CN103498086B

CN103498086B - 一种高强度高韧性镁合金及其制备工艺

Info

Publication number: CN103498086B
Application number: CN201310417034.6A
Authority: CN
Inventors: 朱世杰; 关绍康; 王利国; 王剑锋; 季川祥; 任晨星; 张春香
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Qiji Jiangsu Technology Service Co ltd
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2033-09-13
Also published as: CN103498086A

Abstract

本发明属于金属材料领域，具体涉及高强度高韧性镁合金，同时涉及一种该镁合金的制备工艺。高强度高韧性镁合金各成分的质量百分比为：3.0~10.0%Zn，1.0~6.0%Y，0~1.0%Zr，杂质元素Fe<0.005%、Cu<0.015%、Ni<0.002%，其余为Mg。本发明工艺不仅细化了合金的晶粒，同时细化了在常规凝固中所存在的粗大的共晶相，改善了粗大共晶相的分布状态，然后在基体中析出了弥散的沉淀相，从而实现了细晶强化、第二相强化与沉淀强化的复合强化，极大地提高了合金的强度，解决了镁合金的强度较差的问题。

Description

一种高强度高韧性镁合金及其制备工艺

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及高强度高韧性镁合金，同时涉及一种该镁合金的制备工艺。

背景技术

金属镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料，具有比重最轻，加工能量性能优良，减振性能和磁屏蔽性能，高的比强度和比刚度，易于回收利用等优点，被称为“21世纪最具发展潜力和可持续发展的绿色工程材料”，引起国内外的高度关注。随着现代汽车工业、航天航空、电子工业、家用电器工业的快速发展，对镁合金的强度提出了更高的要求。镁合金的强度低于铝合金和钢铁材料，要拓宽镁合金的应用必须进一步提高镁合金的强度。能否和如何进一步从根本上改变超高强度镁合金的物理、化学和机械性能，对超高强度镁合金的研究和制备具有重要的意义。

镁中加入Zn可显著提高合金的屈服强度，并且其延伸率与Mg-Al系合金相近，具有良好的力学性能。但是Mg-Zn二元系合金的平衡结晶温度间隔较大，可达290℃，故此种合金在常规凝固条件下的铸造性能较差，容易出现枝晶粗大、区域偏析和热裂等缺陷。Mg-Zn-RE合金系是目前开发高强镁合金结构材料的一个热点，已有研究表明加入少量的稀土元素可以提高镁合金的流动性，细化晶粒，强化固溶体，在镁合金中生成弥散分布的金属间化合物，强化晶界，显著提高耐热强度。加入Y可以提高镁合金在室温和高温下的力学性能，同时可改善其抗腐蚀性能。在镁合金中添加稀土元素是提高其热强性的有效途径。稀土元素由于Mg-Zn-RE合金系具有异常的结构和物理性能，吸引了众多的研究目光。例如Mg-Zn-Y、Mg-Gd-Nd-Zr、Mg-Dy-Nd-Zr，Mg-Gd-Y-Zr、Mg-Zn-Y-Re、和Mg–Cu–Zn–Y已经有了深入的研究，尤其Mg-Y-Re的研究，钇和稀土元素被认为是最有效的合金元素，Mg-Y-Re型镁合金工作温度在250℃以上。

Mg-Zn-Y合金系中钇的含量和锌和钇的比而使合金的组织结构发生较大的变化，为相选择和合金的复合强化提供了有利的条件。在凝固和热处理条件下Mg-Zn-Y-Zr合金系统中三元相主要有I-Mg₃YZn₆、W-Mg₃Y₂Zn₃、Z-Mg₁₂YZn、H-Zn₃MgY等，二元相主要有Mg₂₄Y₅，Mg₇Zn₃，MgZn₂，Mg₂Zn₁₁等，因此Mg-Zn-Y-Zr合金系的相选择比较复杂，且这些相的形态与分布对Mg–Zn–Y合金的组织和性能有很大的影响。上世纪90年代，学者主要研究高Zn，Y含量的（Mg含量在70～80％左右）的Mg-Zn-Y中间合金，主要是为了得到高含量的准晶I-Mg₃YZn₆相。D.H.Bae和AlokSingh等人在Mg-Zn-Y合金中进一步减少Mg和Y的含量，研究了不同的低Zn含量范围和不同的低Y含量范围内的准晶增强Mg-Zn-Y合金，并采用热轧工艺来改善准晶相的分布形态，提高合金的机械性能。

由于镁为密排六方结构，滑移系少，晶粒细化对提高合金力学性能的效果比体心立方与面心立方的效果更有效，同时根据Hall-Petch关系式，因镁合金的k值比铝合金的k值大，因此细化晶粒可以显著提高多晶镁及其镁合金的强度和延展性，是镁合金的主要强化方式之一。同时常用镁合金中一般存在着分布在晶界上粗大的第二相，降低了合金的塑性和强度，因此改善合金第二相的形态与分布也是提高合金性能的一种重要的方法。另一方面，合金的析出相可以阻碍滑移系的迁移，提高合金的强度，也是提高合金性能的一种方法。

