CN104328320B

CN104328320B - 一种高强度高塑性镁合金

Info

Publication number: CN104328320B
Application number: CN201410706043.1A
Authority: CN
Inventors: 罗素琴; 潘复生; 汤爱涛; 蒋斌; 杜维唯; 刘文君; 程仁菊; 董含武
Original assignee: Chongqing Academy of Science and Technology
Current assignee: Chongqing Academy of Science and Technology
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: CN104328320A

Abstract

本发明公开了一种高强度高塑性镁合金，按质量计由以下组分组成：Ni：3.0～4.5％；Y：4.0～5.0％；Zr：0.01～0.1％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。本发明高强度高塑性镁合金同时向镁基体中加入Y和Ni元素，在合金冶炼成型过程，Y、Ni与镁基体形成Mg₂Ni和Mg₁₂YNi相，其中Mg₁₂YNi相为长周期堆垛结构(LPSO)，既可提高合金的强度，又能提高合金塑性，Mg₂Ni则通过第二相强化机理提高合金强度；本发明进一步向合金中加入适量的Zr元素，并通过控制冶炼、成型工艺使锆以单质形式弥散分布在基体中，起到细化晶粒的作用。

Description

一种高强度高塑性镁合金

技术领域

本发明属于有色金属领域，涉及一种新型镁合金，特别涉及一种强度和塑性性能优异的镁合金。

背景技术

镁合金是最轻的金属结构材料之一，具有密度小(1.74g/cm³)，比强度和比刚度高，减振性能优良，储量丰富、易于回收的优点，倍受材料工作者的关注，被誉为“21世纪最重要的绿色工程金属结构材料”，有望在汽车、电子、电器、航天航空领域获得广泛应用。

低强度是制约镁合金推广应用的关键。普通镁合金(目前商用高强镁合金材料Mg-Zn-Zr合金，其典型的合金牌号如ZK60，该合金抗拉强度只有340MPa)的绝对强度为100-350Mpa，远低于钢的1000Mpa和铝合金的600Mpa，严重影响镁合金的使用范围。为此，众多材料工作者纷纷展开研究以期获得抗拉强度超过400MPa、延伸率超过5％的镁合金材料；张丁非等人研制的高含锌量的镁-锌-锰系镁合金(申请号：200710078329.X)虽然具有较高的延伸率(≥10％)，但抗拉强度仍然较低(≤360MPa)；Y.Kawamura等在材料学报-第42卷第7期第1172～1176页上发表的文章“Rapidly solidified powder metallurgyMg₉₇Zn₁Y₂alloys with excellenttensile yield strength above600MPa”中公开了一种采用快速冷却和粉末冶金(RS P/M)技术制备的Mg₉₇Zn₁Y₂镁合金，该镁合金虽然强度高达610MPa，但是延伸率仍然不高(约为5％)，且该合金的制备方法复杂，无法在实际生产中应用。

为此，有必要研发一种通过简单工艺即可获得的高强度高塑性新型镁合金。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种同时具有一种高强度和高塑性镁合金。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高强度高塑性镁合金，按质量计由以下组分组成：Ni：3.0～4.5％；Y：4.0～5.0％；Zr：0.01～0.1％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

优选的，所述镁合金按质量计由以下组分组成：Ni：3.9～4.15％；Y：4.6～4.85％；Zr：0.02～0.06％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

进一步，所述镁合金按质量计由以下组分组成：Ni：4.03％；Y：4.74％：Zr：0.03％；不可避免杂质≤0.15％。

进一步，所述不可避免的杂质中Al、Si、Cu、Fe单个含量≤0.04％，总量≤0.10％。

进一步，所述镁合金抗拉强度≥400MPa，延伸率≥5％。

进一步，所述镁合金屈服强度≥300MPa，延伸率≥7.8％。

本发明的有益效果在于：

本发明高强度高塑性镁合金同时向镁基体中加入Y和Ni元素，在合金冶炼成型过程，Y、Ni与Mg形成Mg₂Ni和Mg₁₂YNi相。Mg₁₂YNi相为长周期堆垛结构(LPSO)，在挤压态合金中呈块状均匀分布于镁基体中，而Mg₂Ni在挤压态合金中呈细小颗粒状弥散分布于镁基体中，这两种合金相通过第二相强化机理提高合金强度。Mg₁₂YNi相在铸态合金中以长棒状形态分布于镁基体中，经过挤压处理，Mg₁₂YNi相发生扭折，部分扭折角度甚至达到小于45°的程度(见图2)，显示出极高的塑性，因此Mg₁₂YNi相在提高合金强度的同时，对合金塑性的降低并不明显，使得本发明合金具有高强度和高塑性。本发明进一步向合金中加入适量的Zr元素，并通过控制冶炼、成型工艺使锆以单质形式弥散分布在基体中，起到细化晶粒的作用。Y、Ni的含量超出本发明合金范围，Mg₁₂YNi相逐渐减少至消失，合金的强度和塑性也随之降低。Al、Si、Cu、Fe杂质的含量过高，合金的耐腐蚀性能降低，影响合金的使用。

