CN103290290A

CN103290290A - 一种低成本变形镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN103290290A
Application number: CN2013102583081A
Authority: CN
Inventors: 潘复生; 佘加; 汤爱涛; 陈先华
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明属于镁合金设计领域，属于一种低成本新型的变形镁合金，其原料组分及质量百分含量为：锡：0.10%～3.00%之间；铝：6.10%～9.00%之间；锰：0.10%～1.00%之间；其余为工业纯镁和不可避免的杂质；同时还可加入0.10%～1.00%之间的钙。制备步骤为：先融化镁和铝，然后再加入锡，再加入微合金化元素锰或钙，通过搅拌、精炼处理之后浇注成铸锭，随后进行铸锭的均匀化热处理，挤压得到相应的挤压型材。本发明的特征在于，利用相对廉价、并且熔点都较低的原料铝，控制成本较高的原料锡的含量制备出强度和韧性都较好的新型变形镁合金。

Description

一种低成本变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种强度和韧性兼备的低成本变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金有着密度小、比强度高、具有优良的电磁屏蔽性能，以及良好的阻尼性能等优点，并且我国镁资源丰富。在能源越来越少的今天，人们更加迫切的希望大规模的应用密度较小的镁合金取代密度较高的结构材料，以达到节能减排的作用，对轻量化的最求使得镁合金成为了研究的热点。但是现有的成熟的商用镁合金品类并不是很多，普遍存在的问题是：成本较低的强度不高，如典型的AZ系；而强度较高的成本也较高，并且制备工艺较为苛刻，如ZK系，因为合金中含有强化效果较好的镁-锌相，所以该合金强度较高，但由于该合金需要添加微合金化元素锆，并且由于锆在熔炼的过程中烧损很严重，并且不易精确的控制其成分，导致其成本较高，从而制约了其发展。而含稀土的镁合金无论是强度还是塑性都很好，同时添加锌元素之后形成一个性能较为优异的体系(镁-稀土-锌)，已经发展成为一种高强镁合金。但是由于稀土的价格较贵，所以不易于大量应用在民用领域。稀土资源有限，开采容易造成很多的环境问题，导致其价格也随之越来越高。所以，目前迫切需要开发不含稀土的高性能的镁合金，所以现在国内外的很多研究者致力于新体系（不含稀土）的镁合金的研究与开发。在这种大环境下，镁-锡体系中由于锡在镁中的最大固溶度达到质量分数14.48%，而随着温度的下降，200℃时固溶度小于1%；并且锡的加入可以降低合金的层错能，提高合金的塑性，从而引起了广大研究者的关注。

然而现有的镁锡铝相关体系的变形镁合金仅有王慧远等人在中国专利“一种高塑性镁合金及其制备方法”（公开号为：CN101985714A）中公开了一种镁锡铝锶锰多元的变形镁合金，该专利是利用铸轧或者传统的铸造再变形的加工工艺制备出具有高塑性的镁锡铝锰锶变形镁合金。针对镁锡铝体系变形镁合金的研究仅限于高塑性的体系这一现状，有必要从工艺以及合金成分的设计方面拓展相关的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种对塑性没有高要求的低成本的变形镁合金及其制备方法，采用镁-锡-铝三元体系，通过合理控制锡的用量，在降低成本的同时，得到一种强度和韧性都较好的变形镁合金。

本发明所涉及的低成本的变形镁合金原料组分及质量百分含量为：锡：0.10%～3.00%；铝：6.10%～9.00%；锰：0.10%～1.00%；其余为工业纯镁和不可避免的杂质；同时还可加入0.10%～1.00%之间的钙。所述工业纯镁、铝以及锡纯度都在99%以上；锰是以4%的镁锰中间合金的形式添加；钙是以30%的镁钙中间合金的形式添加。

所述低成本变形镁合的其制备步骤如下：

1）熔炼铸锭：按以上组分称取原料，在保护气的保护下，先对纯镁和纯铝在720℃到740℃之间进行熔炼待全部融化之后并上升到740℃，温度稳定之后加入预热至150℃的锡和预热至300～400℃的镁锰、镁钙中间合金，加入精炼剂充分搅拌3-6分钟，并在720℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣，在预热至250～350℃的铁模660℃的条件下浇注。

2）均匀化处理：将步骤1)所制备的镁锭用石墨覆盖，在410～500℃的条件下均匀化处理24小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁锭。

