CN107164676A - 一种具有低各向异性的低成本变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有低各向异性的低成本变形镁合金及其制备方法，该合金各组份的重量百分比为锌1.0%~1.6%、锰0.10%~0.25%、铜0.10%~0.26%，其余为镁和不可避免的杂质。与目前已经开发的低锌合金相比，本发明合金具有良好的综合力学性能、各向异性低、低温成型性能得到明显提高，尤其适合于板材类产品的使用需求；而且不含稀土或锆元素，合金成本大大降低，更适合于规模应用。其制备方法熔炼铸造合金成分易于控制、烧损率低。

Description

一种具有低各向异性的低成本变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金，尤其涉及一种低成本和低各向异性的变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金因其具有重量轻、电磁屏蔽性能优良、易于加工和回收等优点，在电子产品、手动工具、交通运输等领域显示了广阔的应用潜力。Mg-Zn系合金是重要的一类商用镁合金，高锌含量的镁合金具有较高的强度，低锌含量的镁合金则具有相对较好的塑性。为了满足板材类产品成型对高塑性的要求，人们开发出了若干低锌含量的Mg-Zn系合金，包括ZM21(1.0~2.5wt%Zn、0.5~1.5 wt%Mn)、ZE10(1.0~1.5 wt%Zn、0.12~0.22 wt%Re)、 ZE20M（1.8～2.4 wt%Zn、0.50～0.9 wt%Mn、0.10～0.6 wt%Ce）、ZC20M（1.5～2.5 wt% Zn、0.20～0.6 wt%Ce、0.30～0.6 wt%Cu）和ZK21（2.0~2.6 wt%Zn、0.45~0.8 wt%Zr），本专利发明人也发明了一种低锌合金，其中含有1.0～2.0 wt%Zn、0.1～0.8 wt%Er、0.10～0.60 wt% Zr）。这些合金具有较好的塑性和强度的配合，适应了部分使用条件下板材产品的性能需求。但是，作为板材类产品的重要性能指标—各向异性和低温成型性能，仍无法满足要求；而且，这些合金中除ZM21外，均含有稀土元素和/或锆元素，增加了合金成本，也成为制约合金应用的一个重要因素。

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低成本低各向异性的变形镁合金，解决各向异性、低温成型性能和降低成本的问题，满足板材类产品的使用需求。

本发明目的是这样实现的：一种低成本低各向异性的变形镁合金，其特征在于其组分的重量百分比为：锌1.0%~1.6%、锰0.10%~0.25%、铜0.10%~0.26%，其余为镁和不可避免的杂质。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中添加铜，铜与锌、镁相互作用生成少量Mg-Zn-Cu第二相颗粒，其尺寸在1~2μm，这些粒子可以促进热变形过程中的动态再结晶，并抑制晶粒长大，与Mg-Zn-Mn三元合金相比，起到了显著细化合金动态再结晶晶粒的作用，可以有效提高材料的强度和塑性。

2、本发明中添加铜，改变了合金的热变形行为，降低了变形后合金中基面织构的强度，有益于合金成型性能的提高。

3、本发明在Mg-Zn-Mn三元合金基础上添加铜，塑性、强度得到明显提高；同时，与添加稀土元素相比，加工硬化指数仅有少量下降，因而有益于合金的均匀塑性变形，有利于板材成型。因而，与已有低锌合金相比，合金具有良好的综合力学性能。

4、本发明中添加铜，与添加稀土元素相比，变形在各个方向上的均匀性较好，因而降低了变形材的各向异性。

5、本发明提供的一种低成本低各向异性的变形镁合金，不含稀土或锆元素，与目前已经开发的板材类产品用合金相比，合金成本大大降低，更适合于规模应用。

6、本发明提供的低成本低各向异性的变形镁合金制备方法，熔炼铸造合金成分易于控制、烧损率低。

附图说明

图1（a）（b）是本发明合金和Mg-Zn-Mn三元合金挤压态棒材的金相显微组织照片。

图2是本发明合金、Mg-Zn-Mn三元合金和Mg-Zn-Mn-Re四元合金挤压板坯的各向异性指数。

图3是多道次低温轧制至开裂时本发明合金、Mg-Zn-Mn三元合金和Mg-Zn-Mn-Re四元合金板材中裂纹的数量和总长度。

图4是多道次低温轧制后本发明合金（a）、Mg-Zn-Mn三元合金（b）和Mg-Zn-Mn-Re四元合金（c）板材的表面形貌。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1：一种低成本低各向异性的变形镁合金，所述镁合金中各组分的重量百分比为锌1.6%、锰0.11%、铜0.26%，其余为镁和不可避免的杂质。

实施例2：一种低成本低各向异性的变形镁合金，所述镁合金中各组分的重量百分比为锌1.0%、锰0.25%、铜0.12%，其余为镁和不可避免的杂质。

实施例3：一种低成本低各向异性的变形镁合金，所述镁合金中各组分的重量百分比为锌1.4%、锰0.18%、铜0.18%%，其余为镁和不可避免的杂质。

本发明的低成本低各向异性的变形镁合金，采用以下制备工艺来制取：1）按照上述成分配制合金，原材料为高纯镁(>99.5%)、高纯锌(>99.5%)以及Mg-10%Mn、Mg-30%Cu中间合金。在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，加热熔炼，待镁锭完全融化，搅拌扒渣，保温10min。2）将炉子温度控制在760℃，然后将纯锌和中间合金Mg-Cu、Mg-Mn依次加入坩埚内。待中间合金完全融化后，搅拌，扒渣，保温10min。3）将炉温降至720℃，静置20min，然后进行浇注。4）将浇注获得的铸锭在450℃均匀化处理16小时，均匀化热处理后空冷至室温。

