CN103397235B - 一种镁-铝-锌-锰-铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型镁合金，合金各组分质量百分含量为：Al：5.0～10.0%；Zn：0.1～2.0%；Mn：0.1～1.0%：Cu：0.1～10.0%；不可避免杂质≤0.15%；其余为镁。本发明还提供一种制备所述合金的方法，包括熔炼、机加工、均匀化处理、挤压加工和固溶时效步骤。本发明的镁合金添加了铜，铜与合金中的铝、镁形成高热稳定性的Mg-Al-Cu相，该相弥散分布在基体上，在变形过程中可以钉扎晶界的移动，阻碍位错的滑移和攀移，抑制再结晶晶粒长大，提高合金的综合力学性能。本发明镁合金不含贵重金属，制备方法简单，生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金及其制备方法，特别涉及一种高强度镁-铝-锌-锰-铜系镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金作为最轻的商用金属结构材料，其的密度约为铝合金的2/3，钢铁的1/4。与其他金属结构材料相比，镁合金具有比强度、比刚度高，减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等优点，在汽车、电子、电器、交通、航空航天等领域具有广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，被称为21世纪的绿色工程材料。
根据镁合金的成型工艺，镁合金主要分为铸造镁合金和变形镁合金。变形镁合金材料通过挤压、锻造、轧制等变形工艺加工后，具有更高的强度、更好的延展性，更能满足多样化的需求。常见的变形镁合金有Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr系列，也就是人们通常说的AZ系列和ZK系列。AZ系镁合金具有中等强度，但塑性和高温性能较差。ZK系镁合金具有良好的强度以及塑性，并且具有优良高温性能，RE元素价格昂贵，大幅度提高了ZK系镁合金的生产成本。
因此，发展新的成本较低，综合力学性能优良的变形镁合金材料，对镁合金在未来广泛应用具有重大的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有优良的综合力学性能，并且生产成本低的镁合金。
本发明公开了一种镁-铝-锌-锰-铜合金，所述合金各组分质量百分含量为：
Al：5.0～10.0%；
Zn：0.1～2.0%；
Mn：0.1～1.0%；
Cu：0.1～10.0%；
不可避免杂质≤0.15%；
其余为镁。
进一步，所述镁-铝-锌-锰-铜合金各组分质量百分含量为：
Al：6.8～7.6%；
Zn：0.5～0.7%；
Mn：0.1～0.2%；
Cu：0.4～4.7%；
不可避免杂质≤0.15%；
其余为镁。
进一步，所述镁-铝-锌-锰-铜合金各组分质量百分含量为：
Al：7.08%；
Zn：0.54%；
Mn：0.14%；
Cu：0.49%；
不可避免杂质≤0.15%；
其余为镁。
本发明还公开了一种制备所述镁-铝-锌-锰-铜合金的方法，包括以下步骤：
1）熔炼：首先按照上述配方选取原材料，然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼并搅拌均匀，最后用水冷方式冷却所得熔液；
2）机加工：去除步骤1）所得合金表面的氧化层；
3）均匀化处理：加热步骤2）所得合金至410-430℃，并在此温度保温10-14小时，其中加热时间为380-400分钟；
4）挤压加工：将步骤3）所得合金挤压成棒材并快速冷却；
5）热处理：取步骤4）所得合金在400-430℃固溶处理1.5-2.5小时，水淬至室温；然后在150-200℃下时效20-60小时，水淬至室温。
