CN102628135B - 一种镁基稀土合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种镁基稀土合金材料及其制备方法。质量百分含量为：Y：7.0-11.0％，Er：1.0-2.5％，Zn：2.0-3.0％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03％，余量为Mg。本发明采用的都是常规的熔炼、匀质化处理及热挤压处理等方法，同时得到一种高应变速率超塑性镁-稀土合金材料。该合金在较低温度(300℃-380℃)下具有高应变速率(0.8×10-2-1×10-2s-1)超塑性，其断后延伸率为350％-520％。有效地降低了生产成本，提高了生产效率，操作易于进行，利于大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种金属材料，具体涉及一种高应变速率超塑性镁-稀土合金。本发明也涉及一种高应变速率超塑性镁-稀土合金的制备方法。
背景技术
镁及镁合金在中国的生产具有良好的经济性和竞争性，据专家预计，未来几十年将是我国镁合金生产和消费的高速增长期，镁合金深加工技术开发与产业结构调整是发展我国镁工业的必然之路。我国是镁资源大国，同时也是汽车、电子通讯、航空航天等产品巨大的潜在应用市场。因此，进一步挖掘镁材料的性能潜力(如镁合金的超塑性成形)，扩宽镁合金的应用领域具有重要的意义。
近年来，超塑性成形技术特别引人注意。一方面，它能将棒材、板材直接制造成形状复杂的产品，且加工成本比相应的压铸件低；另一方面，超塑性成形件的力学性能比相应的压铸件高。然而，虽然超塑性成形技术在航空用钛合金、铝合金产品上的应用非常广泛，但镁合金的超塑性成形应用目前还很少。镁合金处于超塑性状态时具有优异的塑性和极小的变形抗力，因此具有流动性高、填充性好、所需设备吨位小等优点，从而有利于塑性加工，形状复杂或变形量很大的零件也可以一次成形。此外，由于超塑成形时不会出现由硬化引起的回弹，因而成形后工件尺寸稳定性好、精度高。以上这些优势使得镁合金超塑性成形技术在工业生产中具有的巨大的应用潜力。
尽管目前很多镁合金都具有超塑性，但是，绝大部分镁合金的高延伸率是在较低的应变速率(1×10-5～1×10-3s-1)范围内获得的。例如，挤压态Mg-9.0Gd-4.0Y-0.4Zr合金在应变速率为2×10-4s-1，温度为450℃时具有延伸率为410％的超塑性行为(Xinming Zhang.Superplasticity and microstructure in Mg-Gd-Y-Zr alloy prepared by extrusion.Journal of Alloys and Compounds，481(2009)296-300.)。但是，低应变速率导致低生产效率，这在很大程度上限制了超塑性镁合金在工业中的应用，因此具有高应变速率超塑性的镁合金在工业化的生产中极具吸引力。另外，一般镁合金只有在高温的情况下才会显示出优良的超塑性，而高温加工必然对可操作性和模具的寿命都造成不利的影响，所以使镁合金在较低的温度下表现出良好的超塑性也成为目前人们追求的目标。一般情况下，高应变速率超塑性只能在比较高的温度(大约为0.8Tm，其中Tm为镁合金的熔点)下才能获得，而镁合金在该温度下极其容易氧化。对于一般的镁合金来讲，低温高应变速率超塑性对晶粒度的要求则非常苛刻(一般要小于1μm)。然而，这种细小的晶粒尺寸在工业上比较难实现，细晶镁合金很难通过常规方法获得，一般要通过快速凝固粉末冶金技术或者是等通道挤压的方法来获得。以上这些原因大大提高了镁合金超塑性成形的生产成本及大规模应用的可行性。因此研究一种新型超塑性镁合金，使其在低成本的常规方法制备下就具有较低温度、高应变速率超塑性，这在工业生产中具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种在较低温度下具有高应变速率超塑性的镁基稀土合金材料。本发明的目的还在于提供一种生产效率高，易于操作，利于大规模推广应用的镁基稀土合金材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的镁基稀土合金材料的组成成分及其质量百分含量为：Y：7.0-11.0％，Er：1.0-2.5％，Zn：2.0-3.0％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03％，余量为Mg。
本发明的镁基稀土合金材料中所述Y是熔炼时以Mg-Y中间合金的形式向镁熔体中添加，所述Er是熔炼时以Mg-Er中间合金的形式向镁熔体中添加。
本发明的镁基稀土合金材料的制备方法为：
以商业纯Mg、商业纯Zn、Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金为原料；按照产物的质量百分含量为：Y：7.0-11.0％，Er：1.0-2.5％，Zn：2.0-3.0％，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03％和余量为Mg的比例将原料混合后进行精炼、扒渣，保温静置后降温的熔炼过程，利用水冷模具进行冷却；所得镁合金铸棒经过高温匀质化处理后，在挤压机上热挤压成形。
