CN103589926A - 热挤压镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变形镁合金，特别是一种热挤压镁合金及其制备方法。该合金由以下组分质量百分比组成：Al5.6%～6.0%，Zn0.4%～0.7%，Mn0.2%～0.4%，La0.1%～1.5%，余量Mg。其制备方法，以工业纯镁、纯铝和Mg-La中间合金为原料，在N₂、CO₂和SF₆的混合气体保护下升温至熔炼温度730℃～750℃熔炼，原料完全熔化后加入稀土Mg-La中间合金、搅拌；在720℃温度下静止5～10分钟后浇铸，铸锭在420±5℃温度下进行均匀化退火；铸锭在热挤压机上挤压成圆棒或板材，挤压温度为300℃，挤压速度为2.5m/min。本合金具有良好的结晶形态和显微结构、较高的力学性能、成型工艺性能较好，特别适用于制备薄壁或大尺寸挤压型材。

Description

热挤压镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及变形镁合金，特别是一种热挤压镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前最轻的金属结构材料,它具有低密度、高比强度比刚度、良好的抗振性能,良好的电磁屏蔽性能!优良的铸造性能及机械加工性能,在汽车、交通、航空等领域得到了越来越多的应用"但是由于镁具有密排六方的晶格结构,造成镁合金的塑性变形性能力较差,极大地限制了镁合金的应用范围。改变微观组织和晶粒细化技术作为改善镁合金塑性变形能力的有效手段,一直是镁合金的应用开发领域的研究热点。

在镁合金的牌号中,Mg-Al-Zn系是应用最为广泛的一类挤压合金,其中代表性的牌号为AZ31和AZ61。AZ31镁合金挤压成型性能比较好，但其力学性能和疲劳性能稍差，AZ61合金的力学性能和疲劳性能比较好，但其挤压成型性能差，AZ61镁合金本身存在许多固有缺点限制了它的使用，首先,这种镁合金凝固温度范围较宽,晶粒有粗化的倾向。其次,凝固过程中粗大的共晶相β～Mg₁₇Al₁₂以离异共晶的方式呈网状沿晶界析出,导致合金的挤压成型的工艺性能和力学性能变差。同时,当工作温度超过120℃时,晶界上网状的Mg₁₇Al₁₂化合物易软化和粗化,使合金的力学性能大幅下降，这大大限制了AZ61镁合金在汽车、飞机等关键结构部件和耐热零部件方面的应用。

合金化是提高镁合金性能的一种方法,特别是向合金中添加稀土元素，稀土元素具有净化合金、改善组织、提高合金高温力学性能和增强合金耐蚀性等作用。由于稀土具有较高的热力学稳定性和高温稳定性,在镁合金中加入稀土元素可以明显改善合金的高温力学性能，已有的研究表明,在Mg～Al系合金中加入RE,可进一步改善Mg～Al合金的高温性能和抗蠕变性能，这是因为RE与Al结合生成RE一Al化合物,减少了Al形成低熔点的β相的数量，RE～Al化合物具有高熔点,并且在a～Mg中的扩散速度慢,因此具有很高的热稳定性。同时,RE元素加入镁合金中能起到细化晶粒的作用。稀土La可以改善镁合金的力学性能，能在常温和高温下提高镁合金的固化强度和硬化时间，改善镁合金的性能。而且稀土La元素的价格相对于其他稀土元素来说比较低廉，少量添加对镁合金的成本影响不大。单纯添加稀土La元素，讨论其对镁合金组织及性能等相关研究的报道较少。

镁合金为密排六方结构,独立滑移系比较少,故镁合金的室温塑性变形能力较低,塑性加工能力较差,大部分镁合金产品主要通过铸造的生产方式获得(包括传统铸造工艺和新型的半固态铸造等工艺),很少采用挤压、锻造、轧制等工艺加工.然而,变形镁合金比铸造镁合金具有更优良的性能,更多样的形式,更高的生产率,更便于连续化、自动化.一般认为,变形镁合金之所以比铸造镁合金性能好,是因为热变形后组织均匀,晶粒细化,并消除了铸造缺陷的缘故显然,研究挤压态镁合金AZ61的力学行为对于合理使用该类镁合金是极有裨益的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能易成型的热挤压镁合金及其制备方法，该合金具有良好的结晶形态和显微结构。

本发明热挤压镁合金，由以下组分质量百分比组成：

Al5.6%～6.0%，Zn0.4%～0.7%，Mn0.2%～0.4%，La0.1%～1.5%，余量Mg。

本发明热挤压镁合金的制备方法，包括以下步骤：

a.熔炼浇铸：以工业纯镁、纯铝和Mg-La中间合金为原料，按设定组分质量比放入熔炼炉坩埚中，在N₂、CO₂和SF₆的混合气体保护下升温至熔炼温度730℃～750℃熔炼，待原料完全熔化后按设定组分质量比加入稀土Mg-La中间合金，迅速搅拌；在720℃温度下静止5～10分钟后向预热200℃的铸模中浇铸，铸锭冷却后在420±5℃温度下进行均匀化退火；

b.挤压成型：将上述的铸造合金铸锭在预热炉中预热，预热温度为250℃～270℃，将预热均匀的铸锭在热挤压机上挤压成直径为15mm的圆棒或宽为50mm、厚为8mm的板材，挤压温度为300℃，挤压速度为2.5m/min。

本发明热挤压镁合金在AZ61合金的基础上添加稀土La，在提高力学性能的基础上，还改善了镁合金的挤压成型性能，具有良好的结晶形态和显微结构，稀土La元素细化晶粒，提高合金的力学性能；稀土La还与合金中的Al生成化合物，从而减少了共晶β～Mg₁₇Al₁₂相的含量并改变其形貌，使得合金的挤压成型工艺性能较AZ61（常用挤压镁合金牌号）合金得到明显提高。本发明热挤压镁合金特别适用于制备薄壁或大尺寸挤压型材，如轨道交通客车用线槽、市域有轨电车行李架等型材。

附图说明

图1是实施例1中制备的L1号热挤压镁合金的X射线衍射图片；

图2是是实施例1中制备的L0号热挤压镁合金在200倍的光镜下的显微组织照片；

图3是实施例1中制备的L1号热挤压镁合金在200倍的光镜下的显微组织照片；

图4是实施例1中制备的L2号热挤压镁合金在200倍的光镜下的显微组织照片；

图5是实施例1中制备的L3号热挤压镁合金在200倍的光镜下的显微组织照片；

图6是实施例1中制备的L1号热挤压镁合金的扫描电镜图片；

图7是实施例2用L2号热挤压镁合金制备的城铁客车的线槽型材断面和零部件实物照片图；

图8是实施例3用用L2号热挤压镁合金制备的城铁市域行李架后墙板型材断面图。

具体实施方式

通过以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明热挤压镁合金的制备：

（1）配料:用锯床把工业纯镁、纯铝锭、纯锌锭和Mg-La中间合金切成小块,块的大小以能放入熔炼所用坩埚中为准。

（2）熔炼:将井式电阻炉升温至730℃～750℃,把装有各种原料的坩埚放入炉中加热至原料完全熔化，为了防止镁合金熔体在此过程中发生氧化甚至燃烧,应对其进行表面防护，本发明熔炼过程是按一定比例通入N₂、CO₂和SF₆的混合气体进行保护，以减少铸锭中夹杂等缺陷。

（3）加入稀土Mg-La中间合金，并迅速搅拌以确定La元素在合金的熔体中均匀分布，分别制备La含量为0.0%，0.5%，1.0%，1.5%的合金。

（4）浇铸:加入La的稀土化合物后在720℃保温5到10分钟即可以进行浇铸。为了提高镁合金的成型能力，在浇铸前要对模具进行预热（一般加热到200℃左右）。铸锭冷却后在420±5℃温度下对铸锭进行均匀化退火。

（5）将准备好的铸造合金铸锭在预热炉中预热，预热温度大概为260℃左右，预热时间为2小时，然后利用卧式挤压机在挤压温度为300℃，挤压速度为2.5m/min，将镁合金铸锭挤压成直径为15mm的圆棒和宽为50mm和厚为8mm的板材。

本实施例制备出的不同含La量的热挤压镁合金的材料成分如表1所示。

表1试验材料成分（wt%）

编号L0、L1、L2、L3的合金含La量分别为：0.0%、0.5%、1.0%、1.5%。X射线衍射分析表明，L1、L2、L3合金的微观组织均由α-Mg、Mg₁₇Al₁₂和Al₁₁La₃组成，XRD结果以L1为例说明，如图1所示。从四种成分的合金中分别取样对其金相组织进行观察，可以明显看出随着La元素的加入，热挤压镁合金的晶粒随含La量的增加逐渐细化（参见图2至图5），且在含La量为1.0%时合金的组织形态最好（如图4所示）。经过挤压加工后合金的晶粒明显细化，而且呈现等轴特征，但是铸态的离异共晶组织已经不容易辨认。随后用扫描电镜对其分析，以L1号样品为例（如图6所示），发现合金中的第二相沿着挤压方向分布，且第二相形状一般为针状和块状，通过能谱分析针状第二相为Al和La形成的硬质相，结合所做的物相分析基本可以确定该相为Al₁₁La₃相，块状第二相多为Mg和Al形成的Mg₁₇Al₁₂相。

