CN103924141A - 一种含磷的室温高塑性变形镁合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含磷的室温高塑性变形镁合金，该镁合金的化学成分以质量百分比计包括：5.5%-8.5%Al，0.4%-1.5%Zn，0.1%-1.0%Mn，0.05%-1.0%P，余量为Mg和杂质。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，提高镁合金的室温塑性，满足成品或半成品的室温加工与使用要求。

Description

一种含磷的室温高塑性变形镁合金

技术领域

本发明涉及镁合金材料，具体涉及一种室温高塑性变形镁合金。

背景技术

镁及镁合金是21世纪轻量化材料，镁合金的有比重轻，比强度和比刚度高，阻尼性、导热性、切削加工性和铸造性好，另外镁合金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，其在航空航天、汽车、交通运输及通讯设备等领域的应用倍受青睐。

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。

由于镁合金晶体是密排六方结构，在室温下滑移系不活泼，滑移系难以滑动，所以室温塑性比较差，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，限制镁合金的应用领域，因此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

本发明提供了一种含磷室温高塑性变形镁合金，该镁合金的化学成分以质量百分比计包括：5.5%-8.5%Al，0.4%-1.5%Zn，0.1%-1.0%Mn，0.05%-1.0%P，余量为Mg和杂质。

本发明的含磷室温高塑性变形镁合金的化学成分以质量百分比计包括：5.8%-6.3%Al，0.8%-1.2%Zn， 0.2%-0.4 %Mn，0.32%-0.42%P，余量为Mg和杂质。

本发明的含磷室温高塑性变形镁合金，杂质的质量小于镁合金质量的0.1%，杂质的化学成分以质量百分比计包括：Si≤0.05%，Fe≤0.004%，Cu≤0.004%，Ni≤0.002 %。

本发明同时提供了一种制备含磷室温高塑性变形镁合金的方法，具体步骤为：

（1）备料：原料为金属镁锭、金属铝锭、金属锌锭、单质红磷及AlMn20铝锰中间合金锭；将原料进行干燥处理，其中镁锭、铝锭、锌锭、红磷在温度100℃±10℃下烘干， AlMn20铝锰中间合金在温度150℃±10℃下烘干；

（2）金属合金熔化：将坩埚预热至200-250℃，持续向坩埚中通入SF₆气体，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，底熔剂的质量占炉料质量的1.5%-2.5%，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；金属合金熔化过程中向坩埚中加入覆盖剂，覆盖剂的质量占炉料质量的0.3%-0.5%；金属合金熔化过程的时间为2-6h，镁合金中间熔液的最终温度为670-690℃；

（3）非金属磷的混熔：向镁合金中间熔液中通入氩气，同时加入称量好的非金属磷，并采用机械搅拌，混熔时间为1-20min，温度为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，同时向镁合金熔液中加入精炼剂，精炼剂的用量占炉料质量的1.5%-2.5%；同时采用机械搅拌，然后升温至720-730℃，保温时间30-45min；随后静置降温，静置时间为10-30min，温度为660-680℃；

（5）浇注：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：温度660-680℃，在保护气氛中进行，保护气氛为SF₆、CO₂、N₂、SO₂的一种或几种。

本发明通过在AZ61变形镁合金中添加一定量的非金属元素磷（P），能够极大的改善和提高变形镁合金的室温塑性和加工性能。本发明提供的一种含磷室温高塑性变形镁合金的优点是：

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，提高了镁合金的塑性成形能力。

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。

本发明提供的一种含磷室温高塑性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，极大的提高了变形镁合金的性能和应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例1的镁合金铸件在室温下的金相显微照片；

图2是本发明实施例2的镁合金铸件在室温下的金相显微照片；

图3是本发明实施例3的镁合金铸件在室温下的金相显微照片；

图4是本发明实施例4的镁合金铸件在室温下的金相显微照片； 

图5是本发明实施例9的镁合金铸件在室温下的金相显微照片。

具体实施方式

通过在AZ61变形镁合金中添加一定量的非金属元素磷，能够极大的提高变形镁合金的室温塑性和加工性能。本发明提供一种含磷室温高塑性变形镁合金，其各组分的质量百分比为：5.5%-8.5%Al，0.4%-1.5%Zn，0.1%-1.0%Mn，0.05%-1.0%P，余量为Mg和杂质。其中，杂质总量小于0.1%，为Fe、Si、Ni、Cu中的一种或几种，其质量百分含量为Si ≤0.05 %，Fe≤0.004 %，Cu≤0.004 %，Ni≤0.002 %。