熔炼过程中采用SF6/CO2气体保护或熔剂保护。
所述熔炼过程的工艺参数为：熔体保温温度为740-750℃，保温静置时间为25-45min，浇注温度为700-720℃。
所述匀质化处理的工艺参数为：均匀化温度为450-500℃，保温时间为10-15h，冷却方式为空冷。
所述热挤压的工艺参数为：挤压温度为420-470℃，挤压速率为1.2-1.5m/min，为保证晶粒细小，挤压比大于为15。
本发明考虑在Mg合金中添加Y、Er、Zn元素，采用常规的熔炼、匀质化处理及热挤压处理等技术，在特定工艺条件下制备新型超塑性变形镁合金。该发明利用特定合金化元素(Y、Er、Zn)及其配比在镁合金中形成特殊晶体结构，改善传统镁合金的不足，提高镁合金的超塑性变形能力，同时避免了实现细晶的复杂制备技术，为发展低成本高应变速率镁合金提供一种新的思路，从而推动镁合金产业发展。
本发明所具有的实质性特点和显著的进步为：
(1)本发明在镁合金中添加Y、Er、Zn
元素，Mg、Y、Er、Zn这四种原子在特定的条件下(包括含量、配比和制备工艺)，能够形成大量高塑韧性、高弹性模量及高热稳定性的长周期堆垛有序结构(LPSO)相，并且这种结构相与镁基体具有非常好的界面结合。在镁合金超塑性变形过程中，应力能够从镁基体中转入高塑韧性的长周期堆垛有序结构相内，该新型相能够起到极好的协调变形作用，从而改善合金的超塑性成形能力。本发明为镁合金实现超塑性提供一种新的思路。
(2)镁-稀土基或镁-锌基合金一般需要锆元素来细化晶粒，利用细晶来实现超塑性，但锆在镁合金中的收率很低，一般要以5-10倍的加入量才能达到需要的含量，而且锆在镁合金分散也不易均匀，总之，锆的加入技术比较复杂，含量不易控制，成本也比较高。而本发明去除了锆的添加，寻求新的实现超塑性的机制，对晶粒的尺寸大小要求不再像传统超塑性镁合金那样苛刻。
(3)本发明采用的都是常规的熔炼、匀质化处理及热挤压处理等方法，同时得到一种高应变速率超塑性镁-稀土合金材料。该合金在较低温度(300℃-380℃)下具有高应变速率(0.8×10-2-1×10-2s-1)超塑性，其断后延伸率为350％-520％。有效地降低了生产成本，提高了生产效率，操作易于进行，利于大规模推广应用。
(4)大量的研究已经表明镁-稀土基合金具有优异的力学性能和耐蚀性能，镁-稀土系列合金是正在应用并且应用市场有待拓展的一类镁合金。本发明为镁-稀土基合金的应用提供了一种新的制备技术，利用超塑性成形技术拓展该类合金的应用范围。
附图说明
附图是实施例1中镁合金的显微组织照片，其中：(a)为光学照片；(b)为扫描照片。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。
实施例1
合金的化学成分(质量百分比)为：8.4％Y、0.9％Er、1.9％Zn，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03％，余量为Mg。
制备合金的熔铸和加工工艺为：首先按配比称料，将Mg、Zn、Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金预热到200℃，然后将Mg放入预热到100℃的坩锅中，并通入SF6∶CO2体积比为1∶100的保护气体，待Mg完全熔化后加入Zn，当熔体温度达到740℃时加入Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金，加入的中间合金熔化后，通入氩气精炼搅拌10min，除渣后在740℃静置25min，待温度降至700℃后，采用水冷模具浇铸成圆棒。所得铸棒在450℃匀质化处理10h后空冷，车削后在420℃进行挤压，挤压速率为1.5m/min，最后得到一种高应变速率超塑性镁-稀土合金材料。
本实施例所得的高应变速率超塑性镁合金材料，其显微组织和超塑性成形能力为：(1)该合金呈现出均匀的细小的晶粒，其平均晶粒尺寸为10μm，高体积分数的长周期堆垛有序结构相弥散地分布在镁基体中，其体积分数＞65％。参见附图。
(2)该合金在较低温度(320℃)具有高应变速率(0.85×10-2s-1)超塑性，其断后延伸率为374％。
实施例2
合金的化学成分(质量百分比)为：7.0％Y、2.2％Er、2.3％Zn，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03％，余量为Mg。
