CN102787264A - 一种高强度高塑性镁合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高塑性镁合金材料及其制备方法，合金材料各组分质量百分数如下：Nd：0.5～3.Swt％，Ga：0.2～1.2wt％，Zr：1.5～4.5wt％，Zn：0.1～1.0wt％；杂质元素：Al≤0.02wt％，Mn≤0.05wt％，Fe≤0.01wt％，Si≤0.05wt％，Cu≤0.001wt％，Ni≤0.001wt％，其它杂质元素含量≤0.05v％，其余为Mg。其制备方法是：在工业用工频感应熔化炉中先将纯镁、纯Zn加热，在加热至400℃以上时通入1.0～2.0L/min的氩气进行保护，加热至720℃±10℃，保温15～30分钟使金属材料完全熔化，熔化后保温20min，依次加入Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，熔化后保温10～15分钟；之后加入Mg-Zr中间合金，熔化后保温3～5分钟。其优点是：原材料来源广泛，通过Zn、Nd、Ga、Zr的合金化科学配方设计，并通过轧制和热处理获得了具有高强度和高塑性的镁合金材料，室温力学性能达到：Rm≥350MPa，A≥12％。

Description

一种高强度高塑性镁合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高塑性镁合金材料及其制备方法，属于有色金属合金及其制备技术领域。

背景技术

镁合金材料是目前工程应用中质量最轻的金属材料，具有比重小，比强度高，比刚度高，导电、导热性能好，减震性好，电磁屏蔽好，易切削加工，易于回收等多种优点，广泛应用在航空、航天、汽车、船舶、电子信息产品中，成为21世纪最有应用前景的金属材料。目前应用最为广泛的有铸造行业应用的AZ91D镁合金，在型材、板材中应用的变形镁合金AZ31、AZ61、AZ80、ZK60等。然而现有的镁合金材料的强度较低或者延伸率较低，两者难以同时兼顾，这严重制约了镁合金材料的应用和推广。目前国内外广泛开展了提高镁合金强度和塑性的研究工作，欧美日等国家开展的高强度、高塑性镁合金材料研究处于较领先的地位，研制出的新型镁合金材料具有较高的强度和较好的塑性性能，已经制定出了一些标准牌号的稀土镁合金材料，并应用于工业化生产中。国内目前已经有部分高校、研究所和企业开展了相关方面的研究工作，已经取得了一些初步进展，如上海交通大学、重庆大学、长春应用化学研究所、闻喜银光镁业等都分别研制出了一些高强度的稀土镁合金材料。然而这些高校、研究所和企业的研究成果有着共同的缺点，那就是镁合金中稀土含量较高，基本都达到20％以上，塑性性能较差，基本都在5％以下。稀土元素含量高导致材料的成本较高，市场竞争力差；塑性性能较差限制了其应用领域和范围。综合这些因素，导致了这些材料仍然处于实验室阶段，难以大批量的生产，同事兼顾高强度和高塑性的镁合金还有待于进一步开发。

发明内容

本发明的目的是为了以较低的成本，较低的合金元素含量，较经济的提高镁合金材料的强度和塑性，提供一种高强度高塑性镁合金材料及其制备方法。

本发明的一种高强度高塑性镁合金材料，其各组分质量百分数如下：

Nd：0.5～3.5wt％，Ga：0.2～1.2wt％，Zr：1.5～4.5wt％，Zn：0.1～1.0wt％；杂质元素：Al≤0.02wt％，Mn≤0.05wt％，Fe≤0.01wt％，Si≤0.05wt％，Cu≤0.001wt％，Ni≤0.001wt％，其它杂质元素含量≤0.05wt％，余量为Mg。

本发明的一种高强度高塑性镁合金材料的制备原材料采用：

纯Mg、纯Zn、Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，纯镁、纯锌及中间合金中杂质元素的含量在符合国家标准的基础上还应符合：Al≤0.002wt％，Mn≤0.006wt％，Fe≤0.0008wt％，Si≤0.004wt％，Cu≤0.00008wt％，Ni≤0.00007wt％。

