CN106521278A

CN106521278A - 一种高强度镁‑锌‑锰‑钇‑铈镁合金及其制备方法

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Publication number: CN106521278A
Application number: CN201611248843.9A
Authority: CN
Inventors: 齐福刚; 赵镍; 罗文忠; 曹红帅; 刘应都; 史之; 史之一
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2017-03-22

Abstract

本发明涉及一种高强度镁‑锌‑锰‑钇‑铈镁合金材料，所述镁合金材料由Mg、Zn、Mn、Y和Ce组成，其各组分质量百分含量为：Zn含量为5.0～9.0％；Mn含量为0.5～1.5％；Y含量为0.3～2％；Ce含量为0.2～0.6％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。本发明材料与Mg‑Zn‑Zr系镁合金的典型牌号ZK60相比，抗拉强度相当，屈服强度和延伸率得到较明显的提高；与Mg‑Zn‑Al系镁合金的典型牌号AZ61相比，延伸率相当，抗拉强度和屈服强度得到明显提高。所述镁合金材料稀土元素含量较少，同时具有良好的低温挤压性和成型性能，不需要施加特殊的工艺措施，在普通变形加工设备上变形加工就可获得高性能，具有极大地应用潜力。

Description

一种高强度镁-锌-锰-钇-铈镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料，属于有色金属中镁合金生产领域，特别涉及一种具有高强度的变形镁合金材料及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，与其他金属结构材料相比，具有高比强度和比刚度、尺寸稳定性、减振性能和导热性能，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业领域也具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，尤其在轻量化方面，具有难以替代的显著优势，可以明显减轻重量、节省燃油消耗，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料。此外，镁合金可以回收利用，对环境友好，因此被誉为“21世纪的绿色金属结构材料”。

镁合金可分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有优良的综合性能，更高的强度和塑韧性，更适合于制作大型结构件和满足结构多样化的要求，因此在发展铸造镁合金的同时，应投入更多的力量进行变形镁合金的研究开发，使镁合金作为理想的轻质材料在更多、更广阔的领域得到应用。近年来，各国学者对镁合金材料进行了深入研究，特别是在如何改善力学性能方面开展了大量的研究工作。目前，改善镁合金力学性能的途径主要有形变强化、晶粒细化、合金化、热处理、复合材料强化等多种方法。

因此，选择在镁中添加多种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塑性加工成变形态合金，通过第二相强化、细晶强化、形变强化和固溶强化的联合作用，从而开发出新型高性能变形镁合金新材料，拓展变形镁合金材料体系范围，一定程度上满足不同服役条件下的工业应用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镁-锌-锰-钇-铈高强度高塑性变形镁合金材料。本发明镁合金材料可通过挤压或轧制或锻造变形后，实现第二相强化(稀土相强化)、细晶强化、变形强化和固溶强化的联合作用，获得高强度和高塑性。本发明所述镁合金材料与商业高强变形镁合金ZK60相比，抗拉强度相当，屈服强度和延伸率得到较明显的提高；与常用镁合金AZ61相比，延伸率相当，抗拉强度和屈服强度得到明显提高，所述镁合金材料不需要施加特殊的工艺措施(如等通道挤压、快速凝固等)，在普通工业化挤压、轧制、锻造等变形加工设备上变形就可获得高性能，因此具有商用价值高的优点。

本发明的技术方案是：

一种高强度镁-锌-锰-钇-铈镁合金材料，其各组分质量百分含量为：Zn含量为5.0～9.0％；Mn含量为0.5～1.5％：Y含量为0.3～2％；Ce含量为0.2～0.6％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

本发明较好的技术方案是所述镁合金材料各组分的质量百分比含量为Zn含量为6.0％；Mn含量为0.9％；Y含量为1.5％；Ce含量为0.4％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

本发明较好的技术方案为：所述具有高强度的镁-锌-锰-钇-铈镁合金于由Mg、Zn、Mn、Y和Ce组成，其各组分质量百分含量为：Zn：6.0％；Mn：0.75％；Y：0.75％；Ce：0.4％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

