CN104233031B

CN104233031B - 一种高强适焊性微合金化az91镁合金及制备方法

Info

Publication number: CN104233031B
Application number: CN201410533893.6A
Authority: CN
Inventors: 沈言锦; 严红革
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2014-10-11
Filing date: 2014-10-11
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-10-11
Also published as: CN104233031A

Abstract

一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金及制备方法，在合金中添加Ca、Y对AZ91镁合金进行微合金化，其制备方法包括下述步骤：按设计的镁合金组分配比，分别取Mg、Al、Zn的纯金属、单质Si以及Mg-Ca、Mg-Y中间合金，以RJ-2熔剂作为覆盖剂和精炼剂进行熔炼，在保护气氛下浇铸；得到铸锭最后，将铸锭进行均匀化处理后进行道一次变形量为75-80％，变形速率为9.0^-1-9.2^-1热轧变形，得到高强适焊性AZ91镁合金。本发明工艺方法简单、操作方便，通过微合金化和高应变变形，可以大幅度的提高AZ91镁合金的力学性能和焊接性能；为制备高强适焊性超细晶镁合金薄板，提供了一种切实可行的途径。

Description

一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金及制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强适焊性镁合金及制备方法，特别是指一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金及制备方法，属于镁合金制备技术领域。

背景技术

AZ91镁合金的质量百分组成是Al8.3-9.3，Zn0.35-1.0，Mn0.15-0.50，Si<0.01，Cu<0.03，Ni<0.002，Fe<0.005，余量为Mg；其应用范围非常广泛，但其焊接性能较低，由于AZ91镁合金含有大量的低熔点的第二相β-Mg₁₇Al₁₂，在焊接的过程中，容易产生液化裂纹，通过改进焊接工艺的措施已经无法避免该裂纹的产生。业内通常通过改善材料成分的方式提高AlZ91系镁合金的焊接性能，但AZ91镁合金本身合金含量高，进一步添加合金元素反而会降低材料的力学性能，若添加过量的稀土元素则无法固溶到基体中，所以通过单纯的添加合金元素和稀土元素来提高AZ91镁合金的力学性能具有一定的瓶颈和局限性。因此，如何有效提高AZ91镁合金的力学性能和焊接性能，成为业内迫切希望解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理、工艺方法简单、操作方便的高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，本发明通过微合金化和高应变变形，可以大幅度的提高AZ91镁合金的力学性能和焊接性能。

本发明一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：

Al8.3-9.3,

Zn0.35-1.0,

Mn0.15-0.50,

Si0.01-0.1，

Ca0.1-0.3,

Y0.3-0.5,余量为Mg，杂质总量≤0.04；优选的：Ca含量为0.15-0.25,Y含量为0.35-0.45；更优选：Ca含量为0.18-0.22,Y含量为0.38-0.42。

本发明一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，包括下述步骤：

第一步：熔铸

按设计的镁合金组分配比，分别取Mg、Al、Zn的纯金属、单质Si以及Mg-Ca、Mg-Y中间合金，以RJ-2熔剂作为覆盖剂和精炼剂，先将纯Mg熔化，然后依次将纯Al、纯Zn、单质Si、Mg-Ca、Mg-Y中间合金加入Mg熔体中熔化后，在SO₂保护气氛下浇铸；得到铸锭；所述RJ-2熔剂为连云港市竞生新材料有限公司生产，产品型号为RJ-2；

第二步：热轧变形

将第二步得到的铸锭进行均匀化处理后加热至415℃-420℃均温，进行一道次热轧变形，得到高强适焊性AZ91镁合金。

本发明一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，合金熔化温度为750℃-780℃。

本发明一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，所述均匀化处理是将铸锭加热至415℃-420℃，保温20h-24h后,出炉空冷至室温；加热时，为防止剧烈氧化，需在铸锭上覆盖细沙。

本发明一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，所述热轧变形的变形量为75-80％，变形速率为9.0^-1-9.2^-1。

本发明一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，所述热轧变形在轧机上进行，轧辊规格为Φ360Х600，轧辊转速为430mm·s^-1。

本发明一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，纯Mg中Mg的质量百分含量≥99.9％，纯Al中Al的质量百分含量≥99.5％，纯Zn中Zn的质量百分含量≥99.9％。

本发明由于采用上述工艺方法，在AZ91镁合金中添加合金元素和稀土元素的基础上，对板材进行高应变轧制，当向AZ91镁合金中添加(0.2％％Ca+0.4％％Y)后，铸态合金的晶粒由120μm左右降为100μm左右,经过高应变轧制后,(AZ91-0.2％Ca-0.4％Y)镁合金晶粒尺寸由100μm左右变为6μm左右；可以大幅度的提高AZ91镁合金的力学性能和焊接性能。其机理简述于下：

