CN103866169B

CN103866169B - 一种室温高塑性变形镁合金及其制备方法

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Publication number: CN103866169B
Application number: CN201410090797.9A
Authority: CN
Inventors: 邓邦惠; 余云
Original assignee: SUZHOU KAIYOU ELECTRONIC SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU KAIYOU ELECTRONIC SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: CN103866169A

Abstract

本发明提供一种室温高塑性变形镁合金及其制备方法，所述镁合金中各组分的重量百分比为：Al：5.5wt%-7.3wt%；Zn：0.40wt%-1.50wt%；Mn：0.15wt%-0.50wt%；P：0.05wt%-1.0wt%；余量为Mg和不可避免的杂质。其中不可避免的杂质重量百分比为：Si≤0.05wt%，Fe≤0.004wt%，Cu≤0.004wt%，Ni≤0.002wt%。本发明主要是在现有镁合金熔炼工艺中添加非金属元素P，通过非金属元素P的作用，得到稳定细小晶粒组织，改善与提高室温塑性，能够满足成品或半成品的室温加工与使用要求。

Description

一种室温高塑性变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域。本发明涉及镁合金材料技术领域，更具体的说，涉及一种室温高塑性变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁及镁合金是21世纪轻量化材料，镁合金因其具有比重轻，比强度和比刚度高，阻尼性、导热性、切削加工性和铸造性好，另外还具有电磁屏蔽能力强、资源丰富和容易回收等一系列优点，其开发和应用受到越来越多的关注，成为了“最年轻”的金属结构材料之一。其应用在航空航天、汽车、交通运输等领域的结构件上，可以明显减轻重量、节省燃油消耗。

传统的镁合金的应用主要是以模铸、压铸等铸造工艺生产产品，但产品容易出现晶粒粗大、组织疏松、成分偏析且力学性能偏低等缺陷，不能充分发挥镁合金的性能优势。目前，国内外均十分重视变形镁合金的研究与开发，变形镁合金是指可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工的镁合金，与铸造镁合金相比，变形镁合金的晶粒细小，无偏析和微观孔洞，具有优良的综合性能。

然而，本领域的技术人员知道，镁是密排六方晶体结构，室温滑移系少，塑性差，变形加工困难，特别是镁合金板材、管材、型材等室温二次成形更困难。室温塑性差已成为变形镁合金加工与应用上的一个瓶颈，改善变形镁合金的室温塑性也就成为其应用中急需解决的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术中的变形镁合金的室温塑性差、加工成形性能差的技术问题，提供一种具有高塑性，特别是室温高塑性变形镁合金。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供一种室温高塑性变形镁合金，各组分按照重量百分比为：Al：5.5wt%-7.3wt%；Zn：0.40wt%-1.50wt%；Mn：0.15wt%-0.50wt%；P：0.05wt%-1.0wt%；余量为Mg和不可避免的杂质。

优选地，Al：5.8wt%-6.3wt%；Zn：0.8wt%-1.2wt%；Mn：0.2wt%-0.4wt%；P：0.25wt%-0.55wt%。

杂质为少量的Fe、Si、Ni、Cu等杂质中的一种或几种，其重量百分比为：Si≤0.05wt%，Fe≤0.004wt%，Cu≤0.004wt%，Ni≤0.002wt%。

更优选地，Al：5.95wt%；Zn：1.05wt%；Mn：0.30wt%，P：0.25wt%-0.55wt%。

本发明还提供一种上述的室温高塑性变形镁合金的制备方法，主要包含步骤：

1）准备好原料：纯度≥99.9wt%的纯镁锭、纯度≥99.9wt%的纯铝锭、纯度≥99.9wt%的纯锌锭、纯度≥99.9wt%的纯单质红磷与铝锰中间合金锭；助熔剂：底熔剂、覆盖剂和精炼剂；均可采用现有的用于镁合金制备的底熔剂、覆盖剂和精炼剂，例如：底熔剂是RJ-1、覆盖剂RJ-6、精炼剂RJ-5；