本发明不可避免的杂质为Al、Si、Ni、Cu、Fe，其总量≤0.15％。

本发明确定合金成分的设计思想是：

(1)采用Zn作为第一组分，Zn质量百分比含量为5.0～9.0％，Zn最高固溶度达6.2％，在挤压后快速冷却可使锌原子与镁基体形成固溶体，从而起到固溶强化作用，同时保证了足够数量的MgZn相。

(2)Mn含量为0.5～1.5％，Mn主要以单质形式弥散分布在基体中，可使合金晶粒得到有效细化，具有细晶强化的作用，提高合金强韧性。

(3)Y含量为0.3～2％，稀土Y和基体Mg元素以及Zn元素形成Mg-Zn-Y三相稀土相，主要包括I相(Mg₃Zn₆Y，二十面体准晶，具有优良机械性能)和W相(Mg₂Zn₃Y₂，立方结构，高温稳定相)，该系列稀土相具有高熔点和稳定性，能够抑制再结晶晶粒长大，具有显著的第二相强化和细晶强化的作用。

(4)Ce含量为0.2～0.6％，稀土Ce与基体Mg元素以及Zn元素形成Mg-Zn-Ce三元稀土相，主要为稀土τ相(CeMg₇Zn₁₂)，该稀土相具有较高的熔点和热稳定性，弥散分布的稀土相能够有效钉扎晶界，抑制再结晶晶粒长大，具有显著的第二相强化和细晶强化的作用。

本发明的制备工艺如下：本发明镁合金材料采用真空熔炼、精炼、浇铸得到合金铸锭，然后对合金铸锭进行均匀化处理；最后在挤压机上挤压成棒材；本发明镁合金可以加工出尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品。本发明镁合金材料具体冶炼铸造、热挤压工艺的具体步骤如下：

1.熔炼：

在真空感应熔炼炉上进行，原材料为工业纯镁锭、工业纯锌、Mg-4.1％Mn中间合金、Mg-30.29％Y中间合金和Mg-20.82％Ce中间合金。所述熔炼是指先在保护气氛下完全熔化工业纯镁，再加入纯锌、Mg-Mn中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Ce中间合金，并完全熔化，然后进行精炼处理，最后将精炼处理后的液态合金浇铸成铸锭。

2.挤压成型工序：

将上述铸锭在330～360℃下进行12～24小时的均匀化退火处理后，进行车皮。将车皮的铸锭在温度为310～400℃下进行挤压变形加工成制品。

本发明所述镁合金材料的优点是：

I.本发明镁合金材料采用常规化的铸锭制备手段和常规塑性变形装置，工艺简单，具有工业使用价值，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制，使得现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金。

II.本发明镁合金材料中Zn作为第一组元，其在均匀化退火和挤压过程中，可以固溶到镁基体晶格中，最高固溶度达6.2％，在热变形后快速冷却，锌原子与镁基体形成固溶体，从而起到固溶强化作用。

III.本发明镁合金材料由于添加了稀土元素Y，Y与合金元素Zn以及基体Mg结合形成一系列体积分数和大小的Mg-Zn-Y三元稀土相，该系列稀土相具有较高的熔点和热稳定性，在变形过程中能够有效钉扎晶界和位错，抑制再结晶晶粒长大，具有显著的细晶强化和第二相强化作用。

IV.本发明镁合金材料由于添加了稀土元素Ce，在凝固过程中，其平均分配系数K≤1，Ce主要富集在固液界面前沿，对晶界有钉扎作用，可以起到细化晶粒的作用；此外，Ce与合金元素Zn以及基体Mg形成Mg-Zn-Ce三元相，该稀土相就有较高熔点和热稳定性，在热变形过程中，能够有效钉扎晶界，抑制再结晶晶粒长大，得到细小的晶粒组织，具有显著的细晶强化的第二相强化作用。

V.本发明镁合金材料中的锰元素主要以单质形式弥散分布在基体中，使合金晶粒得到有效细化，同时提高合金强韧性。

VI.本发明镁合金材料不需要施加特殊的塑性变形工艺措施，如等通道挤压、快速凝固等，在普通工业化挤压、轧制、锻造等变形加工设备上就能变形加工，即可获得高于目前典型变形镁合金强度的性能。

