CN106756364B - 一种高塑性变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高塑性变形镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高塑性变形镁合金及其制备方法，所述高塑性变形镁合金的成分及质量百分比组成为：Al 3.5～5.5%，Zn 0.5～1.5%，Mn 0.2～0.5%，Zr 0.005～0.025%，C 0.0005～0.0025%，B 0.0005～0.0025%，Si≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。本发明高塑性变形镁合金的室温抗拉强度大于250MPa，屈服强度大于220MPa，伸长率大于10%，具有强度高、塑性好的优点，适合于轧制、挤压、锻造等各种塑性成形加工工艺，可加工成板带、棒材、管材、型材和锻件等产品，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种高塑性变形镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金技术领域，具体是涉及一种高塑性变形镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果好等优点，在汽车、摩托车、电子信息、轨道交通、航空航天等领域具有很大的应用潜力。但目前大多数镁合金的绝对强度仍然较低，限制了镁合金在众多受力结构件上的应用。特别是镁是密排六方晶体结构，其室温塑性变形能力较差，这极大的限制了镁合金变形材，如板带、管材、型材和锻件的生产和应用。晶粒细化是提高镁合金力学性能和改善镁合金塑性变形能力的有效方法。Zr元素对纯镁有明显的晶粒细化作用，在纯镁液中加入很少量的锆，就可大大提高纯镁的形核率，起到细化晶粒的作用。但Zr与Al元素会形成稳定的Al3Zr化合物，由于Al3Zr的体心正方形晶体结构与镁的密排六方晶体结构完全不同，且二者的晶格常数相差很大，导致Al3Zr不能作为镁晶粒的异质形核核心起到晶粒细化作用。但目前常用的变形镁合金，如AZ31B、AZ61A和AZ80A等都含有Al元素，因此，解决含铝变形镁合金的晶粒细化问题，通过晶粒细化来提高镁合金力学性能和改善镁合金塑性变形能力具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、塑性好的高塑性变形镁合金及其制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高塑性变形镁合金，其特点是由以下成分及质量百分比组成：Al3.5～5.5%，Zn 0.5～1.5%，Mn 0.2～0.5%，Zr 0.005～0.025%，C 0.0005～0.0025%，B0.0005～0.0025%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。
优选的，本发明所述的高塑性变形镁合金，由以下成分及质量百分比组成：Al4.5%，Zn 1.0%，Mn 0.4%，Zr 0.015%，C 0.0015%，B 0.0015%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。
本发明所述的高塑性变形镁合金的制备方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：选用工业镁锭、铝锭、锌锭、Mg-20Mn合金和Al-5Zr-0.5C-0.5B合金为原材料；
第二步：在气体保护和700～760℃条件下加热熔化工业镁锭，然后加入占原材料总重量为3～5.4%的铝锭、0.5～1.5%的锌锭和1～2.5%的Mg-20Mn合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：对镁合金液进行精炼除气除杂，再加入占原材料总重量为0.1～0.5%的Al-5Zr-0.5C-0.5B合金进行细化处理，搅拌使镁合金液的成分均匀；
第四步：在680～740℃条件下将镁合金液铸造成镁合金，得到高塑性变形镁合金。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明高塑性变形镁合金的室温抗拉强度大于250MPa，屈服强度大于220MPa，伸长率大于10%，具有强度高、塑性好的优点，适合于轧制、挤压、锻造等各种塑性成形加工工艺，可加工成板带、棒材、管材、型材和锻件等产品，具有广阔的市场应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明作进一步的详细说明。
本发明所述的高塑性变形镁合金，由以下成分及质量百分比组成：Al 3.5～5.5%，Zn 0.5～1.5%，Mn 0.2～0.5%，Zr 0.005～0.025%，C 0.0005～0.0025%，B 0.0005～0.0025%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。
优选的，所述高塑性变形镁合金的成分及质量百分比组成为：Al 4.5%，Zn 1.0%，Mn 0.4%，Zr 0.015%，C 0.0015%，B 0.0015%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。