本发明的一种高强度高塑性镁合金材料的制备方法是：

(1)准备：按镁合金材料的成分配比准备纯Mg、纯Zn、Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，其中纯Mg的烧损量按5wt％计算，纯Zn的烧损量按3wt％计算，Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金的烧损量分别按15wt％计算；

(2)中间合金的加入：在工业用工频感应熔化炉中先将纯镁、纯Zn加热，在加热至400℃以上时通入1.0～2.0L/min的氩气进行保护，加热至720℃±10℃，保温15～30分钟使金属材料完全熔化，熔化后保持熔液温度720℃±10℃保温20min，依次加入Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，熔化后保持熔液温度720℃±10℃，保温10～15分钟；之后加入Mg-Zr中间合金，熔化后保持熔液温度720℃±10℃，保温5分钟；

(3)浇铸工艺：浇铸温度控制在680℃～700℃之间，浇铸时间控制在Mg-Zr中间合金的加入后10分钟以内；

(4)采用热轧的方式对浇铸好的高强度高塑性镁合金进行塑性变形，总变形量控制在35％～45％之间；

(5)去应力退火工艺为：电阻炉加热，通入1.0～2.0L/min的氩气进行保护，温度控制在100℃～150℃之间，加热时间为10～30分钟。

发明效果

本发明的一种高强度高塑性镁合金材料及其制备方法，特点之一是原材料来源广泛，采用国内大量生产和销售的纯镁、纯锌及镁稀土、镁锆中间合金材料；特点之二是通过Zn、Nd、Ga、Zr的合金化科学配方设计，以比较低的合金元素含量较大幅度的同时提高镁合金材料的强度和塑性，特点之三是通过轧制和热处理获得镁合金材料具有较高的强度和塑性，室温力学性能达到：Rm≥350MPa，A≥12％。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

(一)合金成分的控制

镁合金中各元素及杂质含量(质量百分数)：Nd：0.5～3.5wt％，Ga：0.2～1.2wt％，Zr：1.5～4.5wt％，Zn：0.1～1.0wt％；杂质元素：Al≤0.02wt％，Mn≤0.05wt％，Fe≤0.01wt％，Si≤0.05wt％，Cu≤0.001wt％，Ni≤0.001wt％，其它杂质元素含量≤0.05wt％，其余为Mg。

(二)材料制造工艺

(1)准备：按镁合金材料的成分配比准备纯Mg、纯Zn、Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，其中纯Mg的烧损量按5wt％计算，纯Zn的烧损量按3wt％计算，Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金的烧损量按15wt％计算。

(2)中间合金的加入：在工业用工频感应熔化炉中先将纯镁、纯Zn加热，在加热至400℃以上时通入1.0～2.0L/min的氩气进行保护，加热至720℃±10℃，保温15～30分钟使金属材料完全熔化，熔化后保持熔液温度720℃±10℃保温20min，依次加入Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，熔化后保持熔液温度720℃±10℃保温10～15分钟；之后加入Mg-Zr中间合金，熔化后保持熔液温度720℃±10℃保温3～5分钟。

(3)浇铸工艺：浇铸温度控制在680℃～700℃之间，浇铸时间控制在Mg-Zr中间合金的加入后10分钟以内。

(4)采用热轧的方式对高强度高塑性镁合金进行塑性变形，工艺为：

将铸造板坯进行400℃～420℃，12h～15h的均化热处理，铣去表面氧化皮。轧制预热温度：420℃～450℃，时间：1.5h～4h，预热时采用电阻炉，通入1.0～2.0L/min的工业普通氩气保护。轧辊预热温度：200℃～400℃，轧辊表面涂刷石蜡或猪油。

第一次轧制：变形量：10％～25％，温度：420℃～450℃，

第二次轧制：变形量：10％～15％，温度：350℃～400℃，

第三次轧制：变形量：5％～10％，温度：300℃～350℃，

变形量根据轧制情况适当调整，总变形量控制在35％～45％之间。

(5)去应力退火工艺为：100℃～150℃之间，时间为10～30分钟，电阻炉加热，通入1.0～2.0L/min的工业普通氩气保护。镁合金板材的室温力学性能达到：Rm≥350MPa，A≥12％。

