CN103225031B - 一种镁-锌-锰-锡-钕合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁-锌-锰-锡-钕合金及其制备方法，所述镁-锌-锰-锡-钕合金各组分质量百分含量为：Zn：2-8%，Mn：0.1-3%，Sn：1-6%，Nd：0.1-3%，不可避免杂质≤0.15%，其余为镁；所述制备方法包括以下步骤：首先将选取的原材料置于真空感应炉熔炼并用水冷方式冷却，然后车皮机加工熔炼合金到适合尺寸，接着退火处理加工后的合金，最后将上述退火合金挤压成棒材。本发明镁-锌-锰-锡-钕合金含有少量的稀土钕，熔炼及热加工时可以明显地细化晶粒，从而提高合金的综合力学性能；加入钕后用常规的方法加工就可以获得具有优异综合力学性能的镁合金，有利于降低生产成本。

Description

一种镁-锌-锰-锡-钕合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金，特别涉及一种镁-锌-锰-锡-钕合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的商用金属结构材料，常规镁合金比铝合金轻30-50%，比钢铁轻70%以上，可大大减轻结构件重量。同时，镁合金具有比强度、比刚度高，阻尼性能优良，机械加工方便，易于回收利用，具有环保等特性，被誉为“21世纪绿色工程金属结构材料”，在汽车、轨道交通、航空航天、家电以及3C等领域得到了广泛的应用，具有重要的商业应用价值。

根据生产方式的不同，镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。铸造镁合金晶粒粗大，成分偏析严重，性能较差，难以满足应用需求。变形镁合金强度和延展性等力学性能得到明显的改善，可以满足不同场合结构件的应用需求，因此，研究开发新型高性能、低成本变形镁合金就具有重要意义。

我国变形镁合金材料的研制与开发的重点是高强高韧变形镁合金，一般要求抗拉强度超过300MPa。常用的变形镁合金系是Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系。Mg-Al-Zn系镁合金典型牌号是AZ31，但其时效效果差，高温性能也较差。Mg-Zn-Zr系镁合金典型牌号是ZK60，该合金具有优良的室温和高温性能，但是生产成本高，限制其应用范围。因此，研发新型低成本、高强度、高塑性镁合金具有重要意义。

张丁非等发明人研发的高含锌量的镁-锌-锰系镁合金(专利申请号200710078329.X)不含稀土和贵金属，成本低廉，其断后伸长率较高，但是其挤压态的抗拉强度降低，低于330MPa。齐福刚等发明人研发的镁-锌-锰-锡系镁合金(专利申请号201110186910.X)挤压态强度高，但是其断后伸长率较低，低于11%，使用范围较窄。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种新型镁合金，该镁合金采用常规方法加工后就具有良好的综合力学性能，本发明还提供一种制备该镁合金的方法。

本发明公开一种镁-锌-锰-锡-钕合金，其组分及各组分质量百分含量为：

Zn：2-8%；

Mn：0.1-3%；

Sn:1-6%；

Nd：0.1-3%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

进一步，所述镁-锌-锰-锡-钕合金，其组分及各组分质量百分含量为：

Zn：5-6.3%；

Mn：0.6-1.1%；

Sn:3.1-4.5%；

Nd：0.1-1.2%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

进一步，所述镁-锌-锰-锡-钕合金，其组分及各组分质量百分含量为：

Zn：6.3%；

Mn：1.1%；

Sn:3.6%；

Nd：1.1%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。

一种制备所述镁-锌-锰-锡-钕合金的方法，包括以下步骤：

第一，选取适量原材料，各元素的质量百分含量为：Zn：2-8%；Mn：0.1-3%；Sn:1-6%；Nd：0.1-3%；不可避免杂质≤0.15%；其余为镁；

第二，将真空感应炉抽真空并充入氩气，将原材料放入真空感应炉加热融化并搅拌均匀；

第三，取出搅拌均匀的溶液并水冷冷却；

第四，车皮加工所得合金至适合挤压机挤压筒尺寸；

第五，将加工后的镁合金随炉升温至410-430℃，升温时间为380-410分钟，然后在此温度保温11-13小时；

第六，将热处理后的镁合金在挤压机上挤压成棒材，挤压加工温度为350-370℃；

第七，快速冷却上述挤压后的镁合金。

本发明镁-锌-锰-锡-钕合金含有少量的稀土钕，熔炼时钕在固液界面前富集，产生成分过冷，抑制晶粒长大，从而细化晶粒；另外钕与镁以及锌形成高熔点、高热稳定性的Mg2Sn和Mg-Zn-Nd化合物相，它们弥散分布在晶界和晶内，在热加工过程中钉扎晶界和位错，阻碍动态再结晶晶粒的长大，使晶粒得到进一步细化；晶粒的细化可以显著提高镁合金的综合力学性能。本发明制备方法不需要采用特殊的热变形加工方法，工艺简单，生产成本底。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的描述，图6～8中箭头方向为挤压流线方向。