VII.本发明所述镁合金材料具有很好的热稳定性，能有效抑制后续热机械处理中的化合物粗大和晶粒长大，同时热变形过程中当温度升高时，开始出现局部熔化的温度提高，有利于选用更高的温度进行热变形，以提高合金的热变形塑性，减少变形抗力，提高热变形速率。

下面参照附图并结合具体实例，进一步阐述本发明，应理解的是，这些实例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进，都属于本发明所要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明高强度镁-锌-锰-钇-铈镁合金材料(实施例2)的X-射线衍射谱。横坐标为2θ角度；纵坐标为衍射强度(任意单位)；

图2是本发明高强度镁-锌-锰-钇-铈镁合金材料(实施例2)的铸态微观组织的典型金相照片；

图3是本发明高强度镁-锌-锰-钇-铈镁合金材料(实施例2)的均匀化态微观组织的典型金相照片；

图4是本发明高强度镁-锌-锰-钇-铈镁合金材料(实施例2)的挤压态微观组织的典型金相照片；

图5是本发明高强度镁-锌-锰-钇-铈镁合金材料(实施例2)的挤压态微观组织的典型扫描电子显微镜照片；

图6是本发明挤压态高强度镁-锌-锰-钇-铈镁合金材料(实施例2)的拉伸断口形貌的扫描电子显微镜照片

具体实施方式

实施例1:合金成份(质量百分比)为：Zn为6.0％，Mn为0.75％，Y为0.75％，Ce为0.4％，剩余部分为镁和不可避免的杂质。

实施例2:合金成份(质量百分比)为：Zn为6.0％，Mn为0.9％，Y为1.5％，Ce为0.4％，剩余部分为镁和不可避免的杂质。

取上述实施例的成份配方，用下列方法得到本发明镁合金材料：

1.合金冶炼及铸造：

原材料为工业纯镁锭、工业纯锌、Mg-30.29％Y中间合金、Mg-20.82％Ce中间合金和Mg-4.1％Mn中间合金，在真空感应熔炼炉上进行。首先在保护气氛下完全熔化工业纯镁，再加入纯锌、Mg-Mn中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Ce中间合金，待到完全熔化，然后进行精炼处理，最后将精炼处理后的液态合金浇铸成铸锭。

2.机加工：

根据挤压机挤压筒的尺寸将铸锭锯切、车皮至合适尺寸。

3.均匀化处理：

将铸锭在330～360℃下进行12～24小时的均匀化退火。

4.热挤压加工：

在310～400℃下预热30～90min，然后在挤压机上挤压成棒材，挤压后空冷至室温，本发明镁合金挤压参数见表1。

表1本镁合金材料主要挤压参数

5.微观组织表征：

组织观察的样品其制备过程如下：采用1000号碳化硅水磨砂纸磨平表面；然后采用金刚石研磨膏机械抛光；合金中主要相经X-射线衍射分析为α-Mg、Mg₇Zn₃、Mg₂Sn、MgZn₂和Mn单质，所述镁合金材料X-射线图谱列于附图1中；通过配置有能谱装置的电子扫描显微镜(TESCAN VEGAⅡ)上可以确定合金中合金相与元素的分布。

6.力学性能测试：

根据国标GB228-2002的标准，将本发明实施例所述镁合金材料挤压态试样加工成标准拉伸试样进行拉伸试验，拉伸样品为圆棒状，其轴线方向平行于材料的纵向。

本发明实施例1～2挤压态室温力学性能如表2所示。由表2可以看出，本发明镁合金材料可以通过普通热挤压均可获得高强度和高塑性。

表2本发明所述镁合金材料挤压棒材的室温力学性能表。

合金	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	延伸率/％
				实施例1	275	326	15.1
实施例2	285	330	14.1

目前典型变形镁合金材料力学性能数据见表3。

表3典型变形镁合金的室温力学性能。

合金	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	延伸率/％
				AZ31	200	255	12
AZ61	205	305	16
				AZ80	250	330	11
ZK60	235	325	11