其中，Al、Zn、Mn是本发明所述高塑性变形镁合金的主要合金元素，Al和Zn在镁合金中具有固溶强化作用，还可与Mg分别形成Mg17Al12和MgZn强化相，提高镁合金的抗拉强度。Mn可以提高镁合金屈服强度，还可以除去镁合金中的Fe以及其他重金属元素，避免生成有害的晶间化合物，提高镁合金的耐腐蚀性能和焊接性能。Al、Zn、Mn的含量越高，Mg17Al12和MgZn相的数量也越多，镁合金的强度也越高，耐腐蚀性能和焊接性能也越好。但Al、Zn、Mn的含量越高，也会导致镁合金的塑形下降。为确保镁合金获得足够的强度、塑性、耐腐蚀性能和焊接性能，因此，Al含量选择在3.5～5.5%，Zn含量选择在0.5～1.5%，Mn含量选择在0.2～0.5%，优选的，Al含量为4.5%，Zn含量为1.0%，Mn含量为0.4%。
Zr、C、B是以Al-5Zr-0.5C-0.5B合金形式加入到镁合金中。Al-5Zr-0.5C-0.5B合金是一种新型的镁合金晶粒细化剂，是由氟锆酸钾、氟硼酸钾和碳粉的混合物与铝液反应得到，内部含有大量的ZrB2粒子和ZrC粒子。ZrB2粒子和ZrC粒子都具有熔点高、稳定性好的特点，特别是ZrB2粒子和ZrC粒子与镁同为密排六方晶体结构，并且晶格常数相近，晶格常数错配度非常低，是镁晶粒的优良非均质形核核心，可细化镁合金晶粒，提高镁合金的塑性变形能力。发明人的大量实验研究表明，添加0.1～0.5%的Al-5Zr-0.5C-0.5B合金，镁合金中含有0.005～0.025%的Zr，0.0005～0.0025%的C和B，镁合金液中含有大量的ZrB2粒子和ZrC粒子，可形成ZrB2和ZrC粒子的双相粒子复合晶粒细化作用，显著细化镁合金的晶粒，改善镁合金的组织均匀性，提高镁合金的塑性变形能力。发明人的实验研究还表明，Al-5Zr-0.5C-0.5B合金比Al-5Zr-1C合金和Al-5Zr-1B合金都具有更强的晶粒细化能力，在相同添加量的条件下，添加Al-5Zr-0.5C-0.5B合金，形成ZrB2和ZrC粒子的双相粒子复合晶粒细化作用，其晶粒细化效果比只添加Al-5Zr-1C合金的ZrC单相粒子的晶粒细化效果或者只添加Al-5Zr-1B合金的ZrB2单相粒子的晶粒细化效果都更好，因此，本发明选择添加Al-5Zr-0.5C-0.5B合金。优选的，Al-5Zr-0.5C-0.5B合金添加为0.3%，镁合金中含有0.015的Zr，0.0015%的C和B。
本发明还提供了所述高塑性变形镁合金的制备方法，具体包括以下步骤：
第一步：选用工业镁锭、铝锭、锌锭、Mg-20Mn合金和Al-5Zr-0.5C-0.5B合金为原材料；
第二步：在气体保护和700～760℃条件下加热熔化工业镁锭，然后加入占原材料总重量为3～5.4%的铝锭、0.5～1.5%的锌锭和1～2.5%的Mg-20Mn合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：对镁合金液进行精炼除气除杂，再加入占原材料总重量为0.1～0.5%的Al-5Zr-0.5C-0.5B合金进行细化处理，搅拌使镁合金液的成分均匀；
第四步：在680～740℃条件下将镁合金液铸造成镁合金，得到高塑性变形镁合金。
本发明的制备方法，选用工业镁锭、铝锭、锌锭、Mg-20Mn合金和Al-5Zr-0.5C-0.5B合金为原材料，通过优化Al、Zn、Mn主合金元素的含量，经精炼除气除杂后，再加入Al-5Zr-0.5C-0.5B合金，能够充分发挥Al-5Zr-0.5C-0.5B合金对镁合金液的晶粒细化作用，确保本发明镁合金获得高强度和高塑性。
为了更详尽的描述本发明的高塑性变形镁合金及其制备方法，以下列举几个实施例作更进一步的说明。
实施例1：
本发明所述的高塑性变形镁合金的成分及质量百分比组成为：Al 3.5%，Zn 0.5%，Mn 0.2%，Zr 0.005%，C 0.0005%，B 0.0005%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。该高塑性变形镁合金的制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业镁锭、铝锭、锌锭、Mg-20Mn合金和Al-5Zr-0.5C-0.5B合金为原材料；
第二步：在体积百分比为0.5%SF6+99.5%CO2的混合气体保护和700℃条件下加热熔化工业镁锭，然后加入占原材料总重量为3.4%的铝锭、0.5%的锌锭和1%的Mg-20Mn合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：采用JDMR2溶剂对镁合金液进行精炼除气除杂，再加入占原材料总重量为0.1%的Al-5Zr-0.5C-0.5B合金进行细化处理，搅拌使镁合金液的成分均匀；
第四步：在680℃条件下将镁合金液铸造成镁合金，得到高塑性变形镁合金。
实施例2：
本发明所述的高塑性变形镁合金的成分及质量百分比组成为：Al 4.5%，Zn 1.0%，Mn 0.4%，Zr 0.015%，C 0.0015%，B 0.0015%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。该高塑性变形镁合金的制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业镁锭、铝锭、锌锭、Mg-20Mn合金和Al-5Zr-0.5C-0.5B合金为原材料；
第二步：在体积百分比为0.5%SF6+99.5%CO2的混合气体保护和730℃条件下加热熔化工业镁锭，然后加入占原材料总重量为4.2%的铝锭、1%的锌锭和2%的Mg-20Mn合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：采用JDMR2溶剂对镁合金液进行精炼除气除杂，再加入占原材料总重量为0.3%的Al-5Zr-0.5C-0.5B合金进行细化处理，搅拌使镁合金液的成分均匀；
第四步：在710℃条件下将镁合金液铸造成镁合金，得到高塑性变形镁合金。
实施例3：
