CN102952984B

CN102952984B - 一种变形镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN102952984B
Application number: CN201110250350.XA
Authority: CN
Inventors: 李绍青; 菅永喜; 张法亮
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: Changshu Huaye Steel Strip Co Ltd
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-08-29
Also published as: CN102952984A

Abstract

一种变形镁合金，所述变形镁合金中各组分的重量百分比为：Mn：1.5wt%-2.5wt%；Y：0.5 wt%-1.5wt%；Ti：0.1wt%-0.5wt%；余量为Mg和杂质。其中限制杂质元素重量百分比的含量为：Si＜0.03wt%；Fe＜0.004wt%；Cu＜0.003wt%;Ni＜0.002wt%。本发明主要是在现有的Mg-Mn系镁合金熔炼工艺中通过添加稀土元素Y和金属元素Ti，来提高Mg-Mn系镁合金的综合力学性能，从而使其更适合挤压生产要求。

Description

一种变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是所有结构用金属材料中重量最轻的，并且还具有比强度和比刚度高、机械加工性能优良、铸造性好等优点，在汽车、电子电器、通讯、航空航天和国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料。

传统以模铸、压铸等铸造工艺生产的镁合金产品，容易出现晶粒粗大、组织疏松、成分偏析且力学性能偏低等缺陷，不能充分发挥镁合金的性能优势。目前，国内外均十分重视变形镁合金的研究与开发，变形镁合金是指可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工的镁合金，与铸造镁合金相比，变形镁合金的晶粒细小，无偏析和微观孔洞，具有优良的综合性能。

目前，镁合金工业上熔炼而制得的Mg-Mn系变形镁合金，虽然具有优良的耐腐蚀性能和焊接性能，但其强度、硬度及韧性较低，即综合力学性能较低，极大的限制了其应用。其中以常见的MB8牌号为例，虽然也能满足一定的挤压生产要求，但其力学性能较低，挤压效率也较低，难以满足大规模的生产和使用的要求。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的变形镁合金的综合力学性能低和挤压效率低的问题，提供一种综合性能优良的变形镁合金。

本发明提供了一种变形镁合金，所述变形镁合金中各组分的重量百分比为：Mn：1.5 wt%-2.5 wt%；Y：0.5 wt%-1.5 wt%；Ti：0.1 wt%-0.5 wt%；余量为Mg和杂质。

优选地，所述变形镁合金中各组分的重量百分比为：Mn：1.8 wt%-2.0 wt%；Y：0.8 wt%-1.2 wt%；Ti：0.2wt%-0.4 wt%；余量为Mg和杂质。

所述杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni中的一种或几种，以变形镁合金的总重量为基准，各杂质元素的重量百分比为：0≤Si＜0.03 wt%；0≤Fe＜0.004 wt%；0≤Cu＜0.003 wt%; 0≤Ni＜0.002 wt%。

本发明还提供了一种上述变形镁合金的制备方法，包括以下步骤，将配方量的镁合金原料经过熔融合金化、精炼、浇铸、挤压成型制得所述变形镁合金；其特征在于，所述镁合金原料包括：镁锭、电解锰锭、钇锭以及钛锭；其中各组成元素的重量百分比为：Mn：1.5 wt%-2.5 wt%；Y：0.5 wt%-1.5 wt%；Ti：0.1 wt%-0.5 wt%；余量为Mg和杂质。

优选地，所述镁合金原料中各组成元素的重量百分比为：Mn：1.8 wt%-2.0 wt%；Y：0.8 wt%-1.2 wt%；Ti：0.2wt%-0.4 wt%；余量为Mg。

本发明在现有镁锰系镁合金中添加稀土元素钇和金属元素钛，熔炼后，形成Mn₂Y、Mg₉Y与TiMn₂三种金属间化合物，金属元素Y一部分溶解于固溶体中，形成沉淀相Mn₂Y，沉淀相Mn₂Y和Mg原子之间保持共晶格或半共晶格的关系，使金属原子的晶格产生畸变，在每个细小沉淀相附近存在着较大范围的应力场，与金属晶体的位错滑移运动发生交互作用，从而阻碍了位错滑移运动，起到固溶强化的作用；而另一部分Y和Mg之间以及Ti和Mn之间形成的金属间化合物Mg₉Y与TiMn₂作为弥散相细小分布在镁基体中，可以阻碍再结晶晶粒的生长，同时在挤压状态下，晶粒的孪生受到抑制，从而挤压后得到细小的动态再结晶晶粒，使晶粒得到细化，起到弥散强化的作用，显著提高了合金的综合力学性能。