2）干燥：将准备好的原料进行干燥处理，其中，Mg、Al、Zn、P在100℃±10℃温度下烘干，而AlMn中间合金在150℃±10℃温度下烘干，烘干的作用是为了去除原料中的水分，防止熔炼过程中，水与镁反应产生爆炸；

3）熔融合金化：

熔化：在整个熔炼过程中，持续向坩埚中通入SF6气体进行保护，先将坩埚预热至200-250℃，将称量好的镁锭、铝锭、锌锭放入坩埚中并加入底熔剂加热熔化，底熔剂的用量约占炉料质量的1.5-2.5wt%，待镁锭、铝锭、锌锭全部熔化后，加入已称量好的铝锰中间合金，继续加热，待铝锰中间合金充分熔化后，搅拌均匀，制得镁合金中间熔液，整个熔化过程的时间控制在2-6H，且镁合金熔液的最终温度控制在670-690℃。在整个熔化过程中不时均匀地撒入覆盖剂以防止燃烧，撒覆盖剂的一般原则是：不使金属表面启燃，加入量尽量小，能够覆盖住熔液表面即可，覆盖剂的用量约占炉料质量的0.3-0.5wt%；因为镁的活性高，在空气中加热，易氧化烧损，且在熔融状态下，无覆盖剂保护时，会剧烈的燃烧。因而整个熔炼过程需要在SF6气体保护下进行，并且需要撒入覆盖剂；

混熔：向镁合金中间熔液中通入氩气进行保护，同时加入称量好的非金属磷，并采用机械搅拌，混熔的时间控制在1-20min，温度控制在690-720℃，混熔后得到镁合金熔液；

4）精炼：向镁合金熔液中通入氩气进行保护，同时在镁合金熔液的表面均匀撒入精炼剂进行精炼，并采用机械搅拌，精炼剂的用量约占炉料质量的1.5-2.5wt%，然后升温，温度控制在720-730℃，时间控制在30-45min，使加入的金属在较高的温度下更好的合金化；结束后静置降温，静置时间控制在10-30min，温度控制在660-680℃，使熔剂和夹杂物沉降，使合金更加均匀化，得到镁合金熔体；

5）浇铸：将精炼后的镁合金熔体注入模具中，成型后脱模，制得镁合金铸棒，浇注的条件为：在660-680℃的温度下，并在保护气氛中进行，保护气氛通常为SF₆、CO₂、N₂、SO₂、惰性气体或混合气体保护气氛。

本发明的变形镁合金具有高塑性，特别是室温高塑性，能够满足对变形镁合金在常温条件下进行塑性加工的需要，将极大的提高镁合金的生产效率。

发明人通过大量的研究，证实通过在AZ61变形镁合金中添加一定量的非金属元素磷（P），能够极大的提高变形镁合金的室温塑性和加工性能：

1、本发明通过添加非金属元素磷，可以有效降低镁合金晶格中的c/a值，显著增加锥面滑移系的激活能力，这样就能够协调c轴方向的应变而提高压缩延展性，提高了塑性成形能力。

2、本发明通过添加非金属元素磷使Zn元素与P形成ZnP₂中间合金，并向β-Mg₁₇Al₁₂相的周围偏聚,同时β-Mg₁₇Al₁₂相中的Zn含量有所减少；P的加入,使合金相中的Zn元素减少，提高铸态下AZ61合金的室温塑性。

3、本发明通过添加非金属磷，与铝形成AlP金属间化合物，细小弥散分布在基体中，起到细化晶粒组织作用，而小晶粒之间的晶界更易滑动，同时协助大晶粒变形，从而极大的提高合金的塑性成形能力。

4、本发明通过添加非金属磷，还能够对Mg₁₇Al₁₂相产生变质作用，通过对合金组织的细化和对Mg₁₇Al₁₂相的变质起到抑制裂纹形成或延缓裂纹扩展的作用，提高合金的塑性成形能力。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，作详细说明如下。