对比表2和表3，本发明镁合金(实施例1～2)与商业高强变形镁合金ZK60相比，具有更高的屈服强度和延伸率，分别提高21％和28％；与常用变形镁合金AZ61相比，延伸率相当，具有更高的抗拉强度和屈服强度，分别提高34％和8％。本发明镁合金可替代ZK60、AZ61等用于金属材料的力学性能要求高的工业生产，如航空、军工等。

图1为本发明镁合金材料(实施例2)的X-射线衍射谱。由图1可以看到：合金的组成相主要为α-Mg、MgZn₂、I相、W相、τ相和Mn单质，充分验证了本发明成分设计思想，达到了设计目的，得到了想要的合金相。

图2和图3是本发明镁合金材料(实施例2)的铸态和均匀化态组织金相照片。由图可知，在铸造过程中，Y和Ce元素主要分布在晶界和枝晶间，对晶界具有钉扎作用，获得较细小的铸态组织，同时由于非平衡结晶所带来的偏析和存在于晶界及枝晶间的金属间化合物，使得铸锭的化学成分和组织不均匀，造成热塑性的降低和加工性能的削弱，为改善铸锭化学成分和组织的不均匀性，提高其成型性，需要在铸造后对铸锭进行均匀化退火处理。经过均匀化退火处理后，铸锭粗大的枝晶消失，化学成分及组织更加均匀。

图4和图5是本发明镁合金材料(实施例2)的挤压态组织的金相和扫描电镜照片。由图可知，在热挤压过程中，I相和τ相等稀土相呈细小弥散颗粒状存在，W相并没有完全挤碎，三种稀土相在热挤压过程中通过钉扎晶界，阻碍晶粒长大，均起到阻碍合金再结晶的作用，得到细小晶粒，提高了力学性能，晶粒的平均尺寸在2～6μm。

图6是本发明挤压态镁合金材料(实施例2)的拉伸断口形貌的扫描电镜照片。由图可知，本发明镁合金材料的断裂形式主要为韧性断裂，这主要是和合金中的第二相密切相关，I相、W相和τ相等稀土相起到稀土相强化和细晶强化的作用，同时提高了强度和塑性，所以合金的断裂方式主要为韧性断裂。

综上所述，本发明人通过在镁中添加Zn、Mn、Y和Ce等合金元素，得到一种多元化镁合金材料，采用常规铸造和塑性加工设备，实现了第二相(稀土相)强化、细晶强化、形变强化和固溶强化的联合作用，获得高强度和高塑性，进而开发出一种新型高强变形镁合金材料。本发明镁合金材料具有良好的低温挤压性和塑性成形性，综合力学性能优于高强度变形镁合金ZK60合金和AZ61合金，且稀土含量较少，具有极大地应用潜力，可以部分替代ZK60镁合金材料。

Claims

1.一种具有高强度的镁-锌-锰-钇-铈镁合金材料，其特征在于由Mg、Zn、Mn、Y和Ce组成，其各组分质量百分含量为：Zn：5.0～9.0％；Mn：0.5～1.5％：Y：0.3～2％；Ce：0.2～0.6％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

2.根据权利要求1所述的一种具有高强度的镁-锌-锰-钇-铈镁合金，其特征在于所述具有高强度的镁-锌-锰-钇-铈镁合金由Mg、Zn、Mn、Y和Ce组成，其各组分质量百分含量为：Zn：6.0％；Mn：0.9％；Y：1.5％；Ce：0.4％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

3.根据权利要求1所述的一种具有高强度的镁-锌-锰-钇-铈镁合金，其特征在：所述具有高强度的镁-锌-锰-钇-铈镁合金于由Mg、Zn、Mn、Y和Ce组成，其各组分质量百分含量为：Zn：6.0％；Mn：0.75％；Y：0.75％；Ce：0.4％；不可避免杂质≤0.15％；其余为镁。

4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述具有高强度的镁-锌-锰-钇-铈镁合金的工艺，其特征在于，采用合金冶炼及铸造得到合金铸锭，然后对合金铸锭进行均匀化处理，最后通过挤压或轧制或锻造变形获得高强度。