本发明的变形镁合金除保留了自身优良的耐腐蚀性能和焊接性能外，还具有良好的综合力学性能，提高了挤压效率，也极大的提升镁合金的生产效率。

具体实施方式

本发明的发明人在长期的镁合金成分研究中，意外的发现通过在Mg-Mn系变形镁合金中添加一定量的稀土元素钇与金属钛元素，能够提高变形镁合金的综合力学性能。据此，本发明提供了一种变形镁合金，其各组分的重量百分比为：Mn：1.5 wt%-2.5 wt%；Y：0.5 wt%-1.5 wt%；Ti：0.1 wt%-0.5 wt%；余量为Mg以及少量的Si、Fe、Ni、Cu等杂质中的一种或几种，其中，0≤Si＜0.03 wt%；0≤Fe＜0.004 wt%；0≤Cu＜0.003 wt%; 0≤Ni＜0.002 wt%。

在优选情况下，为了获得综合性能更佳的变形镁合金，所述变形镁合金的化学成分按重量百分比计：Mn：1.8 wt%-2.0 wt%；Y：0.8 wt%-1.2 wt%；Ti：0.2wt%-0.4 wt%，余量为Mg，和杂质。

本发明的变形镁合金制备可采用目前常用的镁合金熔炼及挤压成型工艺，其中，熔炼工艺采用现有的备料→熔融合金化→精炼→浇注的步骤，现将本发明变形镁合金的制备方法的各步骤具体详述如下。

步骤1、备料：

1）原材料：准备好配方量的纯镁锭（纯度≥99.9wt%）、电解锰（纯度≥99.9 wt%）、纯钇锭（纯度≥99.9 wt%）以及钛锭（纯度≥99.9 wt%）；

2）助熔剂：底熔剂、覆盖剂和精炼剂，均可采用现有的用于镁合金制备的底熔剂、覆盖剂和精炼剂，例如：覆盖剂RJ-6、精炼剂RJ-5；

3）保护气氛：保护气氛为SF₆加CO₂、N₂、稀有气体中的一种或几种。且SF₆与CO₂、N₂或稀有气体中的一种或几种的体积比位于1:100-1:150之间。

步骤2、干燥：将原料进行干燥处理，将准备好的金属Mg、电解Mn、金属Ti及金属Y在120℃±10℃温度下烘干，烘干的作用是为了去除原料中的水分，防止熔炼过程中，水与镁反应产生爆炸。

步骤3、熔融合金化：

1）、熔化：在整个熔炼过程中，持续向坩埚中通入Ar+SF6气体进行保护，先将坩埚预热至300-350℃，再将称量好的镁锭、电解锰锭放入坩埚中并加入底熔剂加热熔化，底熔剂的用量占变形镁合金总量的1.5-2.5 wt%，待镁锭、电解锰锭全部熔化后，加入已称量好的钇锭，继续加热，待金属钇充分熔化后，搅拌均匀，制得镁合金中间熔液，整个熔化过程的时间控制在2-6H，且镁合金熔液的最终温度控制在670-690℃。在整个熔化过程中不时均匀地撒入覆盖剂以防止燃烧，撒覆盖剂的一般原则是：不使金属表面启燃，加入量尽量小，能够覆盖住熔液表面即可，覆盖剂的用量约占变形镁合金总量的0.3-0.5wt%；因为镁的活性高，在空气中加热，易氧化烧损，且在熔融状态下，无覆盖剂保护时，会剧烈的燃烧，因而整个熔炼过程需要在Ar+SF6气体保护下进行，并且需要撒入覆盖剂；

2）、混熔：当溶液温度达到700℃~720℃时，继续向镁合金中间熔液中通入Ar+SF6进行保护，同时加入称量好的金属元素钛，并采用机械搅拌，混熔的时间控制在1-20min，温度最终控制在720-750℃，混熔后得到镁合金熔液。

