CN103993212B - 高延展性稀土镁合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高延展性稀土镁合金，属于稀土镁合金技术领域。解决了现有技术中镁合金的延展性无法满足冲压过程的条件，含锂镁合金又存在耐腐蚀性差、成本高的缺陷的技术问题。本发明的稀土镁合金的组成成分及质量百分比为：1‑2wt.％的Y，0.1‑2wt.％的Zn，余量为Mg。该稀土镁合金在保持优异的力学性能的同时具有高延展性，且不含有锂金属成分，克服了现有技术中含锂镁合金易受腐蚀的缺陷，可以轧制成0.3mm薄板，能够在室温下进行深度冲压，从而可以大规模应用在3C电子领域。
Description
技术领域
本发明属于稀土镁合金技术领域，具体涉及一种高延展性稀土镁合金。
背景技术
镁是目前可应用的结构材料中最轻的，密度为1.74g/cm3，具有阻尼性好、电磁屏蔽性好、加工性好等优点。但纯镁的机械性能较差，在实际应用中往往与一种或多种元素(如铝、锌、锰、锆、锂、银等)形成合金。稀土金属在镁中的固溶度较大，可形成很好的固溶强化和时效强化效果，和锌同时加入可形成14H或18R型长周期相，提高合金的延伸率，为镁合金的变形提供了基础条件。
现有技术中，可变形镁合金中应用最多的是AZ31B合金，其含有2.5～3.5％的Al，0.6～1.4％的Zn，0.2～1.0％的Mn和余量的Mg(GB/T5153-2003变形镁及镁合金牌号和化学成分)。但是由于AZ31合金中合金元素添加量较少，所以AZ31合金的固溶强化和时效强化效果都较弱，机械性能较低(抗拉强度约230MPa，延伸率约14％，225℃时极限拉深比(LDR)为2.04；250℃和300℃时LDR均为2.16)，耐热性能较差(使用温度低于100℃)，已经不能满足现在越来越高的性能要求。为了解决这一问题，人们在AZ31基础上适当提高铝的含量，得到了AZ61、AZ80、AZ91等镁合金牌号，提升镁合金的力学性能。除此之外，锆在镁中可以通过包晶反应成为形核质点，极大地促进形核率，使镁合金的晶粒得到极大细化，由此衍生出Mg-Zn-Zr系镁合金，如ZK60，ZK61等，这类合金具有较高的屈强比和延伸率，适于用作挤压或锻造镁合金。但是，Mg-Al-Zn-Mn系镁合金和Mg-Zn-Zr系镁合金的延展性都无法满足冲压过程的条件。
为解决这一问题，专利CN101381830A公开了一种具有高延展性的镁合金，包括设定质量比的镁和锌，23-27wt.％的锂和4-6wt.％的钇，还可能包括铝。该合金由于添加锂，使镁合金的密排六方结构(hcp)转变为体心立方结构(bcc)，从而改善镁合金的延展性和加工性。但由于镁和锂的化学活性均极高，导致该种合金的耐腐蚀性能极差，无法大规模应用，同时该种合金的成本较高，不适合3c(计算机、通信和消费)类电子消费品应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中镁合金的延展性无法满足冲压过程的条件，含锂镁合金又存在耐腐蚀性差、成本高的缺陷的技术问题，提供一种高延展性稀土镁合金。
本发明的高延展性稀土镁合金的组成成分及质量百分比为：
1-2wt.％的Y，0.1-2wt.％的Zn，余量为Mg。
优选的是，所述Y的质量百分比为1％。
优选的是，所述Zn的质量百分比为1％。
本发明的有益效果：
