CN105543605B

CN105543605B - 一种高强度Mg‑Y‑Ni‑Mn合金及其制备方法

Info

Publication number: CN105543605B
Application number: CN201511014976.5A
Authority: CN
Inventors: 王敬丰; 秦德昭; 王炎钰; 潘复生
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2017-09-29
Anticipated expiration: 2035-12-31
Also published as: CN105543605A

Abstract

本发明涉及一种高强度Mg‑Y‑Ni‑Mn合金及其制备方法，其成分含量为：Y=5.0～12.5，Ni=2.0～6.0，Mn=0.4~1.0%，余量为镁和不可避免的杂质。采用如下工艺制备：配料、真空熔炼铸锭、循环均匀化退火、挤压和双级时效。该材料无需精炼、挤压比低(λ＝11)，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制，工艺简单，可移植性强，且容易操作，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，使得现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

Description

一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种变形镁合金及其制造方法，特别是一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金，所述合金是一种四元镁合金，包括Mg、Y、Ni和Mn四种合金元素，所述高强度是指材料能够达到的抗拉强度≥510MPa。

背景技术

镁的弹性模量比较小，在受力作用下能产生较大的变形，因而镁合金在冲击载荷作用下，能吸收较大的冲击能，可制造承受冲击的零件。镁及其合金作为最轻的常用金属结构材料，已受到人们越来越多的关注，并已在国防军工、航空航天、高速轨道交通、电子通讯等领域得到了一定程度的应用。但是，由于镁合金强度低，还难以大量应用于承载结构件，尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后于钢铁和铝合金，其室温力学性能明显不足，已经严重的制约了其进一步的应用。

CN201310250222.4公开了“一种高强镁合金及其制备方法” 其各组成成份的质量百分含量分别是:Cd:1.0～15.0%,Bi:2.0～10.0%,Zn:5.0～13.0%,Y:7.0～15.0%,Zr:0.4～1.0%,Nb:0.1～5.0%,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％,余量为Mg。以Cd、Bi、Zn、Y、Nb和Zr多种元素复合达到强化效果，其获得的最好力学性能是Mg-1.0Cd-2.0Bi-7.0Zn-15.0Y-0.8Zr-1.2Nb铸造合金双级时效态在室温下的抗拉强度450MPa，屈服强度380MPa，伸长率10%。但是，其所使用的Cd毒性较大，对人体危害严重。而且，铸造采用低频电磁油滑半连续铸造方法，需严格控制电磁场频率、磁场强度、铸造速度、冷却水量等工艺参数，熔炼过程中还大量使用覆盖剂和精炼剂。由于配方复杂，元素使用繁多，增加了制备难度，限制了其使用性能和应用范围，更增加了合金成本。

CN201010219696.9公开了“一种强力变形制备超高强镁合金棒材的方法”，该镁合金的成份含量为：Gd:6～13％，Y:2～6％，Zr:0.3～0.8％，其余为Mg及不可去除的杂质元素。该专利合金铸造态经坯料预变形成棒材，再利用快速强力变形配合等温时效方法制备，室温最好力学性能数据是抗拉强度615MPa，但是延伸率仅有1.1%。该发明涉及预变性和强力快速压缩变形，会增加合金制备难度，并且该合金延伸率较低。

因此，选择在镁中添加合金元素得到一种多元化镁合金体系，采用常规设备获得其铸态合金并将铸态合金加工成挤压态合金，并对挤压态合金进行适当热处理，利用复合强化手段来提高镁合金的强度，改善镁合金的综合力学性能和使用性能，拓展其应用范围，成为本领域技术人员有待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明解决的技术问题是如何改善镁合金强度，提供一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金，实现工艺简单，操作容易和降低成本的目的。

实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金；其特征在于，所述镁合金主要由Mg、Y、Ni和Mn组成，各组成成分质量百分含量为：Y=5.0～12.5，Ni=2.5～6.0，Mn=0.4~1.0%，余量为镁和不可避免的杂质。