本发明所述的高塑性变形镁合金的成分及质量百分比组成为：Al 5.5%，Zn 1.5%，Mn 0.5%，Zr 0.025%，C 0.0025%，B 0.0025%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。该高塑性变形镁合金的制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业镁锭、铝锭、锌锭、Mg-20Mn合金和Al-5Zr-0.5C-0.5B合金为原材料；
第二步：在体积百分比为0.5%SF6+99.5%CO2的混合气体保护和760℃条件下加热熔化工业镁锭，然后加入占原材料总重量为5%的铝锭、1.5%的锌锭和2.5%的Mg-20Mn合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：采用JDMR2溶剂对镁合金液进行精炼除气除杂，再加入占原材料总重量为0.5%的Al-5Zr-0.5C-0.5B合金进行细化处理，搅拌使镁合金液的成分均匀；
第四步：在740℃条件下将镁合金液铸造成镁合金，得到高塑性变形镁合金。
实施例4：
本发明所述的高塑性变形镁合金的成分及质量百分比组成为：Al 3.5%，Zn 1.5%，Mn 0.5%，Zr 0.025%，C 0.0025%，B 0.0025%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。该高塑性变形镁合金的制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业镁锭、铝锭、锌锭、Mg-20Mn合金和Al-5Zr-0.5C-0.5B合金为原材料；
第二步：在体积百分比为0.5%SF6+99.5%CO2的混合气体保护和750℃条件下加热熔化工业镁锭，然后加入占原材料总重量为3%的铝锭、1.5%的锌锭和2.5%的Mg-20Mn合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：采用JDMR2溶剂对镁合金液进行精炼除气除杂，再加入占原材料总重量为0.5%的Al-5Zr-0.5C-0.5B合金进行细化处理，搅拌使镁合金液的成分均匀；
第四步：在730℃条件下将镁合金液铸造成镁合金，得到高塑性变形镁合金。
实施例5：
本发明所述的高塑性变形镁合金的成分及质量百分比组成为：Al 5.5%，Zn 0.5%，Mn 0.2%，Zr 0.005%，C 0.0005%，B 0.0005%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。该高塑性变形镁合金的制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业镁锭、铝锭、锌锭、Mg-20Mn合金和Al-5Zr-0.5C-0.5B合金为原材料；
第二步：在体积百分比为0.5%SF6+99.5%CO2的混合气体保护和710℃条件下加热熔化工业镁锭，然后加入占原材料总重量为5.4%的铝锭、0.5%的锌锭和1%的Mg-20Mn合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：采用JDMR2溶剂对镁合金液进行精炼除气除杂，再加入占原材料总重量为0.1%的Al-5Zr-0.5C-0.5B合金进行细化处理，搅拌使镁合金液的成分均匀；
第四步：在690℃条件下将镁合金液铸造成镁合金，得到高塑性变形镁合金。
按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将实施例1-5的高塑性变形镁合金加工成标准拉伸试样，在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。
表1 实施例1-5的高塑性变形镁合金的拉伸力学性能
实施例序号 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/%
实施例1 253.7 224.1 17.7
实施例2 289.1 258.5 15.5
实施例3 322.5 296.4 12.8
实施例4 278.4 244.2 18.2
实施例5 295.6 266.5 10.5
由表1的检测结果可见，本发明高塑性变形镁合金的室温抗拉强度大于250MPa，屈服强度大于220MPa，伸长率大于10%，具有强度高、塑性好的优点，适合于轧制、挤压、锻造等各种塑性成形加工工艺，可加工成板带、棒材、管材、型材和锻件等产品，具有广阔的市场应用前景。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (1)

1.一种高塑性变形镁合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：选用工业镁锭、铝锭、锌锭、Mg-20Mn合金和Al-5Zr-0.5C-0.5B合金为原材料；
第二步：在气体保护和700～760℃条件下加热熔化工业镁锭，然后加入占原材料总重量为3～5.4%的铝锭、0.5～1.5%的锌锭和1～2.5%的Mg-20Mn合金，搅拌熔化成镁合金液；
第三步：对镁合金液进行精炼除气除杂，再加入占原材料总重量为0.1～0.5%的Al-5Zr-0.5C-0.5B合金进行细化处理，搅拌使镁合金液的成分均匀；
第四步：在680～740℃条件下将镁合金液铸造成镁合金，得到高塑性变形镁合金，该高塑性变形镁合金的质量百分比成分为：Al 3.5～5.5%，Zn 0.5～1.5%，Mn 0.2～0.5%，Zr0.005～0.025%，C 0.0005～0.0025%，B 0.0005～0.0025%，Si ≤0.1%，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.3%。
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