本发明通过添加稀土元素Y和金属元素Zn，能够改变镁的组织结构和相结构，在合金中生成了Mg12ZnY长周期相，使稀土镁合金在保持优异的力学性能的同时具有高延展性，沿轧制方向、与轧制方向夹角45°方向和垂直于轧制方向的延伸率分别能达到22.6％、30.5％、26.9％，抗拉强度分别能达到203.2MPa、209.3MPa、208.2MPa，屈服强度分别能达到145.7MPa、141.1MPa、133.3MPa，在200℃时LDR为2.2，225℃时LDR为2.52，250℃和300℃时LDR均可达到2.6；且不含有锂金属成分，克服了现有技术中含锂镁合金易受腐蚀的缺陷；并可以轧制成0.3mm的薄板，能够在室温下进行深度冲压，从而可以大规模应用在3C电子领域。
附图说明
图1为本发明实施例1的Mg-1Zn-1Y合金轧制后经时效处理后的室温拉伸曲线；
图2为本发明实施例1的铸态Mg-1Zn-1Y合金的金相照片；
图3为本发明实施例1的Mg-1Zn-1Y合金在铸态、固溶处理态和挤压态的XRD谱图；
图4为图3 Mg-1Zn-1Y合金在挤压态的XRD谱图的局部放大图；
图5为本发明实施例2的Mg-2Zn-2Y合金轧制后经时效处理后的室温拉伸曲线。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
高延展性稀土镁合金的组成成分及质量百分比为：1-2wt.％的Y，0.1-2wt.％的Zn，总量小于0.05wt.％的Si、Fe、Cu和Ni(一般情况下，熔炼过程中不可避免的掺杂杂质Si、Fe、Cu和Ni)，余量为Mg。本发明高延展性稀土镁合金具有Mg12ZnY的长周期相，在200℃时LDR为2.2，225℃时LDR为2.52，250℃和300℃时LDR均可达到2.6。优选稀土镁合金的组成成分及质量百分比为：1wt.％的Y，1wt.％的Zn，余量为Mg。
本发明提供一种上述高延展性稀土镁合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)将Mg加入装置中，在保护气保护下加热至完全融化，得到镁液；
(2)将预热至180-220℃的Zn加入步骤(1)的镁液中，升温至740-780℃，再分批将预热至180-220℃的Mg-Y中间合金加入上述加Zn后的镁液中，搅拌均匀，吹氩气精炼、除气后扒渣，然后在730-750℃下静置30-60min，得到合金液；
(3)待合金液的温度降至710-730℃，浇铸成铸锭，得到高延展性稀土镁合金；
还可以包括，
(4)在420-520℃对铸锭进行固溶处理5-24h，将固溶处理后的铸锭车削加工后，得到镁棒；
(5)将镁棒在380-420℃挤压成板；
(6)将步骤(5)得到的板截断后加热到380-420℃，保温20-50min，进行轧制，得到高延展性稀土镁合金。
在上述高延展性稀土镁合金的制备过程中，Zn、Mg-Y中间合金和Mg的来源没有限制，是稀土镁合金制备领域公知来源即可，Zn和Mg的纯度为稀土镁合金制备领域公知纯度即可，如高纯镁、高纯锌；Mg-Y中间合金可以商购也可以实验室自制，制备方法为领域公知技术，本发明对其没有特殊要求，是稀土镁合金制备领域的常规中间合金，一般，Mg-Y中间合金中Y的含量为20％；Zn，Mg-Y中间合金和Mg的用量依据制备的镁合金的各组分质量百分比添加，范围为：1-2wt.％的Y，0.1-2wt.％的Zn，余量为Mg；步骤(1)的保护气可以选用SF6:CO2＝1:100；步骤(3)铸锭的尺寸为Ф100mm×400mm；步骤(4)镁棒的尺寸为Ф82mm×140mm；步骤(5)的挤压速率为0.7-1.7mm/s，挤压成板的板的宽×厚为80mm×2mm；步骤(6)的轧制是垂直挤压方向进行轧制，道次压下量为20-40％，总轧制量为60-85％，最终得到的高延展性稀土镁合金，厚度为0.3-0.8mm。
以下结合实施例及附图进一步说明本发明。
实施例1
结合图1-4说明实施例1
高延展性稀土镁合金(Mg-1Zn-1Y)的组成成分及质量百分比为：1wt.％的Y、1wt.％的Zn、余量为镁。