所述合金制备方法包括如下步骤：

（1）按照上述组分计算需要原料的重量，原料采用工业纯镁、Y-Ni中间合金、Mg-Mn中间合金；采用真空熔炼、浇铸得到合金铸锭；

（2）对步骤（1）获得的合金铸锭进行均匀化退火处理，其工艺参数为：将铸锭入炉升温至540℃后，待铸锭热透后随即停炉降温至450℃，待铸锭表里温度一致后再次进行升温至540℃和降温至450℃，如此经过三次循环退火后；再将制好的坯料进行挤压得到挤压态合金，其中采用的工艺参数为：挤压温度400℃±10℃，挤压比为11，在挤压机上进行挤压，挤压速度恒定；

（3）对步骤（2）经变形加工后的挤压态合金进行人工时效处理，其工艺参数为：先进行时效温度180℃，保温时间25小时的一级时效处理，随即进行时效温度220℃，保温时间10小时的二级时效处理，而后空冷，制得高强度镁合金材料。

进一步，步骤（1）中，所述真空熔炼和浇铸为将原料加入坩埚并通入氩气进行保护，在真空冶炼炉中熔炼；在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟。

优选配方为：所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Y-10.3%，Ni-4.4%，Mn-0.45%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。

本发明不可避免的杂质为Si、Fe，其总量＜0.1%。

本发明人经过大量的实验研究后认为：Mg、Y和Ni能够在镁合金中形成长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，通过工艺控制使Mn元素进一步弥散分布细化晶粒，再通过挤压变形和时效处理增强强化效果，兼顾了固溶强化、形变强化和弥散强化机制，从而能够改善镁合金的室温力学性能。

所述高强度Mg-Y-Ni-Mn合金不是粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工，再对挤压态合金进行时效热处理得到最终合金。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出在Mg-Y-Ni-Mn合金中使Mg、Y和Ni形成大量长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，通过工艺控制使Mn元素进一步弥散分布细化晶粒，再通过挤压变形和时效处理增强强化效果，该工艺是固溶强化、形变强化和弥散强化于一体的高强变形镁合金的制备方法。

仅以如下高强度Mg-Y-Ni-Mn合金为例，其具有较高的力学性能，其中时效态Y -10.2wt%，Ni -4.4wt%，Mn -0.45%；余量为Mg和少量的杂质；该合金的室温抗拉强度为510MPa，屈服强度为384MPa，延伸率为4.7%；其强度与目前常用的变形镁合金AZ91、ZK60相比显著提高。

所述高强度Mg-Y-Ni-Mn合金不是粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工，再对挤压态合金进行适当热处理后得到的合金。

2、本发明中稀土金属的加入引入了LPSO相，能够显著提高镁合金的室温强韧性，合金元素配方简单，未使用重稀土元素，降低了合金成本，为镁合金应用领域的扩大创造了条件。循环退火通过反复加热与冷却，大大缩短了周期，由传统工艺的10~20小时以上缩短到2~4小时。另外双级时效保证了强化相的密度，从而提高强度。既节省了能源，又提高了生产率，对大批量生产可以实现机械化和自动化。

3、本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，成本低廉，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

具体实施方式：

本发明高强度Mg-Y-Ni-Mn合金是一种四元镁合金，包括Mg、Y、Ni和Mn四种合金元素，所述高强度是指材料能够达到的抗拉强度≥510MPa。

本发明人经过大量的实验研究后认为：Mg、Y和Ni能够在镁合金中形成长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，通过工艺控制使Mn元素进一步弥散分布细化晶粒，再通过挤压变形和时效处理增强强化效果，兼顾了固溶强化、弥散强化和析出强化机制，从而能够改善镁合金的室温力学性能。

实施例1：一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Y-10.2%，Ni-4.4%，Mn-0.45%杂质元素小余0.1%，其余为Mg。