目前，工业镁合金产品多通过铸造的方式获得。但常规凝固条件下得到的镁合金微观组织比较粗大，晶粒尺寸一般在数十微米到数百微米之间，甚至达到毫米级。析出相也比较粗大，因此常规铸造方法生产的镁合金室温和高温强度都不是很理想，难以满足高性能结构材料的需求。快速凝固技术是一种新型的金属材料制备技术，快速凝固技术可以增加结构的均匀性，减少镁合金成分的偏析和缺陷、扩展固溶度形成过饱和固溶体、细化晶粒和第二相，可获得微晶、纳米晶、准晶或非晶组织，也可获得常规工艺条件下难以获得的亚稳强化相结构，改善传统镁合金变形能力差，从而获得具有特殊物化性能和力学性能的新材料，提高镁合金的强度、耐腐蚀性能和耐高温性能。如快凝EA55R-B镁合金的抗拉强度为476MPa，屈服强度为441MPa，延伸率为14%，断裂韧性为17MPa，具有较高的强度和韧性。快速凝固ZK60合金在60℃挤压成形后的屈服强度比铸造并锻造后相同成分合金增加了120MPa，抗拉强度增加了60MPa，同时还具有很好的塑性。Mg-6Zn-1.5Y-0.5Ce薄带经挤压成形后得到直径为8～50mm的坯件，拉伸屈服强度为490～520MPa，理论期望值可达630MPa，具有高强度与高延展性。快速凝固和粉末冶金的Mg97Zn1Y2的强度可以达到610MPa。但是快速凝固镁合金成型困难，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高韧性镁合金及其制备工艺。

本发明采用以下技术方案：

一种高强度高韧性镁合金，各成分的质量百分比为：3.0~10.0%Zn，1.0~6.0%Y，0~1.0%Zr，杂质元素Fe<0.005%、Cu<0.015%、Ni<0.002%，其余为Mg。

进一步优选，各成分的质量百分比为：6.0~8.0%Zn，2.0~4.0%Y，0~1.0%Zr，杂质元素Fe<0.005%、Cu<0.015%、Ni<0.002%，其余为Mg。

高强度高韧性镁合金的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：

1)熔炼炉升温至400~500℃，加入纯镁锭，升温至700~740℃；

2)待纯镁锭全部熔化后加入纯锌；

3)待锌熔化后，升温至780~800℃，加入镁钇、镁锆中间合金；

4)将合金液调至720~740℃进行精炼；

5)精炼后升温至750~780℃，保温20~30分钟，降温至720~750℃时浇入模具中，冷却后作为亚快速凝固的母合金；

6)在氩气保护下，加热母合金，待其熔化，加热到700℃后，保温两分钟，将母合金熔体送入铜模型腔内，控制降温速率为100-1000℃/s，制备出亚快速凝固合金样品；

7)亚快速凝固合金样品在160-220℃下进行6-30h的时效处理。

步骤6）中加热时采用高频感应加热的方式，控制频率30-40KHz。

步骤4）中精炼时加入精炼剂，精炼剂的用量为合金液质量的1.5-2.5%。精炼剂可选用现有的镁精炼剂，例如精炼剂牌号为RJ-4、RJ-5或MJL-J00等。

步骤7）中时效处理时，将样品埋在Al₂O₃粉末下进行，为了防止样品氧化。

步骤1）过程中通镁合金保护气或者在容器内壁和纯镁锭上撒上覆盖剂，以防止镁锭氧化。覆盖剂采用现有的镁覆盖剂，例如RJ-4、RJ-5或MJL-J00等。

模具的形状可以根据实际的需要进行调整，镁合金的形状常用的为两种，一种是棒，其直径在1~10mm之间；另一种是薄板，其长50~150mm、宽10~30mm、厚度2~8mm。将亚快速凝固合金棒或板在160~220℃直接时效6~30h之间。

本发明通过亚快速凝固可以大大的细化弥散第二相，实现了细晶强化与第二相强化。同时亚快速凝固可以提高合金元素在镁基体中的固溶度，获得过饱和的α－Mg固溶体，通过直接时效析出强化相，使镁合金进一步强化。亚快速凝固还可使晶粒大大细化，实现细晶强化。同时在热处理时析出了弥散分布的沉淀相，实现了沉淀强化。最后实现弥散强化、沉淀强化和细晶强化共同作用的多种复合强化的效应，达到了提高镁合金强度之目的。

以Mg6Zn3Y0.55Zr为例，亚快凝合金的平均晶粒大小只有5μm左右，远小于常规凝固的40μm，共晶组织的层片间距也由常规凝固的834nm减小为167nm，亚快速凝固合金的压缩强度为539MPa，比常规凝固的314MPa提高了225MPa；亚快凝合金180℃时效30h后压缩强度为630MPa，比时效前的539MPa提高了91MPa，比常规凝固合金的314MPa提高了276MPa。亚快速凝固时效后变形率为22%，比常规凝固的18.5%有较大的提高。

与现有的工艺比较，本发明有着明显的优点，本发明工艺不仅细化了合金的晶粒，同时细化了在常规凝固中所存在的粗大的共晶相，改善了粗大共晶相的分布状态，然后在基体中析出了弥散的沉淀相，从而实现了细晶强化、第二相强化与沉淀强化的复合强化，极大地提高了合金的强度，解决了镁合金的强度较差的问题。

