CN106702239B - 一种高屈强比变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高屈强比变形镁合金及其制备方法，该变形镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Zn3~4%，Ca0.7~0.95%，Mn0.05~0.33%，其余为Mg和不可避免的杂质。本发明制备的合金在挤压过程中沿挤压方向析出大量的Mg‑Zn‑Ca三元相，均匀地分布在镁基体中，形成第二相强化，较大比例的未再结晶区域具有较强的织构，从而产生织构强化作用；大量纳米级的Mn粒子的弥散析出产生了弥散强化作用，并且在热挤压过程中抑制再结晶晶粒的长大，从而产生晶粒细化效果；Ca和Mn的添加都能产生明显的晶粒细化作用，使合金的强韧性同时得到改善，并且Ca能弱化合金的基面织构，提升材料的塑性，于是本发明制备的合金具有较高强度和屈强比的同时，还保持了较高的塑性。

Description

一种高屈强比变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种高屈强比变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金具有密度低，比强度、比刚度高，铸造性能好，减震性好，电磁屏蔽性能高，易于切削加工和可回收等诸多优点，是目前工业应用中最轻的金属结构材料。在汽车、电子、电器、交通、航空航天和国防、军工领域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。然而，镁的晶体结构为密排六方，滑移系少，变形主要是通过基面滑移和锥面孪生实现，塑性变形能力差，绝对强度低，大大限制了其在结构件上的应用范围。

金属材料的屈强比是指材料的屈服强度与抗拉强度的比值。屈强比是衡量材料强度储备的一个系数。在材料拉伸变形的过程中，当受力超过屈服点，就会产生永久的不可恢复的塑性变形，使工件发生永久性变形，已不能满足使用要求，甚至出现安全隐患。对于机械结构件材料，屈服强度越高，材料在屈服前的工作时间长，可使材料的利用率提高，节约材料，减轻重量；同时，也意味着，材料的使用强度距离安全强度值越小，零件的可靠性高，可提高产品质量，降低成本。若在高的屈强比下能保证一定的塑性，可使材料的安全使用性得到保障，这充分挖掘了材料的应用潜力。

为了提高变形镁合金的强度，常用的方法有合金化、加工变形和热处理。复杂的加工变形往往不均匀，使组织存在较大应力，而热处理时，温度控制范围误差大不易调控。众多研究显示，在镁合金中，Ca具有很多类似稀土元素的特性，如细化晶粒、弱化基面织构、提高耐蚀性、增强高温稳定性、提高抗蠕变性能等。而Mn添加至镁-锌合金中，能显著细化变形合金的微观组织，提高合金的强度和耐腐蚀性能。因此复合添加Ca和Mn至镁合金中不仅能显著的改善合金的强度，提高屈强比，还能保证较高的塑性，较加工变形和热处理可节约人力物力资源，也更易调控和操作，而且较稀土成本更低，更能扩展其工业生产使用。

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高屈强比变形镁合金，同时本发明还提供了该变形镁合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高屈强比变形镁合金，由以下质量百分含量的组分组成：Zn3~4%，Ca0.7~0.95%，Mn0.05~0.33%，其余为Mg和不可避免的杂质。

进一步，所述高屈强比变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）合金冶炼及铸造：在体积比为1:99的SF₆和CO₂气体保护下，将镁锭放入坩埚中熔化，将纯锌、Mg-30%Ca中间合金、Mg-3%Mn中间合金在140~220℃预热15~30分钟后，加入熔化的镁锭中，加入时应迅速将纯锌、Mg-30%Ca中间合金及Mg-3%Mn中间合金压入液面以下，待熔化后搅拌2~5分钟，使成分均匀，静置10~15分钟，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到710~730℃时，将熔体倒入250~350℃的模具中浇注成铸锭，待铸锭凝固后从模具中取出，投入冷水中冷却；

（2）机加工：根据挤压机挤压筒的尺寸将上述铸锭锯切、车皮至合适尺寸；

（3）均匀化处理：用石墨粉包覆铸锭，在330~370℃下保温22~24h，之后升温至410~450℃保温10~12h，取出后水冷至室温；

（4）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭和挤压模具在300~330℃预热1~2小时，挤压温度为300~330℃，挤压比为25:1，挤压速率为0.8~1m/min。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过添加Ca和Mn产生明显的晶粒细化作用，使合金的强韧性同时得到改善；并且Ca能弱化合金的基面织构，提升材料的塑性。即只需要加入少量的Ca和Mn进行配伍，就能明显的提高合金强度和塑性，原料成本低。

2、本发明合金在挤压过程中沿挤压方向析出大量的Mg-Zn-Ca三元相，均匀地分布在镁基体中，形成第二相强化，较大比例的未再结晶区域具有较强的织构，从而产生织构强化作用。大量纳米级的Mn粒子的弥散析出产生了弥散强化作用，并且在热挤压过程中抑制再结晶晶粒的长大，从而产生晶粒细化效果。于是本发明制备的合金具有较高强度和屈强比的同时，还保持了较高的塑性，其屈服强度大于250MPa，屈强比最高达0.98，明显高于传统商用ZK60镁合金。