该高强度Mg-Y-Ni-Mn合金的制造方法，按如下步骤进行：

步骤1：在真空熔炼炉中，熔炼铸锭，并通入氩气进行保护，按照重量百分比Y=10.2%，Ni=4.4%，Mn-0.45%添加合金元素。其中，Y、Ni以30Y-70Ni中间合金形式加入，Mn以Mg-3Mn中间合金形式加入。

在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟，然后进行浇铸。

步骤2：将所熔炼的镁合金铸锭进行均匀化处理，其工艺参数为：将铸锭入炉升温至540℃后，待铸锭热透后随即停炉降温至450℃，待铸锭表里温度一致后再次进行升温至540℃和降温至450℃，如此经过三次循环退火后，对镁合金铸锭进行常规热挤压，挤压温度为400℃，挤压比为11，挤压速度恒定。

镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。

步骤3：将挤压态合金进行时效处理，其工艺参数为：先进行时效温度180℃，保温时间25小时的一级时效处理，随即进行时效温度220℃，保温时间10小时的二级时效处理，而后空冷。镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。表1为实施例1所述高强度Mg-Y-Ni-Mn合金的力学性能表。

实现本发明目的的其他实施例配方，参见表2，其中力学性能是指合金时效态室温下的抗拉强度和屈服强度；工艺方法参见实施例1。

实施例2：一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Y-5.2%，Ni-2.2%，Mn-0.82%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Ni-Y合金的制造方法，同实施例1。

实施例3：一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Y-7.8%，Ni-3.4%，Mn-0.59%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Ni-Y合金的制造方法，同实施例1。

实施例4：一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Y-8.6%，Ni-4.1%，Mn-0.67%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Y-Ni-Mn合金的制造方法，同实施例1。

实施例5：一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Y-12.0%，Ni-5.7%，Mn-0.48%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Y-Ni-Mn合金的制造方法，同实施例1。

表2 为实施例2-5所述高强度Mg-Y-Ni-Mn合金的力学性能表。

本发明提出在Mg-Y-Ni-Mn合金中使Mg、Y和Ni形成大量长周期相，可起到显著的弥散强化效果。再通过挤压变形和多级热处理增强强化效果，加入适量的Mn元素，通过工艺控制，使Mn以单质点形式弥散分布进一步细化晶粒，提高力学性能，该工艺是固溶强化、形变强化和弥散强化于一体的高强变形镁合金的制备方法。该材料无需精炼、挤压比低(λ＝11)，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制，工艺简单，可移植性强，且容易操作，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，使得现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

本发明所采用的制备工艺，具有通用性广、可移植性强、工艺简单成熟和容易实现等优点。

应当指出，以上所述实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims

1.一种高强度Mg-Y-Ni-Mn合金，其特征在于，所述镁合金主要由Mg、Y、Ni和Mn组成，所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Y-10.2%，Ni-4.4%，Mn-0.45%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁；

或所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Y-7.8%，Ni-3.4%，Mn-0.59%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁；

制备方法，包括如下步骤：

（1）按照所述组分计算需要原料的重量，原料采用工业纯镁、Y-Ni中间合金、Mg-Mn中间合金；采用真空熔炼、浇铸得到合金铸锭；

（2）对步骤（1）获得的合金铸锭进行循环均匀化退火处理，其工艺参数为：将铸锭入炉升温至540℃后，待铸锭热透后随即停炉降温至450℃，待铸锭表里温度一致后再次进行升温至540℃和降温至450℃，如此经过三次循环退火后，再将制好的铸锭坯料进行挤压得到挤压态合金，其中采用的工艺参数为：挤压温度400℃±10℃，挤压比为11，在挤压机上进行挤压，挤压速度恒定；

2.根据权利要求1所述高强度Mg-Y-Ni-Mn合金，其特征在于，所述步骤（1）中，真空熔炼和浇铸为将原料加入坩埚并通入氩气进行保护，在真空冶炼炉中熔炼；在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟。