CN104975214B

CN104975214B - 一种高塑性镁合金及其制备方法

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Publication number: CN104975214B
Application number: CN201510464071.1A
Authority: CN
Inventors: 陈先华; 徐笑阳; 潘复生; 耿玉晓
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: CN104975214A

Abstract

本发明提供一种高塑性镁合金，由以下质量百分含量的组分组成：Y：4.0‑5.1 wt.%，Zr:0.4‑1.0wt.%，Nd:0‑1.5 wt.%，其余为Mg。其制备方法是通过采用稀土元素的添加及热挤压工艺来实现，具体工艺步骤包括熔炼、铸造、均匀化、热挤压工艺。添加稀土元素可以使镁合金铸态晶粒明显细化，促进了热变形过程中的动态再结晶，弱化基面织构，同时形成高温稳定的稀土相降低材料的各向异性，经过热挤压后的合金板材具有致密的组织，较细的晶粒尺寸。因此，该镁合金具有高的塑性（延伸率26‑30%）同时保证了较高的强度。本发明采用常规的熔炼和挤压工艺，具有较好的实用性和可控性，便于推广应用。

Description

一种高塑性镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高塑性镁合金及其方法，属于镁合金新材料技术领域。

背景技术

随着社会的发展，科技的进步，生产生活对材料性能提出了更高的要求，越来越多的材料被开发和利用。作为金属中最轻的工程材料，镁合金还具有较高的比强度，比刚度，可以作为飞行器的轻质外壳，汽车的轮毂，变速箱壳体以及座椅支架等，已经成为汽车、航空航天等轻量化设计和节能降耗的首选合金。

但是，常见的镁合金也存在一些不足，一般情况下，铸态镁合金的力学性能较差，有较多的组织缺陷如：缩松、缩孔和夹杂物。并且镁合金是密排六方结构，在室温下滑移面和滑移系都很少，不能达到多晶体塑性变形的滑移系数目要求（≥5个），所以在室温下镁合金会很快出现脆性断裂，塑性变形能力较差。这样的性能完全不能满足各种领域的实际生产要求，大大限制了镁合金的应用范围。经过锻造、挤压、轧制后的变形镁合金与铸态相比具有较好的强度和塑性，以及更好地表面质量和尺寸稳定性；可以满足不同领域不同构件的要求。近年来，随着社会和科技的发展，各行业对材料性能的要求越来越高，高强度和高塑性的镁合金也急需被开发，为了提高镁合金的强度和塑性，人们尝试往镁合金中加入稀土元素，稀土元素的添加可以使镁合金铸态晶粒明显细化，促进了热变形过程中的动态再结晶，弱化基面织构，并且高温稀土相的形成可以有效的钉扎晶界或位错，提高合金的强度。目前的稀土虽然能够明显改善合金强度，但塑性一般较差。近年来很多人对合金的成分及加工工艺进行了优化。

重庆大学丁培道等人曾公布了一种含Y的高塑性镁合金（CN 1616697 A），其塑性最高达到18.37%，与传统的ZK60比延伸率有所提高，但提高幅度不十分明显。上海交通大学曾小勤等人公布了一种制备高强度高塑性稀土镁合金挤压工艺（CN102839340 A），运用一种背压等通道挤压模具通过控制挤压压力多道次挤压，挤压后提高了合金的延伸率，最高为27%。但是这个挤压工艺复杂需多道次挤压，成本较高。生产工艺简单，成本不高的高塑性合金仍需要探索。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种塑性好，强度高的高塑性镁合金。

本发明还提供一种所述高塑性镁合金的制备方法，该生产工艺简单，加工成本低。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高塑性镁合金，其特征在于：由以下质量百分含量的组分组成：Y：4.0-5.1wt.%，Zr: 0.4-1.0wt.%，Nd: 0-1.5 wt.%，其余为Mg。

进一步，本发明还提供所述高塑性镁合金的制备方法，包括以下步骤:

（1）合金冶炼及铸造：

原材料：工业纯镁锭、Mg-30 wt.%Y中间合金、Mg-27.85 wt.%Zr中间合金和Mg-30wt.%Nd中间合金；

采用半连续铸造方法铸造：按照质量百分比4.0-5.1 wt.%Y，0.4-1.0 wt.%Zr，0-1.5 wt.%Nd，其余为Mg进行配料；先将镁锭在电阻炉中熔化，Mg-Y，Mg-Zr，Mg-Nd中间合金在镁锭完全熔化后依次加入，过程中用体积比为1:99的SF₆和C0₂的混合气体作保护气；当温度上升到720-750℃时，保温10分钟后将合金溶液浇铸到模具中，水冷得到铸锭；

（2）机加工：将步骤(1)得到的镁合金铸锭锯切、车皮至合适尺寸，备用；

（3）均匀化：将步骤(2)得到的镁合金铸锭在热处理炉中进行高温均匀化处理，温度为490℃-510℃，保温时间为10-12h，水冷至室温；

（4）热挤压：将挤压模具和步骤（3）处理后的铸锭在390℃-420℃预热1.5-3小时，然后进行热挤压；挤压温度为390℃-410℃，挤压比11.5:1，挤压速率为0.90-1.5Om/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面尺寸为8×125 mm²。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

（1）合金性能较好：合金的微观组织较均匀细小，基面织构较弱，表现出高的塑性，合金的延伸率26-30%，并具有较高的强度，适用于制备高性能镁合金板材。

（2）原料成本较低：只需要加入少量的稀土元素，就能明显的提高合金塑性和强度。

（3）制备方法简单：只需要进行一次挤压，不需要复杂的加工工艺；并且所采用的设备如熔炼炉、热挤压机等均为常规通用设备，具有可移植性强的特点，便于在工业中实现。

本发明改善合金成形性能的机理在于：稀土元素钇、钕的添加使镁合金铸态晶粒明显细化，并且促进了热变形过程中的动态再结晶，弱化基面织构，同时形成弥散分布的高温稳定稀土相，同时提了合金的塑性和强度，经过热挤压后的合金具有致密的组织，较细的晶粒尺寸，合金表现出高的延伸率和较高的强度。

附图说明

图1为三种合金的金相组织照片：（a）实施例1；（b）实施例2；（c）实施例3；

图2为三种合金室温下的拉伸工程应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，这些实施例仅用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下本方法的简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

实施例1：一种高塑性镁合金，合金成分为：4.95wt.%Y，0.53wt.%Zr，余量为Mg；所述百分比为质量百分比；

按上述配比和以下方法制备，得到本实施例的镁合金：

（1）合金冶炼及铸造：

原材料：工业纯镁锭、Mg-30wt.%Y中间合金、Mg-27.85wt.%Zr中间合金。

采用半连续铸造方法铸造：先将镁锭在电阻炉中熔化，Mg-Y，Mg-Zr中间合金在镁锭完全熔化后依次加入，过程中用体积比为1:99的SF₆和C0₂的混合气体作保护气。当温度上升到720℃时，保温10分钟后将合金溶液浇铸到模具中，水冷得到铸锭。

（2）机加工：将步骤(1)得到的镁合金铸锭锯切、车皮至合适尺寸，备用。

（3）均匀化：将镁合金铸锭在热处理炉中进行高温均匀化处理，温度为490℃，保温时间为11h，水冷至室温。

（4）热挤压：将挤压模具和步骤（3）处理后的铸锭在400℃预热2.5小时，然后进行热挤压；挤压温度为400℃，挤压比11.5:1，挤压速率为1.3Om/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面尺寸为8×125 mm²，金相显微组织如图1所示。

（5）力学性能测试：根据GB228-2002沿挤压方向将挤压板材加工成标准拉伸样，进行拉伸试验，其工程应力应变曲线如图2所示，力学性能数值列入表1中，延伸率高达29.1%。

实施例2：一种高塑性镁合金，合金成分为：4.89wt.%Y，0.40wt.%Zr，0.49 wt.%Nd，余量为Mg。

按上述配比和以下方式制备，就能得到本实施例的镁合金：

（1）合金冶炼及铸造：

原材料：工业纯镁锭、Mg-30%Y中间合金、Mg-27.85wt.%Zr中间合金和Mg-30wt.%Nd中间合金。

采用半连续铸造方法铸造：先将镁锭在电阻炉中熔化，Mg-Y，Mg-Zr，Mg-Nd中间合金在镁锭完全熔化后依次加入，过程中用体积比为1:99的SF₆和C0₂的混合气体作保护气。当温度上升到740℃时，保温10分钟后将合金溶液浇铸到模具中，水冷得到铸锭。