附图说明

图1是为实施例1、2所得合金的X-射线衍射谱；

图2是实施例2铸态合金的微观组织金相照片；

图3是实施例2挤压态合金的微观组织金相照片。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。

下述实施例将公开一种高强度高塑性镁合金，按质量计由以下组分组成：Ni：3.0～4.5％；Y：4.0～5.0％；Zr：0.01～0.1％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

优选的，按质量计所述镁合金由以下组分组成：Ni：3.9～4.15％；Y：4.6～4.85％；Zr：0.02～0.06％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

进一步，按质量计所述镁合金由以下组分组成：Ni：4.03％；Y：4.74％：Zr：0.03％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

实施例1：

本实施例中，所述镁合金按质量计由以下组分组成：Ni：4.03％；Y：4.74％：Zr：0.03％；不可避免杂质约为0.15％，其中Al 0.02％，Si 0.02％，Cu 0.01％，Fe 0.02％。

本实施例制备高强度高塑性镁合金的方法，包括以下步骤：

1)、选材：按照上述质量比选取原材料，本实施所选原材料为工业纯镁锭、工业纯锆、Mg-40％Y中间合金和Mg-30％Ni中间合金；

2)、冶炼：首先在电阻坩锅炉中加热工业纯镁至700℃，待母料全部熔化后，升温至750℃进行打渣；然后向坩锅中加入锆锭、Mg-40％Y中间合金和Mg-30％Ni中间合金，待全部熔化后搅拌2～5分钟，待成分均匀后静置保温15min；

3)、铸造：将步骤2)的熔体降温到700℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇注成铸锭；

4)、机加工：车皮加工步骤3)所得铸锭至适合挤压筒的尺寸；

5)、热挤压：首先将步骤4)的铸锭加热至470℃保温16小时进行均匀化退火，然后将铸锭置于430℃保温50min，最后将铸锭挤压成棒材；挤压时挤压比为11，挤压速度为2.0m/min；

6)、空冷步骤5)所得棒材至室温。

实施例2：

本实施例中，所述镁合金按质量计由以下组分组成：Ni：3.54％；Y：5.08％：Zr：0.01％；不可避免杂质0.15％，其余为镁，其中Al 0.01％，Si 0.03％，Cu 0.02％，Fe0.02％。

本实施例制备高强度高塑性镁合金的方法，包括以下步骤：

3)、铸造：将步骤2)的熔体降温到710℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇注成铸锭；

4)、机加工：车皮加工步骤3)所得铸锭至适合挤压筒的尺寸；

5)、热挤压：首先将步骤4)的铸锭加热至470℃保温18小时进行均匀化退火，然后将铸锭置于430℃保温50min，最后将铸锭挤压成棒材；挤压时挤压比为11，挤压速度为1.5～3m/min；

6)、空冷步骤5)所得棒材至室温。

实施例3：

下述实施例将公开一种高强度高塑性镁合金，按质量计由以下组分组成：Ni：3.0％；Y：5.0％；Zr：0.01％；不可避免杂质0.12％；其余为镁；其中Al 0.02％，Si 0.02％，Cu 0.02％，Fe 0.03％。

本实施例制备高强度高塑性镁合金的方法，包括以下步骤：

3)、铸造：将步骤2)的熔体降温到690℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇注成铸锭；

4)、机加工：车皮加工步骤3)所得铸锭至适合挤压筒的尺寸；

5)、热挤压：首先将步骤4)的铸锭加热至480℃保温12小时进行均匀化退火，然后将铸锭置于450℃保温30min，最后将铸锭挤压成棒材；挤压时挤压比为11，挤压速度为2.0；

6)、空冷步骤5)所得棒材至室温。

实施例4：

下述实施例将公开一种高强度高塑性镁合金，按质量计由以下组分组成：Ni：4.5％；Y：4.0％；Zr：0.1％；不可避免杂质0.10％；其余为镁，其中Al 0.03％，Si 0.01％，Cu0.01％，Fe 0.03％。

本实施例制备高强度高塑性镁合金的方法，包括以下步骤：

3)、铸造：将步骤2)的熔体降温到720℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇注成铸锭；

4)、机加工：车皮加工步骤3)所得铸锭至适合挤压筒的尺寸；

5)、热挤压：首先将步骤4)的铸锭加热至450℃℃保温24小时进行均匀化退火，然后将铸锭置于420℃℃保温90min，最后将铸锭挤压成棒材；挤压时挤压比为11，挤压速度为2.0m/min；

