CN104313438A - 一种高塑性稀土变形镁合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高塑性稀土变形镁合金Mg-Zn-Mn-Nd-Y，所述镁合金的各组分百分比为：Zn：1.3~2.5%，Mn：0.7~1.3%，Nd:0.3~0.7%，Y:0.3~0.7%，剩余部分为镁和不可避免的杂质。本发明主要是在Mg-Zn系低合金化的基础上添加Mn、Nd、Y来细化晶粒，提高室温强度、热稳定性及塑性成形能力，该合金热挤压性能优于AZ31合金，有良好的热加工塑性，可快速挤压变形，在室温时抗拉强度260~295MPa,屈服强度190~208MPa,延伸率19~30%。工业生产时通过挤压加工出尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金材料，特别是一种Mg-Zn-Mn合金，以及这种合金材料的制备方法。
背景技术
在工程金属材料中, 镁材最显著的特点是质量轻。镁合金具有比强度、比刚度高，减振性能好，抗辐射能力强等一系列优点，是未来十分重要的金属结构材料和功能材料。随着世界各国对能源和环境保护越来越重视，镁的研究与开发出现了新的局面，镁材成为迅速崛起的新型工程材料。
Mg-2Zn-lMn是Mg-Zn系合金中合金化程度较低的一类合金，其热挤压性能优于AZ31合金，适合用快速挤压来降低制品成本，但是其晶粒较粗大，有热烈倾向。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高合金力学性能特别是高塑性的稀土变形镁合金。
为解决以上技术问题，本发明提供的一种高塑性稀土变形镁合金，包括镁、锌、锰、钕、和钇，各组份的质量百分比为：Zn1.3~2.5%；Mn0.7~1.3%；Nd0.3~0.7%；Y0.3~0.7%；不可避免的杂质≤0.15%；其余为镁。
作为本发明的一种优选方式，锌、锰、钕、和钇的质量百分比为：Zn1.9%；Mn0.75%；Nd0.63%；Y0.5%。其抗拉强度为σb=295MPa,屈服强度σ0.2=215MPa，延伸率为δ=25%，通过二次挤压延伸可以提高到δ=32%。
本发明镁合金材料中由于添加了稀土元素Nd和Y，不但细化了合金的组织，增加了合金的流动性，改善了合金的铸造性能，而且在后续的变形过程中阻碍再结晶晶粒的长大，细化变形组织，提高合金的力学性能。可以使合金热变形过程中温度升高时，开始出现局部熔化的温度提高，有利于选择更高的温度进行挤压，以提高合金热变形塑性、减少挤压变形抗力，从而提高挤压速率。因此，本发明所述的镁合金适合快速挤压变形。
同时，本发明还提供一种高塑性稀土变形镁合金的制备方法，该方法中采用的是以上所述的镁合金的组分、含量，包括步骤：
（1）熔化：将镁锭投入熔化炉并加熔剂熔化，熔剂用量占炉料总量的4-7%，熔化过程中撒入覆盖剂以防止燃烧，整个熔化过程控制在3-6小时，且镁液熔化结束温度控制在670-690℃；
（2）合金化：镁液熔化结束后在升温搅拌过程中依次加入锌锭和细度为120目的锰粉；
（3）精炼及提渣：在720-750℃时添加精炼剂，精炼剂用量占炉料总量的2-3%，精炼时间40-60min，最后15min将提渣筒放入镁液中，用氮气管吹起底渣，落入渣桶中的底渣由于密度大逐步将镁液排出，重复提渣过程直至干净为止；
（4）添加稀土钕及钇：升温至760-770℃加入镁钕、镁钇中间合金，吹氮气精炼5-10min；
（5）静置降温：使铝锰相、夹杂物和熔剂沉降，整个过程时间控制在40-60min，最终温度控制在690-710℃；
（6）转液：通过倒吸泵将熔化炉中镁液转入保温炉的净化腔来实现镁液净化；
（7）半连续铸棒：保温炉浇铸腔内的浇铸泵及浇铸管将镁液注入铸锭机上的结晶器内，开启冷却水和铸锭机进行半连续铸棒，浇铸温度控制在690-710℃；
（8）挤压加工：将铸锭在410-420℃下进行14-16小时均匀化退火处理后，进行扯皮，将扯皮的铸锭在温度390-400℃下进行变形加工成制品。