步骤4、精炼：向镁合金熔液中通入Ar+SF6进行保护，同时在镁合金熔液的表面均匀撒入精炼剂进行精炼，并采用机械搅拌，精炼剂的用量约占变形镁合金总量的1.5-2.5wt%，然后升温，温度控制在720-750℃，时间控制在30-45min，使加入的金属在较高的温度下更好的合金化；结束后静置降温，静置时间控制在5-20min，温度控制在660-700℃，使熔剂和夹杂物沉降，使合金更加均匀化，得到镁合金熔体。

步骤5、浇注：将精炼后的镁合金熔体注入模具中，成型后脱模，制得镁合金铸棒，浇注的条件为：在650-700℃的温度下，并在保护气氛中进行，保护气氛通常为SF6加CO2、N2、稀有气体中的一种或几种。

步骤6：挤压成型：根据挤压工艺的要求，先将镁合金铸棒进行10-12H的均匀化退火处理，再将挤压模具预热至350-450℃的条件下，将镁合金铸棒置于挤压筒中，装好模具，通过挤压机进行挤压，最后制得镁合金挤压型材，其中，挤压温度控制在300-450℃，挤压比控制在10：1-100：1，挤压速度控制在5m/min-20m/min。

现在所有用于镁合金制备工艺的底熔剂、覆盖剂和精炼剂均可用于本发明制备过程中。

以下结合具体实施例，对本发明进行详细地说明。

实施例1

本发明实施例1的变形镁合金的制备方法，包括下述步骤：1、烘干：将准备好的原料：纯镁、电解锰、纯钇、以及纯钛（纯度≥99.9 wt%）的铸锭进行烘干处理，其中烘干温度都为120℃。

2、熔炼：在整个熔炼过程中，持续向电阻坩埚中通入CO₂+SF₆气体进行保护，先将电阻坩埚预热至300℃，在坩埚侧壁和底部撒上适量的底溶剂RJ-4和覆盖剂RJ-6，然后放入称量好的Mg金属锭和电解锰，继续加热，待Mg金属锭和电解锰全部熔化后，在690℃的温度下加入已称量好的0.8wt%金属钇锭并不时的均匀撒下覆盖剂RJ-6；待金属钇全部熔化后，再在720℃温度下加入的0.2wt%金属钛，同时不时均匀地撒下覆盖剂RJ-6，待上述合金充分熔化后，搅拌均匀，同时保温5min；加入精炼剂RJ-5进行精炼，在精炼的过程中，精炼剂的加入量为变形镁合金总量的10%左右，加入后充分搅拌、静置5min，然后升温至760℃保温10min，再降温720℃静置5min，再浇入预热温度为250℃的铁模中，制得镁合金铸棒。

3、挤压：根据挤压工艺要求，先将镁合金铸棒进行10-12H的均匀化退火处理，并将挤压模具预热至400℃的条件下，在挤压机上进行挤压型材，其中挤压温度控制在380℃，挤压比控制在30：1，而挤压速度控制在12m/min，得到镁合金挤压型材A1。

实施例2

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，钛的添加量为0.3wt%，制得镁合金挤压棒A2。

实施例3

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，钛的添加量为0.4wt%，制得镁合金铸棒A3。

实施例4

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，钇的添加量为1.0wt%，制得镁合金铸棒A4。

实施例5

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，钇的添加量为1.0wt%，而钛的添加量为0.3wt%，制得镁合金铸棒A5。

实施例6

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，钇的添加量为1.0wt%，而钛的添加量为0.4wt%，制得镁合金铸棒A6。

实施例7

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，钇的添加量为1.2wt%，制得镁合金铸棒A7。

实施例8

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，钇的添加量为1.2wt%，而钛的添加量为0.3wt%，制得镁合金铸棒A8。

实施例9

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，钇的添加量为1.2wt%，而钛的添加量为0.4wt%，制得镁合金铸棒A9。

对比例1

对比例1用于说明没有添加钇和钛的变形镁合金的性能，其余与实施例1相同，制得镁合金挤压棒B1。

性能测试：

1）化学成分测试：

将上述实施例1-9制备的镁合金挤压棒A1-A9以及对比例1制备的镁合金挤压棒B1分别进行化学成分检测（ICP测试）、所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1；

2）力学性能测试

按照铝镁合金测试国标要求对挤压型材进行力学性能测试（通过万能力学试验机测试，显微维氏硬度仪测试与冲击韧性试验机进行测试），得到力学性能测试结果见表2。

根据上述表2的数据可以看出，变形镁合金中加入稀土元素Y和金属元素钛后，其力学性能提升很大。其中当Y含量为1.0wt%，Ti含量为0.3 wt%时，合金的性能达到最高值，各项力学性能都比未加入的合金高出一倍以上。因此，可以看出这组成分含量为最优成分。

Claims

1.一种变形镁合金，其特征在于，所述变形镁合金中各组分的重量百分比为：Mn：1.8 wt%-2.0 wt%；Y：0.8 wt%-1.2 wt%；Ti：0.3 wt%-0.5 wt%；余量为Mg和杂质。

2.根据权利要求1所述的变形镁合金，其特征在于，所述变形镁合金中各组分的重量百分比为：Mn：1.8 wt%-2.0 wt%；Y：0.8 wt%-1.2 wt%；Ti：0.3wt%-0.4 wt%；余量为Mg和杂质。

3.根据权利要求1或2所述的变形镁合金，其特征在于，所述杂质元素为Si、Fe、Cu、Ni中的一种或几种，以变形镁合金的总重量为基准，各杂质元素的重量百分比为：0≤Si＜0.03 wt%；0≤Fe＜0.004 wt%；0≤Cu＜0.003 wt%; 0≤Ni＜0.002 wt%。

4.一种变形镁合金的制备方法，包括以下步骤，将镁合金原料经过熔融合金化、精炼、浇铸、挤压成型制得所述变形镁合金；其特征在于，所述镁合金原料包括：镁锭、电解锰锭、钇锭以及钛锭；其中各组成元素的重量百分比为：Mn：1.8 wt%-2.0 wt%；Y：0.8 wt%-1.2 wt%；Ti：0.3wt%-0.5 wt%；余量为Mg和杂质。

5.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述镁合金原料中各组成元素的重量百分比为：Mn：1.8 wt%-2.0 wt%；Y：0.8 wt%-1.2 wt%；Ti：0.3wt%-0.4 wt%；余量为Mg和杂质。

6.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，在所述熔融合金化步骤前对原料进行干燥处理，将镁锭、电解锰、钛锭和钇锭在120℃±10℃温度下烘干。

7.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述熔融合金化步骤为先将坩埚预热至300-350℃，将镁锭、电解锰锭放入坩埚中同时加入底熔剂加热熔化，底熔剂的用量占变形镁合金总量的1.5-2.5 wt%，待镁锭、电解锰锭全部熔化后，加入钇锭，继续加热，待金属钇充分熔化后，搅拌均匀，得到镁合金中间熔液，最终温度控制在670-690℃；继续加热镁合金中间熔液，当温度达到700-720℃时，加入钛锭，搅拌均匀，温度最终控制在720-750℃，得到镁合金熔液；在熔化过程中均匀的撒入占变形镁合金总量的0.3-0.5wt%的覆盖剂。

8.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述精炼步骤为在镁合金熔液表面撒入精炼剂，并搅拌均匀，所述精炼剂占变形镁合金总量的1.5-2.5wt%，升温到720-750℃加热30-45分钟，然后再降温至660-700℃静置5-20分钟，得到镁合金熔体。

9.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述浇铸步骤为将精炼后的镁合金熔体在650-700℃的温度下注入模具中，成型后脱模，制得镁合金铸棒。

10.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述挤压成型步骤为先将镁合金铸棒进行10-12小时的均匀化退火处理，再将挤压模具预热至350-450℃的条件下，通过挤压机进行挤压，最后制得镁合金挤压型材，其中，挤压温度控制在300-450℃，挤压比控制在10：1-100：1，挤压速度控制在5m/min-20m/min。

11.根据权利要求7、8或9中任意一项所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述变形镁合金的熔融合金化、精炼和浇铸步骤均在保护气体下进行，所述保护气体为SF₆加CO₂、N₂或稀有气体中的一种或几种，且SF₆与CO₂、N₂或稀有气体中的一种或几种的体积比位于1:100-1:150之间。