高延展性稀土镁合金(Mg-1Zn-1Y)的制备方法：
按名义成分1wt.％的Y、1wt.％的Zn、余量为镁配料。将高纯镁在熔炼炉中熔化，同时通入SF6:CO2＝1:100的保护气加以保护，待镁锭完全熔化得到镁液，将预热至200℃的Zn加入镁液中，升温至760℃，再分批依次将预热至200℃的Mg-Y中间合金(Mg-Y中间合金中Y含量为20％)加入镁液中，搅拌均匀，吹氩气精炼、除气后扒渣，然后在740℃下静置40min，得到合金液。待合金液温度降至720℃时采用水冷模具浇铸成Ф100mm×400mm铸锭，对铸锭进行固溶处理，工艺为450℃，10h。将固溶处理后的铸锭车削成尺寸为Ф82mm×140mm的镁棒，在400℃下，1mm/s的挤压速率下将镁棒挤压成80mm×2mm板。将板截断后加热到400℃，保温30min，垂直挤压方向进行轧制，道次压下量为30％，经过3道次轧制成厚度为0.7mm的稀土镁合金。
分别检测实施例1的稀土镁合金在轧制方向、与轧制方向夹角45°方向和垂直于轧制方向的力学性能(试验方法按照GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法；试验样品按照GB/T16865-2013变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法)，结果如图1和表1所示，图1中，曲线1为稀土镁合金在轧制方向的力学性能，曲线2为稀土镁合金在与轧制方向夹角45°方向的力学性能，曲线3为稀土镁合金在垂直于轧制方向的力学性能。从图1和表1可以看出，本发明的稀土镁合金具有优异的力学性能和高延展性。
分别检测实施例1的稀土镁合金在不同温度下的极限拉深比(试验方法按照GB/T15825.3-2008金属薄板成形性能与试验方法第3部分：拉深与拉深载荷试验)，结果如表2，从表2可以看出，本发明的稀土镁合金的极限拉深性能明显优于现有AZ31合金(AZ31合金225℃时LDR为2.04，250℃和300℃时LDR均为2.16)。
图2为实施例1铸态Mg-1Zn-1Y合金的金相照片；分别检测实施例1Mg-1Zn-1Y合金在铸态、固溶处理态和挤压态的XRD谱图，结果如图3所示，其中，挤压态合金的XRD谱图的局部放大图如图4所示。从图2-4可以看出，本发明通过添加稀土元素Y和金属元素Zn，改变镁的组织结构和相结构，在合金中生成了Mg12ZnY长周期相。
表1为实施例1Mg-1Zn-1Y沿轧制方向、与轧制方向夹角45°方向和垂直于轧制方向的性能
表2为实施例1Mg-1Zn-1Y在不同温度下的极限拉深比(LDR)
实施例2
结合图5说明实施例2
高延展性稀土镁合金(Mg-2Zn-2Y)的组成成分及质量百分比为：2wt.％的Y、2wt.％的Zn、余量为镁。
高延展性稀土镁合金(Mg-2Zn-2Y)的制备方法：
按名义成分2wt.％的Y、2wt.％的Zn、余量为镁配料。将高纯镁在熔炼炉中熔化，同时通入SF6:CO2＝1:100的保护气加以保护，待镁锭完全熔化得到镁液，将预热至200℃的Zn加入镁液中，升温至760℃，再分批依次将预热至200℃的Mg-Y中间合金(Mg-Y中间合金中Y含量为20％)加入镁液中，搅拌均匀，吹氩气精炼、除气后扒渣，然后在740℃下静置40min，得到合金液。待合金液温度降至720℃时采用水冷模具浇铸成Ф100mm×400mm铸锭，对铸锭进行固溶处理，工艺为500℃，10h。将固溶处理后的铸锭车削成尺寸为Ф82mm×140mm的镁棒，在400℃下，1mm/s的挤压速率下将镁棒挤压成80mm×2mm板。将板截断后加热到400℃，保温30min，垂直挤压方向进行轧制，道次压下量为30％，经过3道次轧制成厚度为0.7mm的稀土镁合金。