制备合金的熔铸和加工工艺为：首先按配比称料，将Mg、Zn、Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金预热到250℃，然后将Mg放入预热到120℃的坩锅中，并通入SF6∶CO2体积比为1∶100的保护气体，待Mg完全熔化后加入Zn，当熔体温度达到750℃时加入Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金，加入的中间合金熔化后，通入氩气精炼搅拌15min，除渣后在740℃静置45min，待温度降至710℃后，采用水冷模具浇铸成圆棒。所得铸棒在480℃匀质化处理10h后空冷，车削后在450℃进行挤压，挤压速率为1.5m/min，最后得到一种高应变速率超塑性镁-稀土合金材料。
本实施例所得的高应变速率超塑性镁合金材料，其超塑性成形能力为：
在较低温度(350℃)具有高应变速率(0.85×10-2s-1)超塑性，其断后延伸率为390％。
实施例3
合金的化学成分(质量百分比)为：9.7％Y、2.5％Er、2.9％Zn，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03％，余量为Mg。
制备合金的熔铸和加工工艺为：首先按配比称料，将Mg、Zn、Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金预热到240℃，然后将Mg放入预热到120℃的坩锅中，并通入SF6∶CO2体积比为1∶100的保护气体，待Mg完全熔化后加入Zn，当熔体温度达到760℃时加入Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金，加入的中间合金熔化后，通入氩气精炼搅拌15min，除渣后在750℃静置30min，待温度降至720℃后，采用水冷模具浇铸成圆棒。所得铸棒在480℃匀质化处理15h后空冷，车削后在450℃进行挤压，挤压速率为1.2m/min，最后得到一种高应变速率超塑性镁-稀土合金材料。
本实施例所得的高应变速率超塑性镁合金材料，其超塑性成形能力为：
在较低温度(350℃)具有高应变速率(0.90×10-2s-1)超塑性，其断后延伸率为430％。
实施例4
合金的化学成分(质量百分比)为：10.9％Y、1.5％Er、2.8％Zn，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03％，余量为Mg。
制备合金的熔铸和加工工艺为：首先按配比称料，将Mg、Zn、Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金预热到250℃，然后将Mg放入含有已熔化熔剂的坩埚中，待Mg完全熔化后加入Zn，当熔体温度达到760℃时加入Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金，加入的中间合金熔化后，加入精炼剂精炼搅拌15min，除渣后在750℃静置40min，待温度降至720℃后，采用水冷模具浇铸成圆棒。所得铸棒在500℃匀质化处理15h后空冷，车削后在470℃进行挤压，挤压速率为1.2m/min，最后得到一种高应变速率超塑性镁-稀土合金材料。
本实施例所得的高应变速率超塑性镁合金材料，其超塑性成形能力为：
在较低温度(380℃)具有高应变速率(1.00×10-2s-1)超塑性，其断后延伸率为470％。
Claims (2)
1.一种镁基稀土合金材料，其特征是按照如下制备方法制备所得到的质量百分含量为：Y：10.9%，Er：1.5%，Zn：2.8%，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03%，余量为Mg的镁基稀土合金材料；所述制备方法为：以商业纯Mg、商业纯Zn、Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金为原料，将原料混合后进行熔炼，所述熔炼包括精炼、扒渣、保温静置后降温过程，利用水冷模具进行冷却得镁合金铸棒，所得镁合金铸棒经过高温匀质化处理后，在挤压机上热挤压成形；熔炼过程中采用SF6/CO2气体保护或熔剂保护，熔炼过程的工艺参数选择熔体保温温度为740-750℃、保温静置时间为25-45min、浇注温度为700-720℃；匀质化处理的工艺参数选择匀质化温度为450-500℃、保温时间为10-15h、冷却方式为空冷。
2.一种镁基稀土合金材料的制备方法，其特征是：以商业纯Mg、商业纯Zn、Mg-Y中间合金、Mg-Er中间合金为原料；按照产物的质量百分含量为：Y：7.0-11.0%，Er：1.0-2.5%，Zn：2.0-3.0%，不可避免的Fe、Cu、Ni、Si杂质总量小于0.03%和余量为Mg的比例将原料混合后进行精炼、扒渣，保温静置后降温的熔炼过程，利用水冷模具进行冷却得镁合金铸棒；所得镁合金铸棒经过高温匀质化处理后，在挤压机上热挤压成形；熔炼过程中采用SF6/CO2气体保护或熔剂保护；所述熔炼过程的工艺参数为：熔体保温温度为740-750℃，保温静置时间为25-45min，浇注温度为700-720℃；所述匀质化处理的工艺参数为：匀质化温度为450-500℃，保温时间为10-15h，冷却方式为空冷。
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