3）挤压：将步骤2)所均匀化处理后的镁锭，车皮之后在250～350℃下预热2小时，涂覆上镁合金润滑剂，挤压比为20：1～80：1，挤压速度为0.50～3.00m/min，在250～350℃下进行挤压（最好是300℃），制备出型材。

本发明提出的镁-锡-铝合金是一种新型的低成本的变形镁合金，经申请人大量的研究发现，在镁-锡-铝三元体系中，只有Mg₁₇Al₁₂、Mg₂Sn和镁基体三个相，并且铝和锡在镁中的最大固溶度分别达到了17%和14.48%，而锡随着温度的降低在200℃左右其固溶度降到不到1%，由于锡相对于铝来说成本较高，这样在不影响性能的前提下将其用量控制在一个合理的范围以内，从而控制其合金的组分达到低成本的目的，在该体系中经大量的实验显示，添加少于3.00%的锡能够在热挤压或者变形的过程中析出大量的细小的Mg₂Sn第二相，起第二相强化的效果，所以本申请将锡的添加量控制在3.00%以内。而由于本发明不是获得高塑性镁合金，是为了制备出强韧兼备的镁合金，因此铝的用量必须要在6.10%以上，其在合金中不仅可以起到固溶强化的作用，还可以起到以Mg₁₇Al₁₂第二相强化的作用。从实例4和5的性能对比可以发现，采用合金化元素锶和钙所得到的性能大体相当，在试样的制备过程中发现，含有钙的熔体是不容易燃烧的，而含有锶的是很容易燃烧的，所以本发明选用了有阻燃作用的合金化元素钙，使得合金在熔炼过程中不容易烧损，更加有利于控制合金中合金化元素的含量；同时少量钙的添加在合金中，可以改善Mg₂Sn析出强化相的析出形貌，从而阻止再结晶晶粒长大，有一定提升强度的作用。因此，本发明对锡和铝的合理匹配，在不需要添加其他起加强作用的元素的情况下，既保证了合金的性能，又有效地降低了成本，可以通过调整不同的锡、铝含量制备出不同性能的合金，其抗拉强度在280～373MPa之间，屈服强度在202～275MPa之间，延伸率在10.1～20.7%之间。

本发明所用的原料都相对廉价，利用相对廉价、并且熔点都较低的原料铝，特别是在不影响性能的前提下把锡控制在了3%以内，达到了一个低成本的目的。并且由于选择的原料的熔点都较低，通过较为简单的熔炼—均匀化热处理—挤压工艺，就能制备出强度和韧性都较好的新型变形镁合金，可以通过控制锡、铝的含量制备出对强度和塑性有不同要求的低成本变形镁合金。

具体实施方式

实施例1

1)按照重量百分比称取以下成分：锡为：1.00%；铝为：6.10%；锰为：0.30%；余量为镁。

2)在保护气的保护下，先对纯镁和纯铝在720℃到740℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到740℃稳定之后加入预热至150℃的锡和预热至300℃的镁锰中间合金，并加入精炼剂六氯乙烷充分搅拌3-6分钟，将熔体在720℃静置20分钟，并打掉表面的浮渣，在660℃的条件下浇注至预热到350℃的铁模中，制备出铸锭。

3)将所制备的镁锭用石墨覆盖，在420℃的条件下均匀化处理24小时，然后水淬，得到均匀化处理的试样。

4)将均匀化处理后的镁锭，车皮之后在300℃下预热2小时，涂覆上镁合金润滑剂，在挤压比为25:1，挤压速度为0.9～1.2m/min300℃的条件下进行挤压得到棒材。该合金抗拉强度为：304MPa；屈服强度为：202MPa；延伸率为：19.0%。

实施例2

1)按照重量百分比称取以下成分：锡为：2.90%；铝为：7.00%；锰为：0.30%；余量为镁。

2)在保护气的保护下，先对纯镁和纯铝在720℃到740℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到740℃稳定之后加入预热至150℃的锡和预热至400℃的镁锰中间合金，并加入精炼剂六氯乙烷充分搅拌3-6分钟，将熔体在720℃静置10分钟，并打掉表面的浮渣，在660℃的条件下浇注至预热到250℃的铁模中，制备出铸锭。

4)将均匀化处理后的镁锭，车皮之后在300℃下预热2小时，涂覆上镁合金润滑剂，在挤压比为25:1，挤压速度为0.9～1.2m/min300℃的条件下进行挤压得到棒材。该合金抗拉强度为：325MPa；屈服强度为：215MPa；延伸率为：15.0%。