具体实施方式

实施例一：

高强度高韧性镁合金的成分（重量百分比）为：6.0%Zn，3.0%Y，0.55%Zr，其余元素为Mg。

制备工艺为：

1）坩埚烧至暗红(400℃)，内壁及底部撒上覆盖剂，加入工业纯镁锭5.85Kg，并在其上撒覆盖剂，升温至700℃；

2）待炉料全部熔化后加入纯Zn0.6Kg；

3）待锌熔化完后(约20分钟)，将炉子升温至780℃，加入Mg-10Y中间合金3Kg、Mg-10Zr中间合金0.55Kg；

4）将合金液调至720℃加入精炼剂进行精炼；

5）升温至750℃，保温30分钟，熔体降温至720℃时浇入金属型模具中，冷却后作为亚快速凝固的母合金；

6）在氩气保护下，利用高频感应加热石英管中的母合金，待其熔化，加热到700℃后，保温两分钟，迅速通入一定压力的氩气，借助氩气的压力使合金熔体快速进入铜模型腔，制备出直径为2mm的亚快速凝固合金试样；

7）亚快速凝固合金试样放置在热处理炉中在180℃下进行30h的时效处理得到高强度高韧性镁合金；在时效处理过程中，为了防止试样氧化，将试样埋在Al₂O₃粉末下进行。

本实施例所制得的合金晶粒尺寸为7μm，压缩屈服强度为225MPa，抗压强度为590MPa，压缩变形量为22%。

实施例二：

高强度高韧性镁合金的成分（重量百分比）为：6.0%Zn，4.0%Y，0.55%Zr，其余元素为Mg。

制备工艺为：

1）坩埚烧至暗红(450℃)，内壁及底部撒上覆盖剂，加入工业纯镁锭4.85Kg，并在其上撒覆盖剂，升温至720℃；

2）待炉料全部熔化后加入纯Zn0.6Kg；

3）待锌熔化完后(约20分钟)，将炉子升温至790℃，加入Mg-10Y中间合金4Kg、Mg-10Zr中间合金0.55Kg；

4）将合金液调至730℃加入精炼剂进行精炼；

5）升温至760℃，保温25分钟，熔体降温至740℃时浇入金属型模具中；

本实施例所制得的合金的晶粒尺寸为6μm，压缩屈服强度为208MPa，抗压强度为539MPa，延伸率为18%。

实施例三：

高强度高韧性镁合金的成分（重量百分比）为：6.0%Zn，2.0%Y，其余元素为Mg。

制备工艺为：

1）坩埚烧至暗红(500℃)，在镁合金保护气环境下，加入工业纯镁锭7.4Kg，升温至740℃；

2）待炉料全部熔化后加入纯Zn0.6Kg；

3）待锌熔化完后(约20分钟)，将炉子升温至800℃，加入Mg-10Y中间合金2Kg；

4）将合金液调至740℃加入精炼剂进行精炼；

5）升温至780℃，保温20分钟，熔体降温至750℃时浇入金属型模具中；

本实施例所制得的合金的晶粒尺寸为5μm，压缩屈服强度为210MPa，抗压强度为560MPa，延伸率为22%。

以上实施例中的压缩屈服强度、抗压强度、延伸率检测时依照金属材料室温压缩实验方法（GB/T7314-2005）进行。

Claims

1.一种高强度高韧性镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分以质量百分比计为：6.0%Zn，3.0%Y，0.55%Zr，杂质元素Fe<0.005%、Cu<0.015%、Ni<0.002%，其余为Mg；或者为：6.0%Zn，2.0%Y，杂质元素Fe<0.005%、Cu<0.015%、Ni<0.002%，其余为Mg；其制备工艺包括以下步骤：

1)熔炼炉升温至400～500℃，加入纯镁锭，升温至700～740℃；

2)待纯镁锭全部熔化后加入纯锌；

3)待锌熔化后，升温至780～800℃，加入镁钇、镁锆中间合金；

4)将合金液调至720～740℃进行精炼；

5)精炼后升温至750～780℃，保温20～30分钟，降温至720～750℃时浇入模具中，冷却后作为亚快速凝固的母合金；

6)在氩气保护下，加热母合金，待其熔化，加热到700℃后，保温两分钟，将母合金熔体送入铜模型腔内，控制降温速率为100～1000℃/s，制备出亚快速凝固合金样品；

7)亚快速凝固合金样品在160～180℃下进行30h的时效处理。

2.根据权利要求1所述的高强度高韧性镁合金，其特征在于：步骤6）中加热时采用高频感应加热的方式，控制频率30-40KHz。

3.根据权利要求1或2所述的高强度高韧性镁合金，其特征在于：步骤4）中精炼时加入精炼剂，精炼剂的用量为合金液质量的1.5-2.5%。

4.根据权利要求3所述的高强度高韧性镁合金，其特征在于：步骤7）中时效处理时，将样品埋在Al₂O₃粉末下进行。