具体实施方式

实施例1

烘干：将准备好的原料：纯镁、纯铝、纯锌（纯度均≥99.9wt%）、纯红磷和铝锰中间合金，进行烘干处理，其中Mg、Al、Zn、P在100℃温度下烘干，而AlMn中间合金则在150℃温度下烘干；

其中上述原料中含有质量百分比的：Al:5.95%，Zn:1.05%，Mn:0.30%，P：0.25。

熔炼：在整个熔炼过程中，持续向电阻坩埚中通入SF₆气体进行保护，先将电阻坩埚预热至200℃，在坩埚侧壁和底部撒上适量的底熔剂RJ-1，然后放入称量好的Mg、Al、Zn金属锭，继续加热，待Mg、Al、Zn金属锭全部熔化后，在680℃的温度下加入已称量好的Al-Mn中间合金并不时的均匀撒下覆盖剂RJ-6；待Al-Mn中间合金全部熔化后，再在700℃温度下加入0.25wt%的非金属磷，同时不时均匀地撒下覆盖剂RJ-6，待上述合金充分熔化后，搅拌均匀，同时保温5min；加入精炼剂RJ-5进行精炼，在精炼的过程中，精炼剂的加入量为炉料量的10%左右，加入后充分搅拌、静置5min，然后升温至720℃保温30min，再降温680℃静置15min，最后浇入预热温度为250℃的铁模中，制得镁合金铸棒B1。所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，塑性性能测试结果见表2。

实施例2

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，磷的添加量为0.35wt%，制得镁合金铸棒B2，所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，强度性能测试结果见表2。

实施例3

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，磷的添加量为0.45wt%，制得镁合金铸棒B3，所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，强度性能测试结果见表2。

实施例4

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，磷的添加量为0.55wt%，制得镁合金铸棒B4，所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，强度性能测试结果见表2。

实施例5

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，铝的添加量为5.5wt%，锌的添加量为0.4wt%，锰的添加量为0.15wt%，磷的添加量为0.05wt%，制得镁合金铸棒B5，所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，强度性能测试结果见表2。

实施例6

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，铝的添加量为5.8wt%，锌的添加量为0.8wt%，锰的添加量为0.2wt%，磷的添加量为1.0wt%，制得镁合金铸棒B6，所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，强度性能测试结果见表2。

实施例7

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，铝的添加量为6.3wt%，锌的添加量为1.2wt%，锰的添加量为0.4wt%，磷的添加量为0.05wt%，制得镁合金铸棒B7，所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，强度性能测试结果见表2。

实施例8

原料以及制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，铝的添加量为7.3wt%，锌的添加量为1.50wt%，锰的添加量为0.50wt%，磷的添加量为1.0wt%，制得镁合金铸棒B8，所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，强度性能测试结果见表2。

对比例1

对比例1用于说明没有添加镁与钇的压铸铝合金性能，其余与实施例1相同，制得镁合金铸棒A1。

性能测试：

1）化学成分、塑性性能测试：

将上述实施例1-8制备的镁合金铸棒B1-B8以及对比例1制备的镁合金铸棒A1分别进行化学成分检测（ICP测试）、塑性性能测试（通过万能力学试验机测试），所得到的镁合金的化学成分检测结果见表1，塑性性能测试结果见表2。

表1（质量分数wt%）

镁合金组成成分	铝	锌	锰	磷	镁
						对比例1	5.95	1.05	0.30	0	余量
实施例1	5.95	1.05	0.30	0.25	余量
						实施例2	5.95	1.05	0.30	0.35	余量
实施例3	5.95	1.05	0.30	0.45	余量
						实施例4	5.95	1.05	0.30	0.55	余量
实施例5	5.50	0.40	0.15	0.05	余量

实施例6	5.80	0.80	0.20	1.00	余量
						实施例7	6.30	1.20	0.40	0.05	余量
实施例8	7.30	1.50	0.50	1.00	余量

表2(室温伸长率及断面收缩率)

性能	伸长率（δ）	断面收缩率（ψ）
			对比例1	6%	14%
实施例1	25%	38%
			实施例2	60%	72%
实施例3	65%	75%
			实施例4	30%	40%
实施例5	32%	43%
			实施例6	40%	50%
实施例7	35%	47%
			实施例8	55%	60%