(6)本发明设计的材料同样适用于镁合金挤压型材。

实施例1

分别购置杂质含量在要求范围内的纯Mg、纯Zn、MgZr25中间合金、MgNd10中间合金、MgGa10中间合金，按照中间合金元素的含量配置成分，如表1所示。

表1配料重量及元素含量

	Zn/g	Zn/wt％	MgZr25/g	Zr/wt％	MgNd10/g	Nd/wt％	MgGa10/g	Ga/wt％	Mg/g	Mg/wt％
											1#	20	0.2	1200	3	3000	1	400	0.4	5380	53.8

在工业用工频感应熔化炉中先将纯镁、纯Zn加热，在加热至405℃时通入1.5L/min的氩气进行保护，加热至715℃，保温25分钟使金属材料完全熔化，熔化后保持熔液温度715℃保温20min，依次加入Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，熔化后保持熔液温度715℃保温12分钟；之后加入Mg-Zr中间合金，熔化后保持熔液温度715℃保温3分钟进行浇铸。

将浇铸的材料进行成分检测，与表1进行对比发现，各合金元素都在成分范围内，如表2所示。

表2实际各元素含量

变形轧制工艺为：

将铸造板坯进行410℃，12h的均化热处理，铣去表面氧化皮。轧制预热温度：450℃，时间：2.5h，预热时采用电阻炉，通1.2L/min的工业普通氩气进行保护。轧辊预热温度：300℃，轧辊表面涂刷石蜡。轧制变形量及温度见表3。

表3轧制变形量及温度

	1#
		第一次/温度	20％/440℃
第二次/温度	10％/380℃
		第三次/温度	6％/320℃
总变形量	36％

去应力退火工艺为：120℃，时间为20分钟，电阻炉加热，通1.2L/min的工业普通氩气进行保护。热处理后室温力学性能，见表4。

表4热处理后镁合金板材室温力学性能

实施例2

分别购置杂质含量在要求范围内的纯Mg、纯Zn、MgZr25中间合金、MgNd10中间合金、MgGa10中间合金，按照中间合金元素的含量配置成分，如表5所示。

表5配料重量及元素含量

	Zn/g	Zn/wt％	MgZr25/g	Zr/wt％	MgNd10/g	Nd/wt％	MgGa10/g	Ga/wt％	Mg/g	Mg/wt％
											2#	45	0.45	800	2	2000	2	800	0.8	6355	63.55

在工业用工频感应熔化炉中先将纯镁、纯Zn加热，在加热至408℃时通入1.6L/min的氩气进行保护，加热至710℃，保温22分钟使金属材料完全熔化，熔化后保持熔液温度710℃保温20min，依次加入Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，熔化后保持熔液温度710℃保温13分钟；之后加入Mg-Zr中间合金，熔化后保持熔液温度710℃保温5分钟进行浇铸。

将浇铸的材料进行成分检测，与表5进行对比发现，各合金元素都在成分范围内，如表6所示。

表6实际各元素含量

变形轧制工艺为：

将铸造板坯进行420℃，13.5h的均化热处理，铣去表面氧化皮。轧制预热温度：440℃，时间：3h，预热时采用电阻炉，通1.1L/min的工业普通氩气进行保护。轧辊预热温度：280℃，轧辊表面涂刷石蜡。轧制变形量及温度见表7。

表7轧制变形量及温度

	2#
		第一次/温度	18％/440℃
第二次/温度	12％/380℃
		第三次/温度	8％/320℃
总变形量	38％

去应力退火工艺为：130℃，时间为15分钟，电阻炉加热，通1.2L/min的工业普通氩气进行保护。热处理后室温力学性能，见表8。

表8热处理后镁合金板材室温力学性能

实施例3

分别购置杂质含量在要求范围内的纯Mg、纯Zn、MgZr25中间合金、MgNd10中间合金、MgGa10中间合金，按照中间合金元素的含量配置成分，如表9所示。

表9配料重量及元素含量

	Zn/g	Zn/wt％	MgZr25/g	Zr/wt％	MgNd10/g	Nd/wt％	MgGa10/g	Ga/wt％	Mg/g	Mg/wt％
											3#	95	0.95	1800	4.5	1000	3	1200	1.2	5905	59.05