在AZ91镁合金中添加Ca和Y后，组织中第二相尺寸明显变细，组织更为细小，加入Ca和Y后，组织中灰色条状的离异共晶β-Mg₁₇Al₁₂相明显减少，第二相的体积分数明显增多，同时形成了亮白色的Al₂Ca相，机体中形成了细小块状的Al₂Y相，这些第二相使得离异共晶β-Mg₁₇Al₁₂相由粗大状变成网状形式，即加入Ca和Y后，一方面使的β-Mg₁₇Al₁₂相的数量减少，另一方面使的合金晶粒尺寸减少。添加Ca元素以后，生成的Al₂Ca相，均匀化固溶处理后，基本上固溶到基体中，可以大幅度提高合金的抗拉强度；添加Y合金以后，生成Al₂Y相，均匀化固溶处理后，在晶内和晶界上仍然存在，这样，一方面可以细化晶粒，提高合金的抗拉强度，但另一方面，也割裂了合金基体，使抗拉强度有所降低。本发明采用同时添加Ca和Y，两者的复合协调作用，可以有效的提高合金的抗拉强度。特别是随后进行的大变形量的高速应变，可以有效细化晶粒，进一步提高材料的力学性能焊接性能。单纯的添加合金元素和热轧变形可以细化晶粒，调控第二相的析出和分布，但是过多的添加合金元素，会使得镁合金在焊接凝固过程中，增大凝固区间，增大焊缝区焊接裂纹的出现，降低镁合金材料的焊接性能。单纯的添加稀土元素，也可以细化晶粒，但是由于稀土元素在镁合金中的溶解度很低，过多的添加稀土元素反而会降低材料的性能，所以复合添加稀土元素和合金元素，既可以细化晶粒，又可以控制焊接的凝固区间，减少焊缝区的焊接裂纹，提高焊接接头的质量。高应变轧制可以可以进一步细化晶粒，提高焊接母材的质量和力学性能。

结果表明，在AZ91镁合金中复合添加0.2％Ca和0.4％Y，通过固溶处理和高应变速率轧制技术(由10mm直接轧制为2mm)，制备高强适焊性超细晶镁合金薄板。0.2％Ca和0.4％Y的添加，可以有效的细化晶粒，可以减少板材的焊接凝固区间；固溶可以有效的使第二相Al₂Y和Al₂Ca固溶到基体之中，高应变速率轧制可以细化晶粒，提高母材的力学性能。通过上述研究，本发明可以制备出高强适焊性超细晶镁合金薄板。

综上所述，本发明工艺方法简单、操作方便，通过微合金化和高应变变形，可以大幅度的提高AZ91镁合金的力学性能和焊接性能；为制备高强适焊性超细晶镁合金薄板，提供了一种切实可行的途径。

附图说明：

附图1为铸态AZ91镁合金合金相图，放的倍率为32，晶粒大小为120μm。

附图2为本发明实施例2制备的微合金化AZ91-0.2％Ca-0.4％Y镁合金铸态金相图，放的倍率为100，晶粒大小为100μm。

附图3为本发明实施例2制备的微合金化AZ91-0.2％Ca-0.4％Y镁合金高应变轧制态的金相图，放的倍率为500，晶粒大小为5μm。

具体实施方式：

实施例1

按镁合金组分配比为：

Al	Zn	Mn	Si	Ca	Y	Mg
							9	0.6	0.3	0.1	0.1	0.3	余量.

分别取工业纯Mg(99.9％)、纯Al(99.5％)、纯Zn(99.9％)、Mg-20％Ca、Mg-25.63％Y以及单质Si，在电阻炉中使用坩埚熔炼。熔炼前，所有的工具需先进行干燥处理，熔炼过程中，以连云港市竞生新材料有限公司生产的(RJ-2)熔剂作为覆盖剂和精炼剂，熔炼温度为750℃,熔炼时，先添加Mg块，待Mg块熔化后依次加入Zn、Al、Mn、Si，为防止中间合金烧损，最后加入中间合金Mg-20％Ca及Mg-25.63％Y，将所有原材料加入后，熔体静置15min,精炼5min，最后再静置15min，待熔渣和熔体分离后，进行浇铸，浇铸的过程中，熔体保持平缓流动，严禁断流，浇铸全程采用SO₂气氛保护。

对铸锭均匀化处理，把铸锭放在箱式电阻炉中，418℃，加热20h,为防止剧烈氧化，需在铸锭上覆盖细沙。均匀化处理后，在轧机上对铸锭进行单道次高速率轧制，将10mm厚的铸锭一道次直接轧制为2mm。轧前放在箱式电阻炉中，420℃，加热10min,轧辊规格为Φ360Х600，轧辊转速为430mm·s^-1。

本实施例制备的AZ91-0.1％Ca-0.3％Y镁合金的的最大抗拉强度为314MPa,延伸率为18.62％.