根据上述表1-表2的数据可以看出，变形镁合金中加入P后其室温断裂延伸率和断面收缩率都有极大上升，说明变形镁合金中加入P后其室温塑性有极大提高，随着金属P含量的逐渐增加，镁合金的塑性表现为先升高后降低的特性，当加入P含量为0.35-0.45wt%时,合金的塑性表现为最高值。另外对于伸长率而言，加了P的合金比没有加P的合金提高了200%以上，对于断面收缩率也提高了170%以上。因此可以看出，在变形镁合金中加入P，可以极大的提高镁合金的室温塑性。

虽然本发明已以较佳实施例叙述如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种室温高塑性变形镁合金，其特征在于，各组分按照重量百分比为：Al：5.5wt%-7.3wt%；Zn：0.40wt%-1.50wt%；Mn：0.15wt%-0.50wt%；P：0.05wt%-1.0wt%；余量为Mg和杂质。

2.根据权利要求1所述的室温高塑性变形镁合金，其特征在于，Al：5.8wt%-6.3wt%；Zn：0.8wt%-1.2wt%；Mn：0.2wt%-0.4wt%；P：0.25wt%-0.55wt%。

3.根据权利要求1所述的室温高塑性变形镁合金，其特征在于，杂质的重量百分比为：Si≤0.05wt%，Fe≤0.004wt%，Cu≤0.004wt%，Ni≤0.002wt%。

4.根据权利要求1至3任一项所述的室温高塑性变形镁合金，其特征在于，Al：5.95wt%；Zn：1.05wt%；Mn：0.30wt%，P：0.25wt%-0.55wt%。

5.一种权利要求1所述的室温高塑性变形镁合金的制备方法，其特征在于，包含步骤：

1）准备好原料：纯度≥99.9wt%的纯镁锭、纯度≥99.9wt%的纯铝锭、纯度≥99.9wt%的纯锌锭、纯度≥99.9wt%的纯单质红磷与铝锰中间合金锭；助熔剂：底熔剂、覆盖剂和精炼剂；

2）干燥：将准备好的原料进行干燥处理；

3）熔融合金化：

熔化：将称量好的镁锭、铝锭、锌锭放入坩埚中并加入底熔剂加热熔化，待镁锭、铝锭、锌锭全部熔化后，加入已称量好的铝锰中间合金，继续加热，待铝锰中间合金充分熔化后，搅拌均匀，制得镁合金中间熔液，其中在整个熔化过程中不时均匀地撒入覆盖剂以防止燃烧；

混熔：向镁合金中间熔液中通入氩气进行保护，同时加入称量好的非金属磷，并搅拌，混熔的时间控制在1-20min，温度控制在690-720℃，混熔后得到镁合金熔液；

4）精炼：向镁合金熔液中通入氩气进行保护，同时在镁合金熔液的表面均匀撒入精炼剂进行精炼，并搅拌，然后升温，温度控制在720-730℃，时间控制在30-45min，使加入的金属合金化；结束后静置降温，静置时间控制在10-30min，温度控制在660-680℃，使熔剂和夹杂物沉降，使合金均匀化，得到镁合金熔体；

5）浇铸：将精炼后的镁合金熔体注入模具中，在660-680℃的温度下，在保护气氛中浇注，成型后脱模，制得镁合金铸棒。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1）所述的底熔剂是RJ-1，覆盖剂是RJ-6、精炼剂是RJ-5。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2）中，Mg、Al、Zn、P在100℃±10℃温度下烘干，Al-Mn中间合金在150℃±10℃温度下烘干。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3）中，底熔剂的用量为占炉料质量的1.5-2.5wt%；覆盖剂的用量为占炉料质量的0.3-0.5wt%。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤4）中，精炼剂的用量为占炉料质量的1.5-2.5wt%。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5）所述的保护气氛为SF₆、CO₂、N₂、SO₂、惰性气体或混合气体保护气氛。