图1是实施例3、4、5镁合金的X-射线衍射谱；

图2是ZMT614镁合金铸态组织金相照片；

图3是实施例3镁合金铸态组织金相照片；

图4是实施例4镁合金铸态组织金相照片；

图5是实施例5镁合金铸态组织金相照片；

图6是实施例3镁合金挤压态微观组织扫描电子显微镜照片；

图7是实施例4镁合金挤压态微观组织扫描电子显微镜照片；

图8是实施例5镁合金挤压态微观组织扫描电子显微镜照片；

图9是实施例5镁合金挤压态微观组织扫描电子显微镜高倍照片；

图10是实施例3镁合金挤压态拉伸断口形貌及扫描电镜的背散射电子像；

图11是实施例4镁合金挤压态拉伸断口形貌及扫描电镜的背散射电子像；

图12是实施例5镁合金挤压态拉伸断口形貌及扫描电镜的背散射电子像。

具体实施方式

下面用具体实施方式对本发明做进一步说明，以下实施例中的百分比均为质量百分比。实施例1：

第一步，选取原材料：其中原材料为工业纯镁、工业纯锌、工业纯锡、Mg-3%Nd稀土中间合金和Mg-5%Mn中间合金，计算原材料比重使各元素质量配比与表1实施例1的配方相同；第二步，熔炼：将真空感应炉抽真空并充入氩气，用坩埚盛放所选原材料然后置于真空感应炉加热融化并搅拌均匀；第三步，冷却：取出坩埚并水冷冷却；第四步，机加工：车皮加工所得合金至适合挤压机挤压筒尺寸，车皮加工可去除熔炼所得合金表面氧化层；第五步，均匀化处理：将加工后的镁合金随炉升温至410-430℃，升温时间为380-410分钟，然后在此温度保温11-13小时；第六步，挤压成型：将热处理后的镁合金在挤压机上挤压成棒材，挤压加工温度为350-370℃，其中挤压加工参数如表2所示；第七步，快速冷却上述挤压加工后的镁合金。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于实施例2中各元素质量配比与表1中实施例2的配方相同。

实施例3：

实施例3与实施例1的区别在于实施例2中各元素质量配比与表1中实施例3的配方相同。

实施例4：

实施例4与实施例1的区别在于实施例2中各元素质量配比与表1中实施例4的配方相同。

实施例5：

实施例5与实施例1的区别在于实施例2中各元素质量配比与表1中实施例5的配方相同。

表1本镁合金材料化学组成

编号	Mg（%）	Zn（%）	Mn（%）	Sn（%）	Nd（%）	Al、Cu、Ni、Si、Fe的总量（%）
							实施例1	90.37	5.47	0.61	3.39	0.15	≤0.15
实施例2	90.61	5.13	0.63	3.11	0.50	≤0.15
							实施例3	87.68	6.24	1.01	4.52	0.52	≤0.15
实施例4	88.34	5.91	0.92	3.93	0.88	≤0.15
							实施例5	87.91	6.28	1.07	3.59	1.12	≤0.15

表2本镁合金材料主要挤压参数

实施例	坯料温度（℃）	挤压筒温度（℃）	模具温度（℃）	挤压速度（m/min）	挤压比
						1-5	360	350	360	1-2	25

下面结合实验数据对实施例1-5的制备方法相同、配比不同的镁-锌-锰-锡-钕合金的性能进行分析。

1、微观组织表征

（1）、取实施例3、4、5的铸态镁-锌-锰-锡-钕合金样品用X-射线衍射进行物相分析。

图1为实施例3、4、5的镁-锌-锰-锡-钕合金的X-射线衍射图谱，从图中可以看到，合金中相组成主要为α-Mg、MgZn2、Mg2Sn、Mg-Sn-Nd以及少量的Mg-Zn-Nd三元共晶相，其中Mg-Zn-Nd三元共晶相，底心正交晶体结构，晶格常数为a=0.97nm，b=1.12nm，c=0.94nm，具有高熔点、高热稳定性。

（2）、取ZMT614镁合金、实施例3、4、5的铸态镁-锌-锰-锡-钕合金，用金相显微镜进行金相分析。

图2～5分别是ZMT614镁合金、实施例3、4、5的铸态镁-锌-锰-锡-钕合金的金相照片，从中可以看出：在铸造过程中，由于非平衡凝固，在枝晶上及枝晶间存在各种偏析（图2），使得铸锭的化学成分和组织不均匀，严重影响其力学性能。添加钕元素后，本发明的镁合金材料铸态晶粒和枝晶得到细化，随着钕元素含量增加，晶粒和枝晶进一步细化（图3-5）。

（3）、取挤压加工后的编号为实施例3、4、5的镁-锌-锰-锡-钕合金样品，用扫描电子显微镜（型号为TESCANVEGAⅡ）进行挤压态的形貌分析。

图6～8分别是编号为实施例3、4、5的挤压加工后的镁-锌-锰-锡-钕合金样品的扫描电子显微镜照片，图9为编号为E的挤压加工后的镁-锌-锰-锡-钕合金样品的扫描电子显微镜的高倍率照片，从中可以看出：随着钕元素添加量的增加，挤压态合金的析出相含量也增加，析出相主要为MgZn₂、Mg₂Sn和Mg-Sn-Nd三元相，含锡和含钕的高熔点相，弥散的分布在在晶界和晶内，钉扎晶界和位错，阻碍动态再结晶晶粒的长大，使晶粒得到明显细化，提高材料的综合力学性能；从图9可以看出，编号为E的合金晶粒的平均直径为1-5μm。

2、力学性能测试

根据国标GB228-2002的标准，将本发明实施例1-5的挤压加工后的镁-锌-锰-锡-钕合金样品加工成标准拉伸试样进行拉伸试样，拉伸样品为圆棒状，试样圆棒的轴线方向与材料的挤压流线方向相同，得出本发明所述镁合金的力学性能数据（见表3）。

取AZ31、ZM61、ZK60和ZMT614型镁合金作为本发明对比组，AZ31、ZM61、ZK60和ZMT614型镁合金力学性能数据（见表4），其中ZMT614-1.1Nd镁合金即为实施例5的镁合金。

表3本发明所述镁合金挤压棒材力学性能

合金	屈服强度（MPa）	抗拉强度（Mpa）	延伸率（%）
				实施例1	272	355	12.60
实施例2	264	338	8.94
				实施例3	258	347	17.35
实施例4	253	343	16.21
				实施例5	272	360	13.23

表4对比组镁合金挤压棒材的室温力学性能

合金	屈服强度（MPa）	抗拉强度（MPa）	延伸率（%）
				AZ31	200	270	12
ZM61	207	303	11
				ZK60	230	320	11
ZMT614	255	324	10.75
				ZMT614-1.1Nd	272	360	13.23

从表4中可以得出，本实施例5的ZMT614-1.1Nd合金与ZMT614合金相比，抗拉强度和屈服强度分别提高11%和6.67%；与ZM61合金相比，屈服强度、抗拉强度、延伸率都得到提高；与AZ31合金相比抗拉强度分别提高33.33%、，屈服强度提高36%，与目前商业高强度镁合金ZK60相比，抗拉强度提高了12.5%，屈服强度提高了18.26%，延伸率提高了20%，因此，本合金材料综合力学性能好，可替代ZK60用于对材料的力学性能要求高的领域。

图10～12分别是编号为实施例3、4、5的挤压加工后的镁-锌-锰-锡-钕合金样品断口形貌及背散射电子图，由断口形貌图可以看出：本发明的镁合金材料断口主要有解离面、韧窝、和凸起颗粒组成，说明合金断裂的方式为韧性断裂；随着Nd元素添加量的增加，合金断口的韧窝减少，凸起颗粒增多，合金的延伸率虽略有降低，但是抗拉强度和屈服强度得到了大幅提高；从背散射电子图可以看到第二相的分布，第二相主要为挤压流线上的MgZn₂、Mg₂Sn和Mg-Sn-Nd化合物，随着Nd元素添加量的增加第二相含量也逐渐增多。

本发明镁-锌-锰-锡-钕合金含有少量的稀土钕，熔炼时钕在固液界面前富集，产生成分过冷，抑制晶粒长大，从而细化晶粒；另外钕与镁以及锌形成高熔点、高热稳定性的Mg₂Sn和Mg-Zn-Nd化合物相，它们弥散分布在晶界和晶内，在热加工过程中钉扎晶界和位错，阻碍动态再结晶晶粒的长大，使晶粒得到进一步细化；晶粒的细化可以显著提高镁合金的综合力学性能。本发明制备方法不需要采用特殊的热变形加工方法，工艺简单，生产成本底。

最后，需要指出的是，本实施例只是用于说明本发明而非限制，事实上，当镁-锌-锰-锡-钕合金各组分质量百分含量分别为：Zn：2-8%；Mn0.1-3%；Sn:1-6%；Nd：0.1-3%；不可避免杂质≤0.15%；其余为镁基体时，合金都具有较好的综合力学性能，仍属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种镁-锌-锰-锡-钕合金，其特征在于：其组分及各组分质量百分含量为：

Zn：5-6.3%；

Mn： 0.6-1.1%；

Sn:   3.1-4.5%；

Nd：  0.5-1.2%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁；

该镁合金由以下方法制得：

第一，按照所述质量百分含量选取原材料；

第二，将真空感应炉抽真空并充入氩气，将原材料放入真空感应炉加热融化并搅拌均匀；

第三，取出搅拌均匀的溶液并水冷冷却；

第四，车皮加工所得合金至适合挤压机挤压筒尺寸；

第五，将加工后的镁合金随炉升温至410-430℃，升温时间为380-410分钟，然后在此温度保温11-13小时；

第六，将热处理后的镁合金在挤压机上挤压成棒材，挤压加工温度为350-370℃；

第七，快速冷却上述挤压后的镁合金。

2.如权利要求1所述镁-锌-锰-锡-钕合金，其特征在于：其组分及各组分质量百分含量为：

Zn： 6.3%；

Mn： 1.1%；

Sn:   3.6%；

Nd：  1.1%；

不可避免杂质≤0.15%；

其余为镁。