本实施例采用厚为2mm的AZ91镁合金固态板材作为焊接母材，焊板的尺寸为10mm*10mm*2mm，焊接的激光电流为6A，焊接速度为5.5m/min,焊接的离焦量为Zf＝0，焊接以后，采用线切割方式在焊接母材及焊件上截取拉伸试样，按照美国材料试验学会的标准ASTM-A370确定焊接接头的力学性能，AZ91-0.1％Ca-0.3％Y镁合金抗拉强度为290.6Mpa。

对比例1-1

按实施例1的方法制备AZ91-0.1％Ca镁合金，其最大抗拉强度为302.6MPa，延伸率为17.71％；

采用实施例1同样的焊接工艺条件及检测方法对焊接件进行检测，焊接接头的力学性能为：抗拉强度为276.21Mpa。

对比例1-2

按实施例1的方法制备AZ91-0.3％Y镁合金最大抗拉强度为298.5MPa,延伸率为17.86％；

采用实施例1同样的焊接工艺条件及检测方法对焊接件进行检测，焊接接头的力学性能为：抗拉强度为271.16Mpa。

实施例2

按镁合金组分配比为：

Al	Zn	Mn	Si	Ca	Y	Mg
							9	0.6	0.3	0.1	0.2	0.4	余量.

本实施例制备的AZ91-0.2％Ca-0.4％Y镁合金的的最大抗拉强度为339MPa,延伸率为21.97％.

本实施例采用厚为2mm的AZ91镁合金固态板材作为焊接母材，焊板的尺寸为10mm*10mm*2mm，焊接的激光电流为6A，焊接速度为5.5m/min,焊接的离焦量为Zf＝0，焊接以后，采用线切割方式在焊接母材及焊件上截取拉伸试样，按照美国材料试验学会的标准ASTM-A370确定焊接接头的力学性能，AZ91-0.2％Ca-0.4％Y镁合金抗拉强度为307.6MPa.

对比例2-1

按实施例1的方法制备AZ91-0.2％Ca镁合金，其最大抗拉强度为313MPa，延伸率为22.27％；

采用实施例1同样的焊接工艺条件及检测方法对焊接件进行检测，焊接接头的力学性能为：抗拉强度为287.3Mpa。

对比例2-2

按实施例1的方法制备AZ91-0.4％Y镁合金最大抗拉强度为317MPa,延伸率为19.2％；

采用实施例1同样的焊接工艺条件及检测方法对焊接件进行检测，焊接接头的力学性能为：抗拉强度为282.9Mpa。

实施例3

按镁合金组分配比为：

Al	Zn	Mn	Si	Ca	Y	Mg
							9	0.6	0.3	0.1	0.3	0.5	余量.

本实施例制备的AZ91-0.3％Ca-0.5％Y镁合金的的最大抗拉强度为338MPa,延伸率为18.82％.

本方案采用厚为2mm的AZ91镁合金固态板材作为焊接母材，焊板的尺寸为10mm*10mm*2mm，焊接的激光电流为6A，焊接速度为5.5m/min,焊接的离焦量为Zf＝0，焊接以后，采用线切割方式在焊接母材及焊件上截取拉伸试样，按照美国材料试验学会的标准ASTM-A370确定焊接接头的力学性能，AZ91-0.3％Ca-0.5％Y镁合金抗拉强度为296.7Mpa。

对比例3-1

按实施例1的方法制备AZ91-0.3％Ca镁合金，其最大抗拉强度为305MPa，延伸率为17.82％；

采用实施例1同样的焊接工艺条件及检测方法对焊接件进行检测，焊接接头的力学性能为：抗拉强度为280.1Mpa。

对比例3-2

按实施例1的方法制备AZ91-0.5％Y镁合金最大抗拉强度为309MPa,延伸率为16.3％；

采用实施例1同样的焊接工艺条件及检测方法对焊接件进行检测，焊接接头的力学性能为：抗拉强度为277.3Mpa。

比较以上实施例1-3与对比例1-3所得到的焊头力学性能指标可知：同时采用Ca、Y对AZ91镁合金进行微合金化得到的合金，其焊接性能得到明确提升，可有效改善镁合金的焊接性能，为制备高强适焊性超细晶镁合金薄板，提供了一种行之有效的途径。

Claims

1.一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，包括下述步骤：

第一步：熔铸

所述AZ91镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：

Al8.3-9.3,

Zn0.35-1.0,

Mn0.15-0.50,

Si0.01-0.1，

Ca0.1-0.3,

Y0.3-0.5,余量为Mg，杂质总量≤0.04；

第二步：热轧变形

将第二步得到的铸锭进行均匀化处理后加热至415℃-420℃均温，进行一道次变形量为75-80%的热轧变形，得到高强适焊性AZ91镁合金。

2.根据权利要求1所述的一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，其特征在于：合金熔化温度为750℃-780℃。

3.根据权利要求1所述的一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，其特征在于：所述均匀化处理是将铸锭加热至415℃-420℃，保温20h-24h后,出炉空冷至室温；加热时，为防止剧烈氧化，需在铸锭上覆盖细沙。

4.根据权利要求1所述的一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，其特征在于：所述热轧变形在轧机上进行，轧辊规格为Φ360Х600，轧辊转速为430mm·s^-1。

5.根据权利要求1所述的一种高强适焊性微合金化AZ91镁合金的制备方法，其特征在于：纯Mg中Mg的质量百分含量≥99.9%，纯Al中Al的质量百分含量≥99.5%，纯Zn中Zn的质量百分含量≥99.9%。