮，备用；
（3）在室温~250°C的条件下，采用反向挤压装置对定尺和扒皮后的Mg-Zn-RE系镁合金铸造锭坯进行反向挤压，挤压比为8~20，挤压速度为4.5~8m/min，得到Mg-Zn-RE系或挤压棒材；
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，预工作带与定径工作带的长度之比为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、坯料表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1） 本发明的Mg-Zn-RE系镁合金具有低Zn和低稀土合金化特点，该合金具有可在室温进行反向挤压变形且具有高塑性指标的特点。
（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-RE系镁合金在室温反向挤压的挤压材，其室温拉伸性能为：抗拉强度Rm=250~290MPa，屈服强度Rp0.2=210~280MPa；延伸率A=15%~40%。
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棒材的拉伸试样尺寸图；
图6为本发明实例1的镁合金室温挤压棒材的典型金相组织；
图7为本发明实例1镁合金挤压温度对棒材挤压态室温拉伸力学性能的影响曲线；
图8为本发明实例2的镁合金室温挤压棒材的典型金相组织；
图9为本发明实例3的镁合金室温挤压棒材的典型金相组织；
图10为本发明实例4的镁合金室温挤压棒材的典型金相组织。
具体实施方式
本发明的反向挤压装置如图3所示，包括中空的挤压杆1、挤压筒2、挤压模具3、挤压垫片4和挤压底座5，在挤压底座5上装配有挤压筒2，挤压筒2内底部是挤压垫片4，挤压垫片4上方是挤压模具3，挤压模具3上方是中空的挤压杆1；
挤压模具3的结构如图4所示，挤压模具3是一个中空的圆柱体，其内部从下到上依次是模角段3-1、预工作带3-2、定径工作带3-3和出口段3-4，模角段的模角为30~45°，出口段3-4的直径大于工作带3-2的直径，预工作带直径3-2大于定径工作带直径3-3，预工作带3-2与定径工作带3-3的长度之比为0.5~0.8，定径工作带3-3的长度为4~8mm。
本实施例中的Mg和Zn采用一级镁锭和一级锌锭加入，Y、Nd或Gd采用中间合金加入，Ce或MM采用纯金属，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，将金属镁熔化并加热至730°C熔化，按镁合金的质量百分比，加入2%的Zn和0.5%的Ce，所得镁合金熔体用六氯乙烷和五号熔剂进行净化处理，熔体经搅拌后降温至700°C，在体积比为1:10的SF6和CO2组成的混合气体保护下，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30Hz，安匝数6000AT，铸造速度为100mm/min，水量为70L/min，得到规格为F165mm′1800mm，化学分析组成为Mg-1.92Zn-0.32Ce的镁合金锭坯，于410±10°C退火10小时；退火结束后扒皮取F50mm′120mm规格样品在室温~310°C的温度下进行反向挤压；
采用如附图3和附图4所示的反向挤压装置，镁合金样品、模具、挤压筒和挤压垫片均为室温或加热至310°C以下，保温2小时，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F12mm的镁合金棒材，其挤压比为17.4，在挤压前，在挤压模具内壁、坯料表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂。附图6为室温挤压棒材的典型金相组织。
将挤压棒材取样加工成如附图5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。其挤压态室温拉伸力学性能如表1所示，可见，该合金能实现室温或低于250℃挤压变形。其挤压态棒材室温拉伸力学性能为：抗拉强度Rm=250~290MPa，屈服强度Rp0.2=210~280MPa，延伸率A=15~20%；图7为根据表1所绘制的曲线，可见，该镁合金低温挤压时有较高的延伸率，并有较高强度。
表1 实施例1的镁合金挤压棒材挤压态室温拉伸力学性能
实施例2
采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁熔化并加热至730°C熔化，按镁合金的质量百分比，加入2%的Zn和0.5%的Nd，所得镁合金熔体用六氯乙烷和五号熔剂进行净化处理，熔体经搅拌后降温至690°C，在体积比为1:10的SF6和CO2组成的混合气体保护下，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30Hz，安匝数6000AT，铸造速度为100mm/min，水量为70L/min，得到规格为F165mm′1800mm，化学分析组成为Mg-1.98Zn-0.48Nd的镁合金锭坯，于410±10°C退火10小时；退火结束后扒皮取F50mm′120mm规格样品在室温下进行反向挤压；