6)、空冷步骤5)所得棒材至室温。

实施例5：

本实施例中，所述镁合金按质量计由以下组分组成：Ni：3.9％；Y：4.85％；Zr：0.02％；不可避免杂质0.13％；其余为镁，其中Al 0.02％，Si 0.02％，Cu 0.03％，Fe≤0.01％。

本实施例制备高强度高塑性镁合金的方法，包括以下步骤：

2)、冶炼：首先在电阻坩锅炉中加热工业纯镁至700℃，待母料全部熔化后，升温至750℃进行打渣；然后向坩锅中加入锆锭、Mg-40％Y中间合金和Mg-30％Ni中间合金，待全部熔化后搅拌4分钟，待成分均匀后静置保温15min；

4)、机加工：车皮加工步骤3)所得铸锭至适合挤压筒的尺寸；

5)、热挤压：首先将步骤4)的铸锭加热至450℃保温14小时进行均匀化退火，然后将铸锭置于440℃保温50min，最后将铸锭挤压成棒材；挤压时挤压比为11，挤压速度为2.0m/min；

6)、空冷步骤5)所得棒材至室温。

实施例6：

本实施例中，所述镁合金按质量计由以下组分组成：Ni：4.15％；Y：4.6％；Zr：0.06％；不可避免杂质0.15％；其余为镁，其中Al0.02％，Si 0.01％，Cu 0.02％，Fe0.01％。

本实施例制备高强度高塑性镁合金的方法，包括以下步骤：

3)、铸造：将步骤2)的熔体降温到715℃，在CO₂和SF₆混合气体保护下浇注成铸锭；

4)、机加工：车皮加工步骤3)所得铸锭至适合挤压筒的尺寸；

5)、热挤压：首先将步骤4)的铸锭加热至475℃保温16小时进行均匀化退火，然后将铸锭置于450℃保温70min，最后将铸锭挤压成棒材；挤压时挤压比为11，挤压速度为2.0m/min；

6)、空冷步骤5)所得棒材至室温。

图1是为实施例1、2所得合金的X-射线衍射谱；由图1可见，实施例1、2所得合金中除了α-Mg外，还含有Mg₁₂YNi及Mg₂Ni相。

图2是实施例2铸态合金的微观组织金相照片，结合图1分析，Mg₁₂YNi相在铸态合金中以长棒状形态分布于镁基体中。

图3是实施例2挤压态合金的微观组织金相照片，由图3可见，经过挤压处理，Mg₁₂YNi相发生扭折，部分扭折角度甚至达到小于45°的程度。

取实施例1和2所得板材进行力学性能测试，结果下表所示：

实施例	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/％
				1	401	300	8.2
2	400	317	7.8

由表可知，实施例1、2的镁合金延伸率达8％左右，且抗拉强度大于400MPa，是一种强度和塑形均优异的新型镁合金材料。本发明的镁合金材料制备方法简单，可用于工业化生产。

本发明高强度高塑性镁合金同时向镁基体中加入Y和Ni元素，在合金冶炼成型过程，Y、Ni与镁基体形成Mg₂Ni和Mg₁₂YNi相，其中Mg₁₂YNi相为长周期堆垛结构(LPSO)，既可提高合金的强度，又能提高合金塑性，Mg₂Ni则通过第二相强化机理提高合金强度；本发明进一步向合金中加入适量的Zr元素，并通过控制冶炼、成型工艺使锆以单质形式弥散分布在基体中，起到细化晶粒的作用。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种高强度高塑性镁合金，其特征在于，按质量计由以下组分组成：Ni：3.0～4.5 %；Y：4.0～5.0 %；Zr：0.01～0.1 %；不可避免杂质≤0.15 %；其余为镁；所述镁合金抗拉强度≥400MPa，延伸率≥5%。

2.根据权利要求1所述高强度高塑性镁合金，其特征在于，按质量计由以下组分组成：Ni：3.9～4.15 %；Y：4.6～4.85 %；Zr：0.02～0.06 %；不可避免杂质≤0.15 %；其余为镁。

3.根据权利要求1所述高强度高塑性镁合金，其特征在于，按质量计由以下组分组成：Ni：4.03 %；Y：4.74%：Zr：0.03%；不可避免杂质≤0.15%。

4.根据权利要求1所述高强度高塑性镁合金，其特征在于：所述不可避免的杂质中Al、Si、Cu、Fe单个含量≤0.04%，总量≤0.10%。

5.根据权利要求1所述高强度高塑形镁合金，其特征在于：所述镁合金屈服强度≥300MPa，延伸率≥7.8%。