为了说明本发明的有益效果，用上述同样的制备工艺制取Mg-Zn-Mn三元合金锭和含稀土Ce的Mg-Zn-Mn-Re四元合金锭，分别记为ZM21和 ZE20，作为对比合金；并采用挤压、轧制等变形方式，表征比较本发明合金和对比合金在挤压棒材、挤压板坯、轧制板材等多种变形状态下的组织、力学性能、各向异性和成型性能。

上述各变形状态的合金可以采用以下制备工艺来获取：1）挤压棒材：挤压前将均匀化热处理的铸锭机加工成直径为80mm的圆柱状坯料，在350℃保温1h，然后挤压成直径为16mm的棒材，挤压温度为350℃，挤压比为1:25，挤压后空冷至室温。2）挤压板坯：挤压前将均匀化热处理的铸锭机加工成直径为80mm的圆柱状坯料，在350℃保温1h，然后挤压成60mm×3mm的板坯，挤压温度为350℃，挤压后空冷至室温。3）轧制板材：将步骤2获得的挤压板坯，轧制前在315℃保温1h，然后进行多道次轧制，直到板材出现裂纹为止。

挤压棒材的显微组织形貌显示，本发明合金中存在适量尺寸在1~2μm 的Mg-Zn-Cu第二相粒子，这些粒子可以有效促进热变形过程中的动态再结晶、抑制晶粒长大，从而显著细化动态再结晶晶粒，图1（a）（b）分别是本发明合金和ZM21合金挤压态棒材的金相显微组织照片，照片显示本发明合金的晶粒显著细化。晶粒细化既可以明显提高材料的屈服强度和抗拉强度，同时又能有效改善材料的塑性。

挤压棒材（0002）基面织构测试结果表明，ZM21合金的基面织构强度为6.8，本发明合金不高于4.7；本发明合金基面织构强度降低，有益于合金成型性能的提高。室温下力学性能测试结果表明，与ZM21合金相比，本发明合金的屈服强度、抗拉强度和塑性延伸率分别由85 MPa、211 MPa和16.5%提高到了118 MPa、236 MPa和19.3%；而加工硬化指数仅比ZM21的0.31略有降低，为0.26；而同样状态Mg-Zn-Mn-Re四元合金ZE20的加工硬化指数仅为0.16，本发明合金比其高62.5%。这些数据表明，与已有低锌合金相比，本发明合金具有良好的综合力学性能和成型性能。

测定各合金挤压板坯在挤压方向（ED）、垂直挤压方向（TD）和45°方向（45°）上的屈服强度、抗拉强度和塑性延伸率，并通过公式（1）计算平面各向指数IPA：

IPA=(2Xmax-Xmid-Xmin)/（2Xmax）×100% （1）

式中，X代表屈服强度、抗拉强度和塑性延伸率等力学性能指标，max代表某个方向的最高值，min代表某个方向的最低值，mid代表某个方向的中间值。

结果绘制在图2中。IPA值可以用来评价板坯在各个方向的力学性能差异，从而表征合金板材的各向异性。由图2可以看出，ZM21合金屈服强度和抗拉强度的IPA值最高，分别为26%、14.1%；含稀土的ZE20合金的屈服强度IPA值降低了9%，抗拉强度IPA值降低了5.2%；而本发明合金IPA值明显降低，其屈服强度IPA值为11.8%，降低了14.2%，抗拉强度IPA值仅为1.9%，降低了12.2%。比较三种合金延伸率的IPA值，可以看出，ZE20合金延伸率的各向异性最严重，IPA值为22.4%，本发明合金IPA值最低，为14.8%。这些数据表明，与已有低锌合金相比，本发明合金降低了变形材的各向异性，有利于合金的成型性能。

将挤压板坯进行多道次低温轧制，一直轧制到板材开裂为止，统计各合金板材中裂纹的数量和总长度，结果示于图3中。图4是多道次低温轧制后各合金板材的表面形貌。从板材表面形貌上看，含稀土的ZE20合金板材中，裂纹已扩展至中心、裂纹呈波浪形且扩展严重；而本发明合金和ZM21合金中，仅在板材边部出现裂纹。从各合金板材中裂纹的数量和总长度看，ZE20合金中的裂纹数量为46，远大于ZM21合金中裂纹数量28，本发明合金中的裂纹数量最少，仅为10；ZE20合金中的裂纹总长度为132mm，几乎为ZM21合金裂纹总长度（56mm）的2.5倍，本发明合金中的裂纹总长度最少，为22 mm。这些数据表明，与已有低锌合金相比，本发明合金的低温成型性能得到了明显提高。

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 (2)

1.一种低成本低各向异性的变形镁合金，其特征在于，其组分的重量百分比为：锌1.0%~1.6%、锰0.10%~0.25%、铜0.10%~0.26%，其余为镁和不可避免的杂质。

2.一种低成本低各向异性的变形镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按照权利要求1的成分配制合金，原材料为工业纯镁>99.5%、高纯锌>99.5%以及Mg-10%Mn、Mg-30%Cu中间合金；在电阻坩埚炉中加入工业纯镁，加热熔炼，待镁锭完全融化，搅拌扒渣，保温10min；

2）将炉子温度控制在760℃，然后将高纯锌和中间合金Mg-Cu、Mg-Mn依次加入坩埚内；待中间合金完全融化后，搅拌，扒渣，保温10min；

3）将炉温降至720℃，静置20min，然后进行浇注；

4）将浇注获得的铸锭在450℃均匀化处理16小时，均匀化热处理后空冷至室温。