采用如附图3和附图4所示的反向挤压装置，镁合金样品、模具、挤压筒和挤压垫片均为室温，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F12mm的镁合金棒材，其挤压比为17.4，在挤压前，在挤压模具内壁、坯料表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂。附图8为室温挤压棒材的典型金相组织。
将挤压棒材取样加工成如附图5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。其挤压态室温拉伸力学性能为：抗拉强度Rm=288MPa，屈服强度Rp0.2=271.5MPa，延伸率A=35%。
实施例3
采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁熔化并加热至730°C熔化，按镁合金的质量百分比，加入2%的Zn和0.5%的Y，所得镁合金熔体用六氯乙烷和五号熔剂进行净化处理，熔体经搅拌后降温至685°C，在体积比为1:10的SF6和CO2组成的混合气体保护下，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30Hz，安匝数6000AT，铸造速度为100mm/min，水量为70L/min，得到规格为F165mm′1800mm，化学分析组成为Mg-2.0Zn-0.41Y的镁合金锭坯，于410±10°C退火10小时；退火结束后扒皮取F50mm′120mm规格样品在室温下进行反向挤压；
采用如附图3和附图4所示的反向挤压装置，镁合金样品、模具、挤压筒和挤压垫片均为室温，在300吨油压机上，以6.0m/min的挤压速度挤压镁合金样品，得到F12mm的镁合金棒材，其挤压比为17.4，在挤压前，在挤压模具内壁、坯料表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂。附图9为室温挤压棒材的典型金相组织。
将挤压棒材取样加工成如附图5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。其挤压态室温拉伸力学性能为：抗拉强度Rm=270MPa，屈服强度Rp0.2=248MPa，延伸率A=36%。
实施例4
采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁熔化并加热至730°C熔化，按镁合金的质量百分比，加入2%的Zn和0.5%的Gd，所得镁合金熔体用六氯乙烷和五号熔剂进行净化处理，熔体经搅拌后降温至685°C，在体积比为1:10的SF6和CO2组成的混合气体保护下，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30Hz，安匝数6000AT，铸造速度为100mm/min，水量为70L/min，得到规格为F165mm′1800mm，化学分析组成为Mg-1.88Zn-0.45Gd的镁合金锭坯，于410±10°C退火10小时；退火结束后扒皮取F50mm′120mm规格样品在室温下进行反向挤压；
采用如附图3和附图4所示的反向挤压装置，镁合金样品、模具、挤压筒和挤压垫片均为室温，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F12mm的镁合金棒材，其挤压比为17.4，在挤压前，在挤压模具内壁、坯料表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂。附图10为室温挤压棒材的典型金相组织。
将挤压棒材取样加工成如附图5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。其挤压态室温拉伸力学性能为：抗拉强度Rm=253MPa，屈服强度Rp0.2=219MPa，延伸率A=38%。
实施例5
采用电阻熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁熔化并加热至730°C熔化，按镁合金的质量百分比，加入3%的Zn和1.0%的MM，所得镁合金熔体用六氯乙烷和五号熔剂进行净化处理，熔体经搅拌后降温至680°C，在体积比为1:10的SF6和CO2组成的混合气体保护下，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30Hz，安匝数6000AT，铸造速度为100mm/min，水量为70L/min，得到规格为F165mm′1800mm，化学分析组成为Mg-2.47Zn-0.95MM的镁合金锭坯，于410±10℃退火10小时；退火结束后扒皮取F46mm′120mm规格样品在室温下进行反向挤压；
采用如附图3和附图4所示的反向挤压装置，镁合金样品、模具、挤压筒和挤压垫片均为室温，在300吨油压机上，以4.5m/min的挤压速度挤压镁合金样品，得到F16mm的镁合金棒材，其挤压比为8.3，在挤压前，在挤压模具内壁、坯料表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂。
实施例6