实施例3

1)按照重量百分比称取以下成分：锡为：1.00%；铝为：9.00%；锰为：0.30%；余量为镁。

2)在保护气的保护下，先对纯镁和纯铝在720℃到740℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到740℃稳定之后加入预热至150℃的锡和预热至350℃的镁锰中间合金，并加入精炼剂六氯乙烷充分搅拌3-6分钟，将熔体在720℃静置20分钟，并打掉表面的浮渣，在660℃的条件下浇注至预热到300℃的铁模中，制备出铸锭。

4)将均匀化处理后的镁锭，车皮之后在300℃下预热2小时，涂覆上镁合金润滑剂，在挤压比为25:1，挤压速度为0.9～1.2m/min300℃的条件下进行挤压得到棒材。该合金抗拉强度为：373MPa；屈服强度为：275MPa；延伸率为：10.1%。

实施例4

1)按照重量百分比称取以下成分：锡为：1.00%；铝为：7.00%；锰为：0.30%；钙为：0.30%；余量为镁。

2)在保护气的保护下，先对纯镁和纯铝在720℃到740℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到740℃稳定之后加入预热至150℃的锡和预热至350℃的镁锰与镁钙中间合金，并加入精炼剂六氯乙烷充分搅拌3-6分钟，将熔体在720℃静置18分钟，并打掉表面的浮渣，在660℃的条件下浇注至预热到350℃的铁模中，制备出铸锭。

4)将均匀化处理后的镁锭，车皮之后在300℃下预热2小时，涂覆上镁合金润滑剂，在挤压比为25:1，挤压速度为0.9～1.2m/min300℃的条件下进行挤压得到棒材。该合金抗拉强度为：351MPa；屈服强度为：252MPa；延伸率为：14.3%。

实施例5

1)按照重量百分比称取以下成分：锡为：1.00%；铝为：7.00%；锰为：0.30%；锶为：0.30%；余量为镁。

2)在保护气的保护下，先对纯镁和纯铝在720℃到740℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到740℃稳定之后加入预热至150℃的锡和预热至300～400℃的镁锰中间合金，并加入精炼剂六氯乙烷充分搅拌3-6分钟，将熔体在720℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣，在660℃的条件下浇注至预热到250～350℃的铁模中，制备出铸锭。

4)将均匀化处理后的镁锭，车皮之后在300℃下预热2小时，涂覆上镁合金润滑剂，在挤压比为25:1，挤压速度为0.9～1.2m/min300℃的条件下进行挤压得到棒材。该合金抗拉强度为：356MPa；屈服强度为：240MPa；延伸率为：14.5%。

以上各例中的保护气为六氟化硫和二氧化碳，其成分是：二氧化碳中加入0.5%～1.5%的六氟化硫。

Claims

1.一种低成本变形镁合金，其特征在于，其原料组分及质量百分含量为：锡：0.10%～3.00%；铝：6.10%～9.00%；锰：0.10%～1.00%；其余为工业纯镁和不可避免的杂质；所述工业纯镁、铝以及锡纯度都在99.00%以上；锰是以4.00%的镁锰中间合金的形式添加。

2.根据权利要求1所述的低成本变形镁合金，其特征在于，还可加入0.10%～1.00%的钙，钙是以30.00%的镁钙中间合金的形式添加。

3.权利要求1所述的低成本变形镁合金的制备方法，其步骤为：

1)熔炼铸锭：按权利要求1的组分称取原料，在保护气的保护下，先对工业纯镁和工业纯铝在720℃到740℃之间进行熔炼，待全部融化，温度上升到740℃稳定之后加入预热至150℃的工业纯锡和预热至300～400℃的镁锰、镁钙中间合金，并加入精炼剂充分搅拌3-6分钟，将熔体在720℃静置10～20分钟，并打掉表面的浮渣，在660℃的条件下浇注至预热到250～350℃的铁模中，制备出铸锭;

2)均匀化处理：将步骤1)所制备的镁锭用石墨覆盖，在410～500℃的条件下均匀化处理24小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁锭;

3)挤压：将步骤2)所均匀化处理后的镁锭，车皮之后在250～350℃下预热2小时，涂覆上镁合金润滑剂，在250～350℃进行挤压；挤压比为20：1～80：1，挤压速度为0.50～3.00m/min。

4.根据权利要求3所述的低成本变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述挤压温度控制在300℃。

5.根据权利要求3或4所述的低成本变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述保护气的成分是：二氧化碳中加入0.5%～1.5%的六氟化硫。

6.根据权利要求3或4所述的低成本变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述精炼剂采用六氯乙烷。