本发明镁合金材料采用常规铸锭制备手段熔铸，工艺简单，具有工业使用价值，使得现有的工业条件就能直接生产出高塑性镁合金。不需要施加特殊的塑性变形工艺措施，在普通工业化挤压、扎制、锻造等变形加工设备上就能变形加工，即可获得高于AZ31镁合金的性能。
附图说明
图1是本发明方法中用到的半连续铸棒生产线的结构示意图。
图2是本发明方法中用到的转液及浇铸结构示意图。
图中，1-第一熔化炉，2-第二熔化炉，3-第三熔化炉，4-第四熔化炉，5-保温炉，6-第一铸造机，7-第二铸造机，8-I腔，9-II腔，10-III腔，11-流孔，12-第一钢板，13-第二钢板，14-筛网，15-转液管，16-转液泵，17-浇铸泵，18-浇铸管。
具体实施方式
图1所示的是本发明方法中用到的半连续铸棒生产线，包括布置在生产线上的4台熔化炉，即第一熔化炉1、第二熔化炉2、第三熔化炉3和第四熔化炉4，以及1台保温炉5和2台铸造机：第一铸造机6和第二铸造机7。熔化炉为燃气加热，具有熔化速度块，经济效益高的优点，熔化炉大小可调，来满足产能需求，一般0.8-3.5吨左右。保温炉5采用电加热控制，能够很好的控制浇铸温度。保温炉5具有气体保护系统，采用N2+SF6气体保护，如图2所示，保温炉5内设有长坩埚，保温炉内的长坩埚分割成连通的3个腔，即I腔8、II腔9和III腔10，I腔8和II腔9之间用隔板隔开，隔板上部留有Φ60 mm的流孔11，该隔板采用的是钢板。II腔9和III腔10之间用第一钢板12、第二钢板13和两个钢板之间的筛网14组成的隔板隔开。如图1所示，第一熔化炉1、第二熔化炉2、第三熔化炉3和第四熔化炉4均设置在以I腔8中心为圆点的圆上，圆半径为2500mm，这4个熔化炉在保温炉两侧对称分布在圆周或圆弧上，熔化炉尺寸Φ3000*3100mm。第一铸造机6和第二铸造机7设置在以III腔10中心为圆点的圆上，圆半径1800mm。第一铸造机6和第二铸造机7在保温炉 III腔10两侧对称分布在圆周或圆弧上。将熔化炉内镁液通过转液管15和转液泵16转入保温炉长坩埚I腔8来实现倒液净化，镁液在I腔沉淀净化后从上部流孔11进入II腔，再通过反向筛网进入III腔。I腔沉淀净化，II腔反向过滤净化，III腔为浇铸腔。浇铸腔内的浇铸泵17及浇铸管18将镁液注入铸锭机上的结晶器内，开启冷却水和铸锭机进行半连续铸棒。将铸锭在410-420℃下进行14-16小时均匀化退火处理后，进行扯皮，将扯皮的铸锭在温度390-400℃下进行变形加工成制品。
通过以下实施例对本发明进行详细说明。以下实施例中所用的熔剂、覆盖剂和精炼剂的成分如表1所示。
实施例1
将经过预热的748.3kg镁锭投入图1熔化炉圆坩埚加熔剂熔化，熔剂用量占炉料总量的4-7%，熔化过程中撒入覆盖剂以防止燃烧，整个熔化过程控制在3-6小时，且镁液最终温度控制在670-690℃。熔化结束后用搅拌装置在升温搅拌的过程中加入11.6kg锌锭、6.7kg锰粉，720-750℃时用加料装置均匀添加精炼剂，精炼剂用量占炉料总量2-3%，精炼40-60min，精炼结束后用提渣筒提渣干净，再升温至760-770℃用漏勺加入22.4kgMg-30%Nd、12.50kgMg-30%Y，吹气精炼5-10min。镁液静置降温，使熔剂和夹杂物沉降，整个过程时间控制在40-60min，最终温度控制在690-710℃。将圆坩埚镁液通过转液泵转入图2保温炉I腔同时III腔浇铸泵及浇铸管将镁液注入铸锭机上的结晶器内，开启冷却水和铸锭机进行半连续铸棒，浇铸温度控制在690-710℃，铸棒直径Φ136MM。将铸锭在410-420℃下进行14-16小时均匀化退火处理后，扯皮至Φ130MM，扯皮的铸锭在温度390-400℃下挤压成直径为Φ25mm的棒材。
实施例2