在优选情况下，为了获得室温塑性更佳的变形镁合金，镁合金中各组分的质量百分比为：5.8%-6.3%Al，0.8%-1.2%Zn， 0.2%-0.4 %Mn，0.32%-0.42%P，余量为Mg和杂质。

本发明的含磷室温高塑性变形镁合金的制备可采用目前常用的镁合金熔炼工艺，其中，熔炼工艺采用现有的备料→熔化→精炼→浇注等步骤。

本发明的一种含磷的变形镁合金的制备方法详述如下： 

步骤1：备料

原料为金属镁锭、金属铝锭、金属锌锭、单质红磷及AlMn20铝锰中间合金锭。 

实验所需的底熔剂、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RJ-2、覆盖剂RJ-6、精炼剂RJ-5。 

将准备的原料进行干燥处理，其中，金属镁锭、金属铝锭、金属锌锭、单质红磷在100℃±10℃温度下烘干，而AlMn20铝锰中间合金锭在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。

步骤2：金属合金熔化

将坩埚预热至200-250℃，持续向坩埚中通入SF₆气体进行保护，先将称量好的镁锭、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%-2.5%，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，整个金属合金熔化过程的时间为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%-0.5%。由于镁的活性高，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。

步骤3：非金属磷的混熔

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，混熔的时间为1-20min，温度为690-720℃，混熔后得到镁合金熔液。

步骤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%-2.5%，随后升温至720-730℃，保温时间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，静置时间为10-30min，温度为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。

步骤5：浇注

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，浇注温度为660-680℃，并在保护气氛中进行，保护气氛通常为SF₆、CO₂、N₂、SO₂中的一种或几种。

以下结合具体实施例，对本发明进行详细地说明。

实施例1

实施例1用于制备本发明提供的一种含磷的变形镁合金。

（1）备料：称量纯度为99.9wt%的金属镁、金属铝、金属锌、AlMn20铝锰合金及单质红磷，使各元素占原料总质量的百分比为：Al5.98%，Zn1.06，Mn0.32，P0.23%。将原料烘干，其中Mg、Al、Zn、P在100℃温度下烘干，AlMn20中间合金在150℃温度下烘干。

（2）金属合金熔化：将坩埚预热至200-250℃，持续向坩埚中通入SF₆气体，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，底熔剂的质量占炉料质量的1.5%-2.5%，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；金属合金熔化过程中向坩埚中加入覆盖剂，覆盖剂的质量占炉料质量的0.3%-0.5%；金属合金熔化过程的时间为2-6h，镁合金中间熔液的最终温度为670-690℃；

（3）非金属磷的混熔：向镁合金中间熔液中通入氩气，同时加入称量好的非金属磷，并采用机械搅拌，混熔时间为1-20min，温度为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，同时向镁合金熔液中加入精炼剂，精炼剂的用量占炉料质量的1.5%-2.5%；同时采用机械搅拌，然后升温至720-730℃，保温时间30-45min；随后静置降温，静置时间为10-30min，温度为660-680℃；

（5）浇注：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：温度660-680℃，在保护气氛中进行，保护气氛为SF₆、CO₂、N₂、SO₂的一种或几种。