3、本发明工艺简单，容易操作和调控，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。

附图说明

图1为实施例1制备的镁合金的微观组织照片；

图2为实施例2制备的镁合金的微观组织照片；

图3为实施例3制备的镁合金的微观组织照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例高屈强比变形镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Zn3.48%，Ca0.88%，Mn0.08%，余量为Mg和不可避免的杂质。

上述组分的高屈强比变形镁合金的制备方法如下：

（1）合金冶炼及铸造：按照上述镁合金成分含量进行备料，所用原材料为工业纯镁锭、纯锌、Mg-30%Ca中间合金、Mg-3%Mn中间合金，在体积比为1:99的SF₆+CO₂气体保护下，将镁锭放入坩埚中熔化后，按所述合金成分配比量加入纯锌、Mg-30%Ca中间合金、Mg-3%Mn中间合金，加入前应在140~220℃预热15~30 分钟，加入时应迅速将其压入液面以下，待熔化后搅拌2~5分钟，使成分均匀，静置10~15分钟；静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到710~730℃时，将熔体倒入250~350℃模具中浇注成铸锭，待铸锭凝固后从模具中取出，投入冷水中冷却；

（2）机加工：根据挤压机挤压筒的尺寸将上述铸锭锯切、车皮至合适尺寸；

（3）均匀化处理：用石墨粉包覆铸锭，在330~370℃下保温22~24h，之后升温至410~450℃保温10~12h，取出后水冷至室温；

（4）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭和挤压模具在300℃~330℃预热1~2小时，挤压温度为300℃~330℃，挤压比为25:1，挤压速率为0.8~1m/min，挤压后空冷至室温，本实施例挤压所得镁合金棒材规格为Φ16。

实施例2

本实施例高屈强比变形镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Zn3.5%，Ca0.86%，Mn0.16%，余量为Mg和不可避免的杂质，制备方法同实施例1。

实施例3

本实施例高屈强比变形镁合金由以下质量百分含量的组分组成：Zn3.39%，Ca0.84%，Mn0.23%，余量为Mg和不可避免的杂质，制备方法同实施例1。

性能检测：

1、微观组织检测

图1、图2、图3分别是实施例1、实施例2、实施例3挤压态镁合金SEM照片，从图1~3可以看出，随着Mn含量的增加，第二相的数量逐渐增多，并且弥散析出的Mn颗粒也逐渐增多，其尺寸变得更小。另外，随着Mn含量的增加，挤压态合金的再结晶晶粒逐渐细化，于是合金的强度逐渐增加，并保持较好的塑性。

2、力学性能测试

表1是实施例1、2、3挤压态镁合金的室温力学性能测试结果。

表1实施例1~3制备的镁合金材料的室温力学性能

从表1可以看出，随着Mn含量的增加，合金的屈服强度得到大幅提升，抗拉强度也得到较大提升，屈强比逐渐增加，而延伸率略有下降。本发明的合金 (实施例1~3) 具有比商用高强变形镁合金ZK60更高的屈服强度，屈强比比ZK60有明显提高，同时延伸率也有不同程度的提高，这显示了本发明的合金具有很高的屈强比和较高的塑性。

挤压态合金的扫描照片显示，本发明中的合金在挤压过程中沿挤压方向析出大量的Mg-Zn-Ca三元相，均匀地分布在镁基体中，形成第二相强化，提高材料的屈服强度，从而提高屈强比。较大比例的未再结晶区域具有较强的织构，从而产生织构强化作用。大量纳米级的Mn粒子的弥散析出产生了弥散强化作用，并且在热挤压过程中抑制再结晶晶粒的长大，有效细化再结晶晶粒，有益于提升合金的强度和塑性。另外，Ca和Mn的添加都能产生明显的晶粒细化作用，同时提高合金的强度和塑性，并且Ca能弱化合金的基面织构，提升材料的塑性。综上所述，本发明中的合金具有较高的强度和屈强比的同时，还保持了较高的塑性。

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)

1.一种高屈强比变形镁合金，其特征在于，由以下质量百分含量的组分组成：Zn3.48%，Ca0.88%，Mn0.08%，其余为Mg和不可避免的杂质；

所述镁合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）合金冶炼及铸造：在体积比为1:99的SF₆和CO₂气体保护下，将镁锭放入坩埚中熔化，将纯锌、Mg-30%Ca中间合金、Mg-3%Mn中间合金在140~220℃预热15~30分钟后，加入熔化的镁锭中，加入时应迅速将纯锌、Mg-30%Ca中间合金及Mg-3%Mn中间合金压入液面以下，待熔化后搅拌2~5分钟，使成分均匀，静置10~15分钟，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到710~730℃时，将熔体倒入250~350℃的模具中浇注成铸锭，待铸锭凝固后从模具中取出，投入冷水中冷却；

（2）机加工：根据挤压机挤压筒的尺寸将上述铸锭锯切、车皮至合适尺寸；

（3）均匀化处理：用石墨粉包覆铸锭，在330~370℃下保温22~24h，之后升温至410~450℃保温10~12h，取出后水冷至室温；

（4）热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭和挤压模具在300~330℃预热1~2小时，挤压温度为300~330℃，挤压比为25:1，挤压速率为0.8~1m/min。