将经过预热的741kg镁锭投入图1熔化炉圆坩埚加熔剂熔化，熔剂用量占炉料总量的4-7%，熔化过程中撒入覆盖剂以防止燃烧，整个熔化过程控制在3-6小时，且镁液最终温度控制在670-690℃。熔化结束后用搅拌装置在升温搅拌的过程中加入19.8kg锌锭、11kg锰粉，720-750℃时用加料装置均匀添加精炼剂，精炼剂用量占炉料总量2-3%，精炼40-60min，精炼结束后用提渣筒提渣干净，再升温至760-770℃用漏勺加入20.0kgMg-30%Nd、14.50kgMg-30%Y，吹气精炼5-10min。镁液静置降温，使熔剂和夹杂物沉降，整个过程时间控制在40-60min，最终温度控制在690-710℃。将圆坩埚镁液通过转液泵转入图2保温炉I腔同时III腔浇铸泵及浇铸管将镁液注入铸锭机上的结晶器内，开启冷却水和铸锭机进行半连续铸棒，浇铸温度控制在690-710℃，铸棒直径Φ136MM。将铸锭在410-420℃下进行14-16小时均匀化退火处理后，扯皮至Φ130MM，扯皮的铸锭在温度390-400℃下挤压成直径为Φ25mm的棒材。
实施例3
将经过预热的734kg镁锭投入图示1熔化炉圆坩埚加熔剂熔化，熔剂用量占炉料总量的4-7%，熔化过程中撒入覆盖剂以防止燃烧，整个熔化过程控制在3-6小时，且镁液最终温度控制在670-690℃。熔化结束后用搅拌装置在升温搅拌的过程中加入15.2kg锌锭、6.5kg锰粉，720-750℃时用加料装置均匀添加精炼剂，精炼剂用量占炉料总量2-3%，精炼40-60min，精炼结束后用提渣筒提渣干净，再升温至760-770℃用漏勺加入22.0kgMg-30%Nd、17.50kgMg-30%Y，吹气精炼5-10min。镁液静置降温，使熔剂和夹杂物沉降，整个过程时间控制在40-60min，最终温度控制在690-710℃。将圆坩埚镁液通过转液泵转入图2保温炉I腔同时III腔浇铸泵及浇铸管将镁液注入铸锭机上的结晶器内，开启冷却水和铸锭机进行半连续铸棒，浇铸温度控制在690-710℃，铸棒直径Φ136MM。将铸锭在410-420℃下进行14-16小时均匀化退火处理后，扯皮至Φ130MM，扯皮的铸锭在温度390-400℃下挤压成直径为Φ25mm的棒材。
实施例4
将经过预热的768kg镁锭投入图示1熔化炉圆坩埚加熔剂熔化，熔剂用量占炉料总量的4-7%，熔化过程中撒入覆盖剂以防止燃烧，整个熔化过程控制在3-6小时，且镁液最终温度控制在670-690℃。熔化结束后用搅拌装置在升温搅拌的过程中加入10.8kg锌锭、6.2kg锰粉，720-750℃时用加料装置均匀添加精炼剂，精炼剂用量占炉料总量2-3%，精炼40-60min，精炼结束后用提渣筒提渣干净，再升温至760-770℃用漏勺加入11.40kgMg-30%Nd、11.30kgMg-30%Y，吹气精炼5-10min。镁液静置降温，使熔剂和夹杂物沉降，整个过程时间控制在40-60min，最终温度控制在690-710℃。将圆坩埚镁液通过转液泵转入图2保温炉I腔同时III腔浇铸泵及浇铸管将镁液注入铸锭机上的结晶器内，开启冷却水和铸锭机进行半连续铸棒，浇铸温度控制在690-710℃，铸棒直径Φ136MM。将铸锭在410-420℃下进行14-16小时均匀化退火处理后，扯皮至Φ130MM，扯皮的铸锭在温度390-400℃下挤压成直径为Φ25mm的棒材。
实施例5
将经过预热的744kg镁锭投入图示1熔化炉圆坩埚加熔剂熔化，熔剂用量占炉料总量的4-7%，熔化过程中撒入覆盖剂以防止燃烧，整个熔化过程控制在3-6小时，且镁液最终温度控制在670-690℃。熔化结束后用搅拌装置在升温搅拌的过程中加入20.6kg锌锭、11.3kg锰粉，720-750℃时用加料装置均匀添加精炼剂，精炼剂用量占炉料总量2-3%，精炼40-60min，精炼结束后用提渣筒提渣干净，再升温至760-770℃用漏勺加入24.00kgMg-30%Nd、24.50kgMg-30%Y，吹气精炼5-10min。镁液静置降温，使熔剂和夹杂物沉降，整个过程时间控制在40-60min，最终温度控制在690-710℃。将圆坩埚镁液通过转液泵转入图2保温炉I腔同时III腔浇铸泵及浇铸管将镁液注入铸锭机上的结晶器内，开启冷却水和铸锭机进行半连续铸棒，浇铸温度控制在690-710℃，铸棒直径Φ136MM。将铸锭在410-420℃下进行14-16小时均匀化退火处理后，扯皮至Φ130MM，扯皮的铸锭在温度390-400℃下挤压成直径为Φ25mm的棒材。
