CN102517480A - 一种高加工硬化镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高加工硬化镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。该合金的化学成分质量百分比为：锡2.3-4.5，锌0.1-3.85，其余为镁和不可避免的杂质；该镁合金还可以含有添加元素中的一种或几种；其质量百分比为：硅0.01-2.0、锑0.01-3.0、碲0.01-3.0、锶0.01-1.5、锰0.01-2.0、稀土元素0.01-3.0；其中稀土元素为钕、镧、钇、铈。制备步骤：先熔化镁，然后加入锡和锌，再加入添加元素和稀土元素；经过吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再热挤压成管材、型材或板材。该合金具有高加工硬化能力，塑性成型性好，制备工艺简单、可靠，易于推广应用等优点。

Description

一种高加工硬化镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种高加工硬化镁合金及其制备方法。

背景技术

镁是所有结构金属中密度最低的金属，镁合金具有一系列的优点，比如低密度、高的比强度和比刚度、优良的机械加工性能和铸造性、良好的阻尼减震性、高的热导率、高的尺寸稳定性、优良的电磁屏蔽性能以及可回收利用等。在航空、航天、汽车等领域选材中备受青睐。此外，镁合金在照相机、数码产品、数字音响等产品上都有较好的应用前景。然而，由于镁的晶体为密排六方结构，滑移系少，塑性差；此外，镁合金的强韧性低，加工硬化能力差，成型性能差；镁合金的合金系列相对很少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能适应不同应用场合的要求。通常认为，镁合金的加工硬化能力越强，塑性成型能力越好。因而，探索和开发新型高加工硬化镁合金是该领域的研究热点之一。

铸造镁合金能够成型复杂形状，在生产中备受青睐，但铸造镁合金的缺点是塑性较差，如AZ91系列合金。专利200910067428.7给出了一种获得高塑型镁合金的方法，其中有铝的加入。在本发明中，为了得到较好的加工硬化能力，在镁中加入锡和锌，以降低镁的层错能，获得较好的加工硬化能力和成型能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的高加工硬化镁合金及其制备方法，该合金既适用于铸造工况直接使用；又适合于变形工况，如轧制板材、挤压管材、挤压型材等。

本发明的技术方案是：先熔化镁，然后加入锡和锌，再按顺序加入添加元素，经过搅拌、精炼处理后将熔体直接铸轧成板材；或将熔体直接浇注成铸锭；或先浇注成铸锭，然后热挤压成管材、型材或板材。

具体步骤包括：

一种高加工硬化镁合金，其化学成分包括：锡、锌，其余为镁和不可避免的杂质，该镁合金的化学成分质量百分比为：锡2.3-4.5，锌0.1-3.85。

所述锡和锌的化学成分质量百分比优选为：锡2.6-3.5，锌0.3-2.2。

该镁合金的化学成分还包括添加元素，添加元素含量质量百分比为：硅0.01-2.0、锑0.01-3.0、碲0.01-3.0、锶0.01-1.5、锰0.01-2.0、稀土元素总含量的质量百分比为：0.01-3.0，添加元素取其中的一种或几种。

所述稀土元素为钕、镧、钇、铈中的一种或几种。

上述的高加工硬化镁合金的制备方法，包括以下步骤：

a)按照所述镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过50-180℃预热的纯锡和纯锌；

b)若镁合金成分含量包括添加元素，加入添加元素，先加入硅、锑和碲元素，搅拌均匀后再加入锶、锰和稀土元素；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，锶、锰和稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

c)经吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。

本发明所述技术方案与目前现有技术相比具有以下特点：

本发明合金既适用于铸造工况，又适合于变形工况，如轧制板材、挤压管材、挤压型材等；并且，制备工艺简单，易于推广应用。

1)本发明合金不含铝元素，可以作为生物医用合金；

2)本发明成分范围的锡、锌可以较大量固溶于镁的晶格中，降低镁的层错能；尤其是时Sn和Zn同时作用，降低镁层错能效果更加显著，并且提高镁的加工硬化能力；此外，Sn和Zn同时加入，能够增加镁的基面和锥面上位错滑移能力，提高镁合金的塑性；加入的Zn还能够促进Sn的固溶以及改变析出相Mg₂Sn与基体的取向，从而提高合金的加工硬化能力和成型能力；

3)添加元素硅、锑、碲、锶、锰用来提高本发明含锡、锌镁合金的强度；同时，锑、碲、锶、锰还能够去除本合金中的部分杂质；碲可以增加本发明含锡、锌镁合金的成分过冷，促进形核；同时，上述添加元素还可以改善本发明中析出的含Sn或者含的Zn第二相与基体的关系，从而提高强韧性、加工硬化能力和成型能力。

4)添加稀土元素钕、镧、钇、铈可以提高改变本发明合金的层错能，并且提高合金的加工硬化能力、成型能力，以及改善本发明含锡、锌镁合金中析出的含Sn或者含Zn的第二相的形态、尺寸、分布及其与基体的关系。

5)本发明镁合金具有较高的强韧性、加工硬化能力和塑性成型能力，优化后的合金成分抗拉强度σ_b≥180MPa、延伸率δ≥18％、加工硬化能力Hc≥2.69、加工硬化指数n≥0.498；单道次轧制压下量可达50％；多次轧制变形率≥80％。

附图说明

图(a)为本发明中的镁锡锌合金的铸态组织图，由图可以看出其树枝晶比较粗大。

图(b)为本发明中的镁锡锌加钇元素的铸态组织图，由图可以看出其树枝晶相对于镁锡锌合金得到了一定的细化。

图(c)为本发明中镁锡锌加锰元素的铸态组织图，由图可以看出其树枝晶相对于镁锡锌合金得到了一定的细化。

图(d)为本发明中镁锡锌加锑元素的铸态组织图，由图可以看出其树枝晶相对于镁锡锌合金得到了更大程度的细化。

具体实施方式

实施例一

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡2.9％、锌1.1％，其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-120℃预热的纯锡和纯锌；

(3)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；其中，铸造Mg-2.9Sn-1.1Zn的抗拉强度σ_b≥165MPa、延伸率δ≥19％、加工硬化能力Hc≥3.69、加工硬化指数n≥0.574。

实施例二

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡4.0％、锌3.5％，添加元素：硅0.5％、锑1.0％、碲1.0％、锶0.03％、锰0.5％，其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过75-135℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入添加元素：先加入硅、锑和碲元素，搅拌均匀后再加入锶、锰；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，而锶、锰以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材。

实施例三

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡3.5％、锌2.5％，添加元素：硅0.1％、锑0.5％、碲0.5％、锶0.15％、锰0.2％，其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过140-170℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入添加元素：先加入硅、锑和碲元素，搅拌均匀后再加入锶、锰；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，而锶、锰以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材。

实施例四

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡3.0％、锌1.0％，添加元素分别为：硅0.3％、锑0.3％、碲0.3％、锶0.3％、锰0.3％中的一种，其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过60-140℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入添加元素：分别单独加入硅、锑、碲、锶、锰中的任一种；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，而锶、锰以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材；其中，Mg-3Sn-1Zn-0.3Sb的抗拉强度≥185MPa、延伸率≥19％、加工硬化能力Hc≥2.69、加工硬化指数≥0.529。

实施例五

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡2.8％、锌0.7％，稀土元素分别为：钕0.3％、镧0.2％、钇0.08％、铈0.3％中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-155℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入稀土元素：以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。

实施例六

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡3.1％、锌0.9％，稀土元素分别为：钕0.8％、镧0.5％、钇0.3％、铈1.0％中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-120℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入稀土元素：以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。其中，铸造Mg-3Sn-1Zn-0.3Y的抗拉强度σ_b≥180MPa、延伸率δ≥1加工硬化能力Hc≥4.20、加工硬化指数n≥0.600。

实施例七

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡3.8％、锌0.4％，稀土元素分别为：钕1.5％、镧0.1％、钇0.8％、铈0.1％中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-120℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入稀土元素：以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。

实施例八

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡2.65％、锌1.35％，添加元素：锰1.58％，锶1.0％，钇0.85％，铈0.55％，其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-130℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入添加元素：按照锶、锰和稀土元素顺序加入；其中，锶、锰和稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。

实施例九

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡3.3％、锌1.2％；添加元素：硅0.7％、锑2.0％、碲1.35％、锶1.2％、锰0.75％；稀土元素为钕0.05％、镧0.05％、钇0.03％、铈0.08％中的一种或几种；其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过80-160℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入添加元素：先加入硅、锑和碲元素，搅拌均匀后再加入锶、锰和稀土元素；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，而锶、锰和稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。

实施例十

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡3.2％、锌1.1％；添加元素为锰0.3％；其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过70-160℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入锰元素：以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。其中，铸造Mg-3Sn-1Zn-0.3Mn的抗拉强度σ_b≥185MPa、延伸率δ≥25％、加工硬化能力Hc≥4.00、加工硬化指数n≥0.498。

实施例十一

(1)按照镁合金成分含量进行备料：锡3.5％、锌1.1％；添加元素为锑0.3％；其余为镁和不可避免的杂质；

(2)按照上述的镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过70-150℃预热的纯锡和纯锌；

(3)加入锑元素：以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

(4)吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。其中，铸造Mg-3Sn-1Zn-0.3Sb的抗拉强度σ_b≥185MPa、延伸率δ≥19％、加工硬化能力Hc≥2.69、加工硬化指数n≥0.529。

Claims (10)

1.一种高加工硬化镁合金，其化学成分包括：锡、锌，其余为镁和不可避免的杂质，其特征在于，该镁合金的化学成分质量百分比为：锡2.3-4.5，锌0.1-3.85。

2.根据权利要求1所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述锡和锌的化学成分质量百分比优选为：锡2.6-3.5，锌0.3-2.2。

3.根据权利要求1所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，该镁合金的化学成分还包括添加元素，所述添加元素含量质量百分比为：硅0.01-2.0、锑0.01-3.0、碲0.01-3.0、锶0.01-1.5、锰0.01-2.0、稀土元素总含量的质量百分比为：0.01-3.0，添加元素取其中的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述稀土元素为钕、镧、钇、铈中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为：锡2.9％、锌1.1％，其余为镁和不可避免的杂质。

6.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为：锡4.0％、锌3.5％，添加元素：硅0.5％、锑1.0％、碲1.0％、锶0.03％、锰0.5％，其余为镁和不可避免的杂质；或锡3.5％、锌2.5％，添加元素：硅0.1％、锑0.5％、碲0.5％、锶0.15％、锰0.2％，其余为镁和不可避免的杂质。

7.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为：锡3.0％、锌1.0％，添加元素分别为：硅0.3％、锑0.3％、碲0.3％、锶0.3％、锰0.3％中的一种，其余为镁和不可避免的杂质；或锡2.8％、锌0.7％，稀土元素分别为：钕0.3％、镧0.2％、钇0.08％、铈0.3％中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质。

8.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为：锡3.1％、锌0.9％，稀土元素分别为：钕0.8％、镧0.5％、钇0.3％、铈1.0％中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质；或锡3.8％、锌0.4％，稀土元素分别为：钕1.5％、镧0.1％、钇0.8％、铈0.1％中的一种或几种，其余为镁和不可避免的杂质。

9.根据权利要求3所述的一种高加工硬化镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分质量百分比为：锡2.65％、锌1.35％，添加元素：锰1.58％，锶1.0％，钇0.85％，铈0.55％，其余为镁和不可避免的杂质；或锡3.30％、锌1.2％；添加元素：硅0.7％、锑2.0％、碲1.35％、锶1.2％、锰0.75％；稀土元素为钕0.05％、镧0.05％、钇0.03％、铈0.08％。

10.一种高加工硬化镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)按照权利要求1至9中任一项所述镁合金成分含量进行备料；采用二号溶剂进行保护，将纯镁锭熔化，然后加入经过50-180℃预热的纯锡和纯锌；

b)若镁合金成分含量包括添加元素，加入添加元素，先加入硅、锑和碲元素，搅拌均匀后再加入锶、锰和稀土元素；其中，硅、锑和碲元素以纯硅、纯锑和纯碲方式引入，锶、锰和稀土元素以商业标准镁中间合金方式引入，所采用的商业标准镁中间合金中的元素质量百分比含量为10-15；

c)经吹气，搅拌，精炼，清渣，静置后，将熔体直接浇注成锭，再将铸锭热挤压成管材、型材或板材；或者将熔体直接铸轧成3-10毫米厚的板坯，再将板坯继续多道次轧制成薄板或带材。

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