本发明的有益效果在于：1）本发明的镁合金添加了铜，铜与合金中的铝、镁形成高热稳定性的Mg-Al-Cu相；该相弥散分布在基体上，在变形过程中可以钉扎晶界的移动，阻碍位错的滑移和攀移，显著的细化晶粒，提高合金的综合力学性能；2）本发明镁合金中的Mg-Al-Cu相能够提高合金的局部熔化温度，使合金可以在更高的温度下进行热机械加工，从而减少热机械加工变形抗力，提高了加工效率；3）本发明镁合金不含贵重金属，成本低；4）本发明镁合金制备方法工艺简单，对生产设备要求低。
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1为实施例1和4的镁合金的X-射线衍射谱。
图2为实施例1的镁合金铸态组织金相照片；
图3为实施例1的镁合金均匀化组织金相照片；
图4为实施例4的镁合金铸态组织金相照片；
图5为实施例4的镁合金均匀化组织金相照片；
图6为实施例1的垂直于挤压方向的挤压态镁合金的金相镜照片；
图7为实施例1的平行于挤压方向的挤压态镁合金的金相镜照片；
图8为实施例1的固溶态镁合金的金相照片；
图9为实施例1的时效态镁合金的扫描电镜照片。
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
本实施例中制备镁-铝-锌-锰-铜合金的方法，包括以下步骤：1）熔炼：首先按照表1实施例1的配方选取原材料，其中原材料为工业纯镁锭、工业纯铝、工业纯锌、Mg-5%Mn中间合金、纯铜粉末；然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼，当全部溶化后搅拌2-5分钟，使成分均匀；最后关闭感应炉，取出坩埚并用水冷方式冷却；2）机加工：车削加工去除步骤1）所得合金表面的氧化层，并且使加工后的镁合金的尺寸适合于挤压机加工；3）均匀化处理：随炉加热步骤2）所得合金至420℃，并在此温度保温12小时进行均匀化化退火，其中升温时间为150分钟；4）挤压加工：在挤压机将步骤3）所得合金挤压成棒材并快速冷却，其中挤压加工时主要工艺参数见表2；5）热处理：首先取步骤4）所得合金在420℃固溶处理2小时，水淬至室温；然后在150-200℃下时效20-60小时，水淬至室温。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所选取原材料比例与表1实施例2的配方相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所选取原材料比例与表1实施例3的配方相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所选取原材料比例与表1实施例4的配方相同。
表1本发明实施例中镁合金的化学组成
| 实施例 | Al（%） | Zn（%） | Mn（%） | Cu（%） | 杂质总量（%） | Mg |
| 实施例1 | 7.08 | 0.54 | 0.14 | 0.49 | 0.15 | 余量 |
| 实施例2 | 7.59 | 0.70 | 0.17 | 1.26 | 0.15 | 余量 |
| 实施例3 | 7.32 | 0.68 | 0.15 | 2.99 | 0.15 | 余量 |
| 实施例4 | 6.89 | 0.66 | 0.15 | 4.69 | 0.15 | 余量 |
表2本发明实施例镁合金挤压加工参数
| 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 |
| 1-4 | 400 | 400 | 400 | 0.7-1 | 25 |
下面结合实验数据对实施例1-4的制备方法相同、配比不同的镁-铝-锌-锰-铜合金的性能进行分析。
1、微观组织表征
（1）、取实施例1和4的铸态镁-铝-锌-锰-铜合金样品用X-射线衍射进行物相分析。
图1为实施例1和4的铸态镁-铝-锌-锰-铜合金的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、Mg17Al12和Mg-Al-Cu相。
（2）、取实施例1和4的合金样品，用金相显微镜进行金相分析。