实施例6
将经过预热的755kg镁锭投入图示1熔化炉圆坩埚加熔剂熔化，熔剂用量占炉料总量的4-7%，熔化过程中撒入覆盖剂以防止燃烧，整个熔化过程控制在3-6小时，且镁液最终温度控制在670-690℃。熔化结束后用搅拌装置在升温搅拌的过程中加入18kg锌锭、8.6kg锰粉，720-750℃时用加料装置均匀添加精炼剂，精炼剂用量占炉料总量2-3%，精炼40-60min，精炼结束后用提渣筒提渣干净，再升温至760-770℃用漏勺加入18.00kgMg-30%Nd、15.00kgMg-30%Y，吹气精炼5-10min。镁液静置降温，使熔剂和夹杂物沉降，整个过程时间控制在40-60min，最终温度控制在690-710℃。将圆坩埚镁液通过转液泵转入图2保温炉I腔同时III腔浇铸泵及浇铸管将镁液注入铸锭机上的结晶器内，开启冷却水和铸锭机进行半连续铸棒，浇铸温度控制在690-710℃，铸棒直径Φ136MM。将铸锭在410-420℃下进行14-16小时均匀化退火处理后，扯皮至Φ130MM，扯皮的铸锭在温度390-400℃下挤压成直径为Φ25mm的棒材。
表2中列出了以上实施例1-6获得的棒材的成分检测结果以及室温拉升性能，并与目前商用镁合金AZ31B进行了对比。
Claims (3)
1.一种高塑性稀土变形镁合金Mg-Zn-Mn-Nd-Y，其特征在于所述镁合金由镁、锌、锰、钕、钇组成，各组份的质量百分比为：Zn：1.3~2.5%；Mn：0.7~1.3%；Nd:0.3~0.7%；Y:0.3~0.7%；不可避免杂质≤0.15%；其余为镁。
2.根据权利要求1所述的镁合金材料，其特征在于：锌、锰、钕、和钇的质量百分比为：Zn1.9%；Mn0.75%；Nd0.63%；Y0.5%。
3.根据权利要求1所述镁合金材料，其特征在于制备方法包括以下步骤：
（1）熔化：将镁锭投入熔化炉并加熔剂熔化，熔剂用量占炉料总量的4-7%，熔化过程中撒入覆盖剂以防止燃烧，整个熔化过程控制在3-6小时，且镁液熔化结束温度控制在670-690℃；
（2）合金化：镁液熔化结束后在升温搅拌过程中依次加入锌锭和细度为120目的锰粉；
（3）精炼及提渣：在720-750℃时添加精炼剂，精炼剂用量占炉料总量的2-3%，精炼时间40-60min，最后15min将提渣筒放入镁液中，用氮气管吹起底渣，落入渣桶中的底渣由于密度大逐步将镁液排出，重复提渣过程直至干净为止；
（4）添加稀土钕及钇：升温至760-770℃加入镁钕、镁钇中间合金，吹氮气精炼5-10min；
（5）静置降温：使铝锰相、夹杂物和熔剂沉降，整个过程时间控制在40-60min，最终温度控制在690-710℃；
（6）转液：通过倒吸泵将熔化炉中镁液转入保温炉净化腔来实现镁液净化；
（7）半连续铸棒：保温炉浇铸腔内的浇铸泵及浇铸管将镁液注入铸锭机上的结晶器内，开启冷却水和铸锭机进行半连续铸棒，浇铸温度控制在690-710℃；
（8）挤压加工：将铸锭在410-420℃下进行14-16小时均匀化退火处理后，进行扯皮，将扯皮的铸锭在温度390-400℃下进行变形加工成制品。
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Denomination of invention: A High Plasticity Rare Earth Deformed Magnesium Alloy Effective date of registration: 20231020 Granted publication date: 20160518 Pledgee: Wenxi County Branch of China Postal Savings Bank Co.,Ltd. Pledgor: SHANXI BADA MAGNESIUM Co.,Ltd. Registration number: Y2023140000061 |