将制备好的挤压镁合金，按照国家标准拉伸试样的制备准则，用线切割将挤压好的板材切成标准尺寸。然后放在拉伸机上进行拉伸，得到的试验数据如表2所示。

表2热挤压镁合金力学性能

相比较一般的铸态AZ61镁合金的拉伸性能，这四种合金都有大幅度提升，尤其L2与一般铸态AZ61镁合金（抗拉强度220MPa,屈服强度126MPa,延伸率12.6%）相比分别提升41.3%，50.7%，49.2%。这些原因主要有：

一、热挤压对稀土镁合金力学性能的影响

在挤压过程中，改变了晶粒的形状，近似球形的晶粒由于变形而被拉长，挤压的程度越大，晶粒形状变化也越大。因为晶粒在挤压应力的作用合金中的粗大晶粒变得细小。另一方面，因为经过热挤压过程铸态组织中的气孔和缩松等缺陷被焊合，使合金内部缺陷减少，这是挤压镁合金可以强化镁合金的另外一个原因。因为热挤压镁合金经过加工使晶粒细化这也是热挤压镁合金的延伸率优于铸态镁合金的主要原因。晶粒越细，裂纹就越不容易形成，并且裂纹形成后也不易扩展，因为裂纹扩展时要多次改变方向，将消耗更多的能量，因而具有细晶粒组织的材料其脆断性能优于粗晶粒组织的材料，同时有利于获得高的塑性。

二、添加适量稀土La对镁合金的力学性能的影响

一方面元素La有细晶强化作用，添加稀土La后，合金的显微组织发生明显变化，基体晶粒得到细化。晶粒越细，晶界越多，而晶界上的原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，因此在室温下晶界阻碍位错运动，致使塑性变形抗力提高，所以晶粒越细，材料的强度方向和滑移面彼此不一致，因此在室温下晶界阻碍位错运动，致使塑性变形抗力提高，所以晶粒越细，材料的强度越高。另一方面第二相强化，添加适量稀土La后，在合金中生成铝稀土相Al₁₁La₃，呈针状较均匀的分布于晶界周围，钉扎晶界，阻碍位错运动，从而产生了显著的强化作用。少量添加对镁合金的成本影响不大，且挤压工程并不复杂，所以该种合金极具实用性。

实施例2

采用本发明L2号（Mg-Al-Zn-1.0La）合金来替换铝型材6063-T5制备城铁客车的线槽，提高性能的同时实现减重30%。截面和实物照片如图7所示。

实施例3

采用本发明L2号（Mg-Al-Zn-1.0La）合金来替换铝型材6063-T5制备城铁市域车行李架后墙板型材，合金在满足原来零件的各种性能指标的基础上，更加轻便。该型材的零件图如图8所示。

Claims (2)

1.一种热挤压镁合金，其特征在于由以下组分质量百分比组成：

Al5.6%～6.0%，Zn0.4%～0.7%，Mn0.2%～0.4%，La0.1%～1.5%，余量Mg。

2.一种制备权利要求1所述的热挤压镁合金的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.熔炼浇铸：以工业纯镁、纯铝和Mg-La中间合金为原料，按设定组分质量比放入熔炼炉坩埚中，在N₂、CO₂和SF₆的混合气体保护下升温至熔炼温度730℃～750℃熔炼，待原料完全熔化后按设定组分质量比加入稀土Mg-La中间合金，迅速搅拌；在720℃温度下静止5～10分钟后向预热200℃的铸模中浇铸，铸锭冷却后在420±5℃温度下进行均匀化退火；

b.挤压成型：将上述的铸造合金铸锭在预热炉中预热，预热温度为250℃～270℃，将预热均匀的铸锭在热挤压机上挤压成直径为15mm的圆棒或宽为50mm、厚为8mm的板材，挤压温度为300℃，挤压速度为2.5m/min。

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