图2和图3分别为实施例1的铸态和均匀化态组织金相照片，图4和图5分别为实施例4的铸态和均匀化态组织金相照片。对比图2与图4，可以看出，铜元素含量上升后，铸态组织的枝晶变得发达。对比图3与图5，可以看出，均匀化处理后，合金偏析均得到有效改善，而实施例4均匀化组织晶粒更细小，这是因为实施例4中Mg-Al-Cu相含量更高，而Mg-Al-Cu相在均匀化过程中对晶界的钉扎作用阻碍了晶粒长大。
图6和图7分别为实施例1垂直和平行于挤压方向的挤压态组织形貌，与图3的均匀化态组织相比，挤压加工明显细化了晶粒尺寸，同时挤压后第二相破碎并均匀分布在基体内，故可以有效提高性能。
图8为实例1的固溶态组织形貌，可以看出，固溶处理后晶粒尺寸有所长大，但是大部分第二相融入基体形成过饱和固溶体，这有利于提高合金的综合力学性能。
（3）、取实施例1的时效处理的态镁-铝-锌-锰-铜合金样品，用扫描电子显微镜（型号为TESCANVEGAⅡ）进行微观组织形貌分析。
图9是实施例1时效处理态镁-铝-锌-锰-铜合金样品的扫描电子显微镜照片，从中可以看出：析出相Mg17Al12呈层片状弥散分布，这种弥散分布的Mg17Al12可以有效提高合金强度。
2、力学性能测试
根据国标GB228-2002的标准，将本发明实施例1-4的时效后的镁-铝-锌-锰-铜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）。
表3本发明所述镁合金挤压棒材力学性能
从表三可以看出，实施例1-4镁合金的挤压综合力学性能优异，而T6（时效处理）处理后合金的强度指标得到进一步大幅提高。
取AZ31、AZ61、AZ80和ZK60镁合金与本发明实施例1的镁合金进行力学性能比较，相应数据见表4。
表4对比组镁合金挤压棒材的室温力学性能
从表4中可以得出，本发明实例1的挤压态镁合金与AZ31合金的挤压态相比抗拉强度提高了25.2%，屈服强度提高14.2%，延伸率提高50%；与AZ61合金的挤压态相比抗拉强度提高10.5%，屈服强度提高12.1%，延伸率提高20%；与AZ80合金的挤压态相比，综合力学性能也有所提高；与目前商业高强度镁合金ZK60合金相比，抗拉强度提高了5.9%，延伸率提高了26.7%；实施例1的T6态镁合金与AZ80合金其T6状态相比，抗拉强度和屈服强度分别提高4.4%和7.3%。
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-铝-锌-锰-铜合金各组分质量百分含量为：Al：5.0～10.0%，Zn：0.1～2.0%，Mn：0.1～1.0%，Cu：0.1～10.0%，不可避免杂质≤0.15%，其余为镁时；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 (3)
1.一种制备镁-铝-锌-锰-铜合金的方法，其特征在于：所述合金各组分质量百分含量为：
Al：5.0~10.0%；
Zn：0.1～2.0%；
Mn：0.1～1.0%；
Cu：0.1～10.0%；
不可避免杂质≤0.15%；
其余为镁；
所述合金制备方法包括以下步骤：
1）熔炼：首先按照上述配比选取原材料，然后将原材料放入充有氩气的真空感应炉中熔炼并搅拌均匀，最后用水冷方式冷却所得熔液；
2）机加工：去除步骤1）所得合金表面的氧化层；
3）均匀化处理：加热步骤2）所得合金至410-430℃，并在此温度保温10-14小时，其中加热时间为380-400分钟；
4）挤压加工：将步骤3）所得合金挤压成棒材并快速冷却；
5）热处理：取步骤4）所得合金在400-430℃固溶处理1.5-2.5小时，水淬至室温；然后在150-200℃下时效20-60小时，水淬至室温。
2.根据权利要求1所述的制备镁-铝-锌-锰-铜合金的方法，其特征在于：所述合金各组分质量百分含量为：
Al：6.8～7.6%；
Zn：0.5～0.7%；
Mn：0.1～0.2%；
Cu：0.4～4.7%；
不可避免杂质≤0.15%；
其余为镁。
3.根据权利要求1所述的制备镁-铝-锌-锰-铜合金的方法，其特征在于：所述合金各组分质量百分含量为：
Al：7.08%；
Zn：0.54%；
Mn：0.14%；
Cu：0.49%；
不可避免杂质≤0.15%；
其余为镁。
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