（3）均匀化：将镁合金铸锭在热处理炉中进行高温均匀化处理，温度为510℃，保温时间为12h，水冷至室温。

（4）热挤压：将挤压模具和步骤（3）处理后的铸锭在410℃预热3小时，然后进行热挤压；挤压温度为410℃，挤压比11.5:1，挤压速率为1.10m/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面尺寸为8×125 mm²，金相显微组织如图1所示。

（5）力学性能测试：根据GB228-2002沿挤压方向将挤压板材加工成标准拉伸样，进行拉伸试验，其工程应力应变曲线如图2所示，力学性能数值列入表1中，延伸率高达27.4%。

实施例3：一种高塑性镁合金，合金成分为：5.08wt.%Y，0.98wt.%Zr，1.01wt.%Nd，余量为Mg。

按上述配比和以下方式制备，就能得到本实施例的镁合金：

（1）合金冶炼及铸造：

采用半连续铸造方法铸造：先将镁锭在电阻炉中熔化，Mg-Y，Mg-Zr，Mg-Nd中间合金在镁锭完全熔化后依次加入，过程中用体积比为1:99的SF₆和C0₂的混合气体作保护气。当温度上升到750℃时，保温10分钟后将合金溶液浇铸到模具中，水冷得到铸锭。

（4）热挤压：将挤压模具和步骤（3）处理后的铸锭在410℃预热3小时，然后进行热挤压；挤压温度为410℃，挤压比11.5:1，挤压速率为1.2Om/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面尺寸为8×125 mm²，金相显微组织如图1所示。

（5）力学性能测试：根据GB228-2002沿挤压方向将挤压板材加工成标准拉伸样，进行拉伸试验，其工程应力应变曲线如图2所示，力学性能数值列入表1中，延伸率高达26.6%。

表1本发明所述镁合金材料的室温力学性能

合金编号	屈服强度（MPa）	抗拉强大（MPa）	延伸率（%）
				实施例1	153	231	29.1
实施例2	185	267	27.4
				实施例3	216	274	26.6

图1是挤压板材沿挤压方向的金相组织照片，从照片中可以发现经过热加工后的金相组织平均晶粒尺寸在5μm 以下，并且随着Nd含量的增加合金晶粒越均匀细小，实施例1-3的平均晶粒尺寸分别是4.6μm、3.6μm、2.5μm。晶粒显著细化和基面织构弱化使得镁合金的塑性变形能力大幅度提高。由表1和图2 可看出，本发明的合金 (实施例1-3)具有高的塑性，并且能保证较高的强度。

可见，添加稀土元素可以使镁合金铸态晶粒明显细化，促进了热变形过程中的动态再结晶，弱化基面织构，同时形成高温稳定的稀土相降低材料的各向异性，经过热挤压后的合金具有致密的组织，较细的晶粒尺寸。因此，该镁合金具有高的塑性（高于26%）同时保证了较高的强度。本发明涉及的是常用的熔炼和挤压工艺，简单可靠，可以推广应用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1. 一种高塑性镁合金，其特征在于：由以下质量百分含量的组分组成： 4.95wt.%Y，0.53wt.%Zr，余量为Mg；其制备方法包括以下步骤:

（1）合金冶炼及铸造：

原材料：工业纯镁锭、Mg-30wt.%Y中间合金、Mg-27.85wt.%Zr中间合金；

采用半连续铸造方法铸造：按配方进行配料，先将镁锭在电阻炉中熔化，Mg-Y，Mg-Zr中间合金在镁锭完全熔化后依次加入，过程中用体积比为1:99的SF₆和CO₂的混合气体作保护气；当温度上升到720℃时，保温10分钟后将合金溶液浇铸到模具中，水冷得到铸锭；

（4）热挤压：将挤压模具和步骤（3）处理后的铸锭在390℃-410℃预热1.5-3小时，然后进行热挤压；挤压温度为390℃-410℃，挤压比11.5:1，挤压速率为0.90-1.50m/min，挤压后的板材空冷至室温，板材的横截面尺寸为8×125 mm²。