CN107201471B - 一种变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种变形镁合金及其制备方法，涉及合金材料技术领域。一种变形镁合金，按重量百分比计，制备变形镁合金的原料包括：锌4.0～8.0％、铋1.0～6.0％、锰0.2～1.0％、余量的镁和不可避免的杂质。该变形镁合金具有高强度、高塑性的特性，具有优良的力学性能，不含贵金属，成本低，具有较好的经济效益。一种变形镁合金的制备方法，包括：在含有SF6的混合气体的保护中，加热经过预热的镁至熔化，加入经过预热的锌、铋、锰，升温待原料熔解后浇铸成锭；将铸锭进行挤压加工、热处理。该方法制备工艺简单，可控性强，制备成本低，适合大规模生产。

Description

一种变形镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，且特别涉及一种变形镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小，比强度高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物、碱的腐蚀性能好。由于镁合金具有质轻、减震、电磁屏蔽性能好、良好的切削加工性等的优点，在航空航天、电子产品、汽车等行业具有重要应用价值和广泛应用前景。
然而，镁合金为典型密排六方结构，室温变形时只有单一的基面滑移系，变形能力较差，限制了镁合金的应用。目前应用最多的变形镁合金系主要有AZ、ZK、AM以及Mg-RE系，大部分高强度镁合金都含有锆或者稀土元素，但贵金属Zr或者稀土元素的存在使得合金成本较高，限制了应用；不含锆的镁合金，虽然价格便宜，但强度较低，力学性能达不到工业需求。因此，发展一种不含锆的、综合性能良好的变形镁合金具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变形镁合金，该变形镁合金具有高强度、高塑性的特性，具有优良的力学性能，不含贵金属，成本低，具有较好的经济效益。
本发明的另一目的在于提供一种变形镁合金的制备方法，该方法制备工艺简单，可控性强，制备成本低，适合大规模生产。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种变形镁合金，按重量百分比计，制备变形镁合金的原料包括：
锌 4.0～8.0％、
铋 1.0～6.0％、
锰 0.2～1.0％、
余量的镁和不可避免的杂质。
本发明提出一种变形镁合金的制备方法，包括：在含有SF6的气体的环境中，加热原料至熔化，浇铸成锭。
本发明提供的一种变形镁合金及其制备方法的有益效果是：
一种变形镁合金，采用锌作为第一合金化元素，保证了固溶强化和时效强化的效果；铋元素的加入提高了合金的塑性变形能力，降低热加工时的开裂倾向，具有显著的时效强化效果，同时Mg3Bi2相的形成可以改善合金高温性能；加入少量锰元素可以在尽量不降低塑性的同时改善挤压合金的组织形貌，提高合金力学性能，有效的去除合金熔体中的杂质Fe元素，提高合金的耐蚀性。本发明变形镁合金材料具有良好的低温成型能力；不含贵金属，成本低，具有较好的经济效益。
一种变形镁合金的制备方法，该方法通过挤压变形可以获得传统高强镁合金的强度，同时伸长率大大提高，并且通过热处理进一步提高材料的力学性能。制备过程简单，制备成本低，适合规模化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的变形镁合金的挤压态金相组织显微图；
图2为本发明实施例2提供的变形镁合金的挤压态金相组织显微图；
图3为本发明实施例3提供的变形镁合金的挤压态金相组织显微图；
图4为本发明实施例4提供的变形镁合金的挤压态金相组织显微图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种变形镁合金及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供的一种变形镁合金，按重量百分比计，制备变形镁合金的原料包括：锌4.0～8.0％、铋1.0～6.0％、锰0.2～1.0％、余量的镁和不可避免的杂质。
镁合金以镁为基础，加入其他元素。在本发明实施例中，采用锌作为第一组分，优选地，锌的重量百分数可以为4.1％、4.3％、4.4％、4.6％、4.7％、4.9％、7.2％、7.3％、7.6％、7.8％。锌的最高固溶度为6.2％，在合金时效过程中会形成Mg-Zn系列时效强化相，具有固溶强化和时效强化的双重作用，能够显著提高镁合金的力学能力，同时具有一定的变形能力。
铋元素的加入能提高镁合金的塑性变形能力，降低热加工时的开裂倾向，具有显著时效强化能力，形成的Mg3Bi2相可以改善镁合金高温性能。
原料中加入少量锰元素可以在尽量不降低塑性的同时改善挤压Mg-Zn-Bi-Mn合金的组织形貌，细化晶粒，提高合金力学性能，同时可以有效的去除合金熔体中的杂质Fe元素，提高合金耐蚀性。
在本发明实施例中，镁、锌、铋、锰元素来源于工业纯镁、工业纯锌、工业纯铋以及Mg-Mn中间合金。
进一步地，在本发明的较优实施例中，按重量百分比计，原料包括：锌5.0～7.0％、铋3.0～5.0％、锰0.2～1.0％、余量的镁和不可避免的杂质。优选地，锌的重量百分数可以为5.1％、5.3％、5.7％、5.9％、6.2％、6.4％、6.5％、7.3％、7.8％；铋的重量百分数可以为1.3％、1.8％、2.0％、2.5％、2.8％、3.4％、3.6％、3.8％、4.1％、4.3％、4.6％、4.8％、5.4％、5.9％；锰的重量百分数可以为0.4％、0.5％、0.7％、0.9％。