制得的镁合金铸棒编号为B1。

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，添加质量百分数为0.32%的磷，制得镁合金铸棒B2。

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，添加质量百分数为0.41%的磷，制得镁合金铸棒B3。

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，添加质量百分数为0.50%的磷，制得镁合金铸棒B4。

实施例5

合金化学成分的质量百分比为：5.5%Al，0.4%Zn，0.1%Mn，0.05%P，余量为Mg和杂质，制备方法与实施例1基本相同，制得镁合金铸棒B5。

实施例6

合金化学成分的质量百分比为：8.5%Al，1.5%Zn，1.0%Mn，1.0%P，余量为Mg和杂质，制备方法与实施例1基本相同，制得镁合金铸棒B6。

实施例7

合金化学成分的质量百分比为：5.8%Al，0.8%Zn，0.2%Mn，0.32%P，余量为Mg和杂质，制备方法与实施例1基本相同，制得镁合金铸棒B7。

实施例8

合金化学成分的质量百分比为：6.3%Al，1.2%Zn，0.4%Mn，0.42%P，余量为Mg和杂质，制备方法与实施例1基本相同，制得镁合金铸棒B8。

实施例9

实施例9为对比例，用于说明没有添加磷的变形镁合金的性能，其余与实施例1相同，制得不含磷的变形镁合金铸棒A1。

性能测试：

1）化学成分、塑性性能测试：

将上述实施例1-4制备的含磷变形镁合金铸棒B1-B4以及实施例9制备的不含磷变形镁合金铸棒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 变形镁合金成分分析（wt%）

表2 室温伸长率及断面收缩率(%)

2）显微金相组织观察：

将上述实施例1-4制备的含磷变形镁合金铸棒B1-B4以及上述实施例9制备的不含磷变形镁合金铸棒A1分别制备样品进行金相显微组织观察，金相显微照片分别如图1-5所示。

根据上述表1和表2的测试结果可以看出，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AZ61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0.32-0.42 wt%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300%以上，对于断面收缩率也提高了170%以上。因此可以看出，在AZ61合金中加入P，可以极大的提高镁合金的室温塑性。

另外，对比金相显微照片1-5，其中图1—图4为含P的变形镁合金，而图5为不含P的变形镁合金。从图中可以明显看出，合金中加入P可以明显细化了镁合金AZ61合金晶粒；并且当P含量在0.32-0.42 wt%时，合金的晶粒达到了最小，即图2及图3所示。

Claims (4)

1.一种含磷室温高塑性变形镁合金，其特征在于该镁合金的化学成分以质量百分比计包括：5.5%-8.5%Al，0.4%-1.5%Zn，0.1%-1.0%Mn，0.05%-1.0%P，余量为Mg和杂质。

2.根据权利要求1所述的含磷室温高塑性变形镁合金，其特征在于，所述镁合金的化学成分以质量百分比计包括：5.8%-6.3%Al，0.8%-1.2%Zn， 0.2%-0.4 %Mn，0.32%-0.42%P，余量为Mg和杂质。

3.根据权利要求1所述的含磷室温高塑性变形镁合金，其特征在于，所述杂质的质量小于所述镁合金质量的0.1%，所述杂质的化学成分以质量百分比计包括：Si≤0.05%，Fe≤0.004%，Cu≤0.004%，Ni≤0.002 %。

4.一种制备根据权利要求1所述的含磷室温高塑性变形镁合金的方法，其特征在于，该方法的操作步骤为：

（1）备料：原料为金属镁锭、金属铝锭、金属锌锭、单质红磷及AlMn20铝锰中间合金锭；将原料进行干燥处理，其中镁锭、铝锭、锌锭、红磷在温度100℃±10℃下烘干， AlMn20铝锰中间合金在温度150℃±10℃下烘干；

（2）金属合金熔化：将坩埚预热至200-250℃，持续向坩埚中通入SF₆气体，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，底熔剂的质量占炉料质量的1.5%-2.5%，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；金属合金熔化过程中向坩埚中加入覆盖剂，覆盖剂的质量占炉料质量的0.3%-0.5%；金属合金熔化过程的时间为2-6h，镁合金中间熔液的最终温度为670-690℃；

（3）非金属磷的混熔：向镁合金中间熔液中通入氩气，同时加入非金属磷，并采用机械搅拌，混熔时间为1-20min，温度为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，同时向镁合金熔液中加入精炼剂，精炼剂的用量占炉料质量的1.5%-2.5%；同时采用机械搅拌，然后升温至720-730℃，保温时间30-45min；随后静置降温，静置时间为10-30min，温度为660-680℃；

（5）浇注：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：温度660-680℃，在保护气氛中进行，保护气氛为SF₆、CO₂、N₂、SO₂的一种或几种。