在工业用工频感应熔化炉中先将纯镁、纯Zn加热，在加热至408℃时通入1.6L/min的氩气进行保护，加热至705℃，保温28分钟使金属材料完全熔化，熔化后保持熔液温度705℃保温20min，依次加入Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，熔化后保持熔液温度705℃保温15分钟；之后加入Mg-Zr中间合金，熔化后保持熔液温度705℃保温5分钟进行浇铸。

将浇铸的材料进行成分检测，与表9进行对比发现，各合金元素都在成分范围内，如表10所示。

表10实际各元素含量

变形轧制工艺为：

将铸造板坯进行440℃，13h的均化热处理，铣去表面氧化皮。轧制预热温度：440℃，时间：2h，预热时采用电阻炉，通1.3L/min的工业普通氩气进行保护。轧辊预热温度：300℃，轧辊表面涂刷石蜡。轧制变形量及温度见表11。

表11轧制变形量及温度

	3#
		第一次/温度	20％/440℃
第二次/温度	14％/380℃
		第三次/温度	8％/320℃
总变形量	42％

去应力退火工艺为：120℃，时间为15分钟，电阻炉加热，通1.3L/min的工业普通氩气进行保护。热处理后室温力学性能，见表12。

表12热处理后镁合金板材室温力学性能

Claims (3)

1.一种高强度高塑性镁合金材料，其特征是：合金材料各组分质量百分数如下：Nd：0.5～3.5wt％，Ga：0.2～1.2wt％，Zr：1.5～4.5wt％，Zn：0.1～1.0wt％；杂质元素：Al≤0.02wt％，Mn≤0.05wt％，Fe≤0.01wt％，Si≤0.05wt％，Cu≤0.001wt％，Ni≤0.001wt％，其它杂质元素含量≤0.05wt％，其量为Mg。

2.根据权利要求1所述的高强度高塑性镁合金材料，其特征是：镁合金材料的制备原材料采用纯Mg、纯Zn、Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，纯镁、纯锌及中间合金中杂质元素的含量符合：Al≤0.002wt％，Mn≤0.006wt％，Fe≤0.0008wt％，Si≤0.004wt％，Cu≤0.00008wt％，Ni≤0.00007wt％。

3.一种根据权利要求1或2所述的高强度高塑性镁合金材料的制备方法，其特征是：

(1)准备：按镁合金材料的成分配比准备纯Mg、纯Zn、Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，其中纯Mg的烧损量按5wt％计算，纯Zn的烧损量按3wt％计算，Mg-Zr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金的烧损量分别按15wt％计算；

(2)中间合金的加入：在工业用工频感应熔化炉中先将纯镁、纯Zn加热，在加热至400℃以上时通入1.0～2.0L/min的氩气进行保护，加热至720℃±10℃，保温15～30分钟使金属材料完全熔化，熔化后保持熔液温度720℃±10℃保温20min，依次加入Mg-Nd中间合金、Mg-Ga中间合金，熔化后保持熔液温度720℃±10℃，保温10～15分钟；之后加入Mg-Zr中间合金，熔化后保持熔液温度720℃±10℃，保温5分钟；

(3)浇铸工艺：浇铸温度控制在680℃～700℃之间，浇铸时间控制在Mg-Zr中间合金的加入后10分钟以内；

(4)采用热轧的方式对浇铸好的高强度高塑性镁合金进行塑性变形，总变形量控制在35％～45％之间；

(5)去应力退火工艺为：电阻炉加热，通入1.0～2.0L/min的氩气进行保护，温度控制在100℃～150℃之间，加热时间为10～30分钟。