本发明实施例提供的一种变形镁合金的制备方法，包括：
将纯镁、纯锌、Mg-Mn中间合金在150～220℃的条件下预热20～30分钟，将纯铋在100～150℃的条件下预热20～30分钟。
镁合金的化学性质比较活泼，开始熔化时，容易氧化和燃烧，需要采取保护措施防止熔融金属表面氧化。在通有保护气体的电阻炉中加热纯镁，在700～720℃保温使纯镁全部融化。在本发明实施例中，保护气体为含有SF6的混合气体。含SF6的混合气体与镁可以发生反应，生成MgF2。MgF2的致密度高，与MgO一起可形成连续致密的氧化膜，对熔体起到良好的保护作用。优选地，按体积百分比计，含有SF6的混合气体包括：CO299～99.5％，SF60.5～1.0％。在本发明的其他实施例中，含SF6的混合气体可以包括空气、氮气，本发明对其不做限定。
待纯镁全部熔化后，加入经过预热的纯锌、纯铋和Mg-Mn中间合金，升温至730～750℃后保温20～30分钟。待合金化元素完全熔解，充分搅拌，使原料分散均匀后，静置保温20分钟后降温至690～710℃，在含SF6的混合气体的保护下浇铸成锭。
将铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在330～370℃的条件下第一次固溶4～6小时，再升温至390～430℃第二次固溶2～6小时，在挤压机上挤压成型，空冷至室温。固溶处理的主要目的是改善合金的塑性和韧性。
采用双级时效工艺，在将挤压成型的材料在50～90℃的条件下进行第一级时效，时效时间为4～24小时，使合金中获得高密度的G.P区，提高了材料的均匀性。再在150～225℃的条件下进行第二级时效，时效时间为6～12小时。第二级时效改善了合金的抗腐蚀性，提高了应力腐蚀抗力，空冷至室温。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种变形镁合金，按重量百分比计，包括：
4.0％的锌，2.0％的铋，0.5％的锰，其余为镁和不可避免的杂质。
主要通过以下方法制作而成：
将纯镁、纯锌、Mg-10wt％Mn中间合金在150℃的条件下预热30分钟，将纯铋在100℃的条件下预热30分钟。
在通有CO2和SF6的混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在700℃保温使纯镁全部融化。待纯镁全部熔化后，加入经过预热的纯锌、纯铋和Mg-10wt％Mn中间合金，升温至730℃后保温30分钟。待合金化元素完全熔解，充分搅拌，使原料分散均匀后，静置保温20分钟后降温至690℃，在含SF6的混合气体的保护下浇铸成锭。其中，按体积百分比计，含有SF6的混合气体包括：CO299～99.5％，SF60.5～1.0％。
将铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在370℃的条件下固溶4小时，再升温至430℃固溶2小时，在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
采用双级时效工艺T5，在将挤压成型的材料在50℃的条件下时效8小时。再在150℃的条件下时效6小时，空冷至室温。
实施例2
本实施例提供了一种变形镁合金，按重量百分比计，包括：
4.0％的锌，2.0％的铋，0.5％的锰，其余为镁和不可避免的杂质。
主要通过以下方法制作而成：
将纯镁、纯锌、Mg-10wt％Mn中间合金在160℃的条件下预热25分钟，将纯铋在120℃的条件下预热25分钟。
在通有CO2和SF6的混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在720℃保温使纯镁全部融化。待纯镁全部熔化后，加入经过预热的纯锌、纯铋和Mg-10wt％Mn中间合金，升温至740℃后保温25分钟。待合金化元素完全熔解，充分搅拌，使原料分散均匀后，静置保温20分钟后降温至700℃，在含SF6的混合气体的保护下浇铸成锭。其中，按体积百分比计，含有SF6的混合气体包括：CO299～99.5％，SF60.5～1.0％。
将铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在350℃的条件下固溶4小时，再升温至420℃固溶4小时，在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
采用双级时效工艺T5，在将挤压成型的材料在70℃的条件下时效16小时。再在180℃的条件下时效6小时，空冷至室温。
实施例3
本实施例提供了一种变形镁合金，按重量百分比计，包括：
4.0％的锌，2.0％的铋，0.5％的锰，其余为镁和不可避免的杂质。
主要通过以下方法制作而成：
将纯镁、纯锌、Mg-10wt％Mn中间合金在190℃的条件下预热20分钟，将纯铋在130℃的条件下预热20分钟。
在通有CO2和SF6的混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在710℃保温使纯镁全部融化。待纯镁全部熔化后，加入经过预热的纯锌、纯铋和Mg-10wt％Mn中间合金，升温至750℃后保温20分钟。待合金化元素完全熔解，充分搅拌，使原料分散均匀后，静置保温20分钟后降温至710℃，在含SF6的混合气体的保护下浇铸成锭。其中，按体积百分比计，含有SF6的混合气体包括：CO299～99.5％，SF60.5～1.0％。
将铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在350℃的条件下固溶5小时，再升温至400℃固溶4小时，在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
采用双级时效工艺T5，在将挤压成型的材料在80℃的条件下时效24小时。再在200℃的条件下时效8小时，空冷至室温。
实施例4
本实施例提供了一种变形镁合金，按重量百分比计，包括：
4.0％的锌，2.0％的铋，0.5％的锰，其余为镁和不可避免的杂质。
主要通过以下方法制作而成：
将纯镁、纯锌、Mg-10wt％Mn中间合金在200℃的条件下预热22分钟，将纯铋在150℃的条件下预热22分钟。
在通有CO2和SF6的混合气体保护的电阻炉中加热纯镁，在715℃保温使纯镁全部融化。待纯镁全部熔化后，加入经过预热的纯锌、纯铋和Mg-10wt％Mn中间合金，升温至735℃后保温22分钟。待合金化元素完全熔解，充分搅拌，使原料分散均匀后，静置保温20分钟后降温至695℃，在含SF6的混合气体的保护下浇铸成锭。其中，按体积百分比计，含有SF6的混合气体包括：CO299～99.5％，SF60.5～1.0％。
将铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在330℃的条件下固溶6小时，再升温至390℃固溶6小时，在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
采用双级时效工艺T5，在将挤压成型的材料在90℃的条件下时效12小时。再在225℃的条件下时效12小时，空冷至室温。
实施例1～4中的镁合金挤压参数如下表所示：
表1挤压参数
本发明实施例1～4挤压态和热处理态下的室温力学性能如表2所示：
表2力学性能测试结果
由表2可知，实施例1～4挤压态合金室温抗拉强度可以达到320MPa以上，屈服强度达到220MPa以上，伸长率达到19.5％以上。经时效处理后，室温抗拉强度可以达到350MPa以上，屈服强度可以达到260MPa以上，延伸率仍可达到11％以上。
由图1至图4可知，实施例1～4提供的镁合金均发生了完全的动态再结晶，形成了均匀的等轴晶粒。
综上所述，本发明提供的一种变形镁合金，采用锌作为第一合金化元素，保证了固溶强化和时效强化的效果；铋元素的加入提高了合金的塑性变形能力，降低热加工时的开裂倾向，具有显著的时效强化效果，同时Mg3Bi2相的形成可以改善合金高温性能；加入少量锰元素可以在尽量不降低塑性的同时改善挤压合金的组织形貌，提高合金力学性能，有效的去除合金熔体中的杂质Fe元素，提高合金的耐蚀性。本发明变形镁合金材料具有良好的低温成型能力；不含贵金属，成本低，通过挤压变形可以获得传统高强镁合金的强度，同时伸长率大大提高，并且通过热处理进一步提高材料的力学性能。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种变形镁合金，其特征在于，按重量百分比计，制备所述变形镁合金的原料包括：
锌 4.0～8.0％、
铋 2.0～6.0％、
锰 0.2～1.0％、
余量的镁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的变形镁合金，其特征在于，按重量百分比计，所述原料包括：
所述锌 5.0～7.0％、
所述铋 3.0～5.0％、
所述锰 0.2～1.0％、
余量的镁和不可避免的杂质。
3.一种如权利要求1或2所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，包括：在含有SF6的气体的环境中，加热所述原料至熔化，浇铸成锭。
4.根据权利要求3所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，包括：在所述含有SF6的气体的环境中，加热经过预热的所述镁至熔化，加入经过预热的所述锌、所述铋、所述锰，升温待所述原料熔解后，静置降温，浇铸成锭；将铸锭进行挤压加工、热处理。
5.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，按体积百分比计，所述含有SF6的气体包括：CO299～99.5％，SF60.5～1.0％。
6.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述镁、所述锌、所述锰的预热温度为150～220℃，预热时间为20～30分钟，所述铋的预热温度为100～150℃，预热时间为20～30分钟。
7.根据权利要求6所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，加热经过预热的所述镁至熔化的温度为700～720℃，加入经过预热的所述锌、所述铋、所述锰后升温至熔解的加热温度为730～750℃，加热时间为20～30分钟。
8.根据权利要求7所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述原料熔解后，静置时间为15～25分钟，降温温度为690～710℃，在所述含有SF6 的气体的保护中浇铸成锭。
9.根据权利要求4所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，挤压加工的方法包括：将所述铸锭加工至合适尺寸，在330～370℃的条件下固溶4～6小时，再升温至390～430℃固溶2～6小时，在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
10.根据权利要求9所述的变形镁合金的制备方法，其特征在于，热处理的方法包括：将挤压成型的材料在50～90℃的条件下时效4～24小时，再在150～225℃的条件下时效6～12小时，空冷至室温。
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