分别检测实施例2的镁合金稀土在轧制方向、与轧制方向夹角45°方向和垂直于轧制方向的力学性能(试验方法按照GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法；试验样品按照GB/T16865-2013变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法)，结果如图5和表3所示，图5中，曲线1为镁合金在轧制方向的力学性能，曲线2为稀土镁合金在与轧制方向夹角45°方向的力学性能，曲线3为稀土镁合金在垂直于轧制方向的力学性能。从图5和表3可以看出，本发明的稀土镁合金具有优异的力学性能和高延展性。
分别检测实施例2的稀土镁合金在不同温度下的极限拉深比(试验方法按照GB/T15825.3-2008金属薄板成形性能与试验方法第3部分：拉深与拉深载荷试验)，结果如表4，从表4可以看出，本发明的稀土镁合金的极限拉深性能明显优于现有AZ31合金(AZ31合金225℃时LDR为2.04，250℃和300℃时LDR均为2.16)。
表3为实施例2Mg-2Zn-2Y沿轧制方向、与轧制方向夹角45°方向和垂直于轧制方向的性能
实施例3
高延展性稀土镁合金(Mg-0.1Zn-1Y)的组成成分及质量百分比为：1wt.％的Y、0.1wt.％的Zn、余量为镁。
高延展性稀土镁合金(Mg-0.1Zn-1Y)的制备方法：
按名义成分1wt.％的Y、0.1wt.％的Zn、余量为镁配料。将高纯镁在熔炼炉中熔化，同时通入SF6:CO2＝1:100的保护气加以保护，待镁锭完全熔化得到镁液，将预热至220℃的Zn加入镁液中，升温至760℃，再分批依次加入预热至220℃的Mg-Y中间合金，搅拌均匀，吹氩气精炼、除气后扒渣，然后在740℃下静置40min，得到合金液。待合金液温度降至710℃时采用水冷模具浇铸成Ф100mm×400mm铸锭，对铸锭进行固溶处理，工艺为420℃，24h。将固溶处理后的铸锭车削成尺寸为Ф82mm×140mm的镁棒，在400℃下，1.7mm/s的挤压速率下将镁棒挤压成80mm×2mm板。将板截断后加热到400℃，保温30min，垂直挤压方向进行轧制，道次压下量为30％，经过5道次轧制成厚度为0.3mm的稀土镁合金。
显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (3)
1.高延展性稀土镁合金，其特征在于，该稀土镁合金的组成成分及质量百分比为：1-2wt.％的Y，0.1-2wt.％的Zn，余量为Mg；
该稀土镁合金具有Mg12ZnY的长周期相；
该稀土镁合金通过以下方法制备：
(1)将Mg加入装置中，在保护气保护下加热至完全融化，得到镁液；
(2)将预热至180-220℃的Zn加入步骤(1)的镁液中，升温至740-780℃，再分批将预热至180-220℃的Mg-Y中间合金加入镁液中，搅拌均匀，吹氩气精炼、除气后扒渣，然后在730-750℃下静置30-60min，得到合金液；
(3)待合金液的温度降至710-730℃，浇铸成铸锭；
(4)在420-520℃对铸锭进行固溶处理5-24h，将固溶处理后的铸锭车削加工后，得到镁棒；
(5)将镁棒在380-420℃挤压成板；
(6)将步骤(5)得到的板截断后加热到380-420℃，保温20-50min，进行轧制，得到高延展性稀土镁合金。
2.根据权利要求1所述的高延展性稀土镁合金，其特征在于，所述Y的质量百分比为1％。
3.根据权利要求1所述的高延展性稀土镁合金，其特征在于，所述Zn的质量百分比为1％。
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