采用燃气熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁熔化并加热至730°C熔化，按镁合金的质量百分比，加入3.0%的Zn和1.0%的Gd，所得镁合金熔体用六氯乙烷和五号熔剂进行净化处理，熔体经搅拌后降温至690°C，在体积比为1:10的SF6和CO2组成的混合气体保护下，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30Hz，安匝数6000AT，铸造速度为100mm/min，水量为70L/min，得到规格为F165mm′1800mm，化学分析组成为Mg-2.93Zn-0.98Gd的镁合金锭坯，于410±10°C退火10小时；退火结束后扒皮取F46mm′120mm规格样品在室温下进行反向挤压；
采用如附图3和附图4所示的反向挤压装置，镁合金样品、模具、挤压筒和挤压垫片均为室温，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F12mm的镁合金棒材，其挤压比为14.7，在挤压前，在挤压模具内壁、坯料表面和挤压筒内壁涂抹二硫化钼锂基润滑脂。
Claims (7)
1.一种具有室温挤压特性的镁合金，其特征在于是Mg-Zn-RE系镁合金，按质量百分比，含有1.0%～3.0%的Zn，0.1%～1.0%的Y、Nd、Gd、Ce或MM，Mg为余量；其按照以下步骤进行：
（1）采用电阻熔炼炉或者燃气熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁熔化并加热至730°C～740°C熔化，按镁合金的质量百分比，加入1.0%～3.0%的Zn，0.1%～1.0%的Y、Nd、Gd、Ce或MM，制备Mg-Zn-RE系镁合金熔体；采用六氯乙烷与五号熔剂对上述Mg-Zn-RE系镁合金熔体进行净化处理，熔体经搅拌后降温至680°C～700°C进行铸造；
（2）采用低频电磁油滑半连续铸造，电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，在SF6+CO2混合气体保护气氛下，铸造规格为横截面直径100～300mm的镁合金铸造锭坯，将得到的铸造锭坯在400°C～420°C下退火10小时，然后定尺、扒皮，备用；
（3）在室温～250℃的条件下，采用反向挤压装置对定尺和扒皮后的Mg-Zn-RE系镁合金铸造锭坯进行反向挤压，挤压比为8～20，挤压速度为4.5m/min～8m/min，得到Mg-Zn-RE系挤压棒材。
2.采用如权利要求1所述的一种具有室温挤压特性的镁合金制备挤压材的方法，其按照以下步骤进行：
（1）采用电阻熔炼炉或者燃气熔炼炉，在五号熔剂的保护下，将金属镁熔化并加热至730°C～740°C熔化，按镁合金的质量百分比，加入1.0%～3.0%的Zn，0.1%～1.0%的Y、Nd、Gd、Ce或MM，制备Mg-Zn-RE系镁合金熔体；采用六氯乙烷与五号熔剂对上述Mg-Zn-RE系镁合金熔体进行净化处理，熔体经搅拌后降温至680°C～700°C进行铸造；
（2）采用低频电磁油滑半连续铸造，电磁频率为30Hz，安匝数为6000AT，在SF6+CO2混合气体保护气氛下，铸造规格为横截面直径100～300mm的镁合金铸造锭坯，将得到的铸造锭坯在400°C～420°C下退火10小时，然后定尺、扒皮，备用；
（3）在室温～250℃的条件下，采用反向挤压装置对定尺和扒皮后的Mg-Zn-RE系镁合金铸造锭坯进行反向挤压，挤压比为8～20，挤压速度为4.5m/min～8m/min，得到Mg-Zn-RE系挤压棒材。
3.根据权利要求2所述的制备挤压材的方法，其特征在于所述的SF6+CO2混合气体中SF6和CO2体积比为1:10。
4.根据权利要求2所述的制备挤压材的方法，其特征在于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。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的制备挤压材的方法，其特征在于所述的制备得到的Mg-Zn-RE系挤压棒材的抗拉强度Rm=250～290MPa，屈服强度Rp0.2=210～280MPa；延伸率A=15%～40%。
6.根据权利要求2所述的制备挤压材的方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求6所述的制备挤压材的方法，其特征在于，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。
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| CN101418403A (zh) * | 2008-11-11 | 2009-04-29 | 北京科技大学 | 一种热挤压高强度Mg-Zn-Y-Zr合金 |
| CN101857933A (zh) * | 2009-04-10 | 2010-10-13 | 中国科学院金属研究所 | 一种高塑性、低各向异性镁合金及其板材的热轧制工艺 |
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