CN107354355A - 一种铸造镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铸造镁合金，成分为：0.8～2wt％的Zn；0.2～0.6wt％的Zr；0.05～0.55wt％的RE，所述RE为Yb或Y；余量为Mg及不可避免的杂质。本发明采用重稀土元素中原子半径较大的Yb或Y对Mg‑Zn‑Zr铸造镁合金进行改性，微量的Yb或Y的添加不仅产生较大的固溶强化效果，而且还能降低镁合金的层错能；层错能的降低有利于激活非基面滑移、促进孪晶和层错形成，进而提高镁合金的塑性和加工硬化能力。因此，本发明在各种成分以及成分含量的综合作用下得到的铸造镁合金具有较好的塑性。本发明还提供了一种铸造镁合金的制备方法。

Description

一种铸造镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金技术领域，尤其涉及一种铸造镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为目前最轻的结构材料，密度约为1.74～1.90g/cm³，仅为钢铁的1/4，铝合金的2/3。相比其他金属材料，镁合金具有高的比强度、比刚度，良好的切削加工性能、电磁防护特性、阻尼性能及导热性，而且易回收。在目前铁矿、钛矿和铝矿资源紧张的情况下，开发和利用镁资源作为替代材料已成为必然趋势。因此，镁合金被誉为“21世纪商用绿色环保和生态金属结构材料”，正在汽车工业、电子通讯业和航空航天等领域得到广泛的应用。

然而镁合金晶体结构为密排六方，室温滑移系比较少，塑性成型能力差，成为镁合金工业化应用的主要技术瓶颈之一。因此，开发新型高塑性镁合金已成为镁合金研究领域最重要的热点研究方向之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铸造镁合金及其制备方法，本发明提供的铸造镁合金具有良好的塑性。

本发明提供了一种铸造镁合金，成分为：

0.8～2wt％的Zn；

0.2～0.6wt％的Zr；

0.05～0.55wt％的RE，所述RE为Yb或Y；

余量为Mg及不可避免的杂质。

优选的，所述铸造镁合金的成分为：

1～1.5wt％的Zn；

0.3～0.5wt％的Zr；

0.1～0.3wt％的RE，所述RE为Yb或Y；

余量为Mg及不可避免的杂质。

本发明提供了一种上述技术方案所述的铸造镁合金的制备方法，包括：

将镁源、锌源、锆源和稀土源混合、熔炼，得到合金液；

将合金液进行浇铸，得到铸造镁合金；

所述稀土源为镱源或钇源。

优选的，所述混合之前还包括：

将镁源、锌源、锆源和稀土源预热；

所述预热的温度为200～250℃。

优选的，所述混合的方法为：

先加入镁源；

待镁源熔化后依次加入锌源和稀土源；

最后加入锆源，得到金属液。

优选的，在保护性气体的存在下加入镁源；

所述保护性气体包括SF₆和CO₂。

优选的，所述熔炼的方法为：

将金属液除氢后加入熔剂进行精炼，得到合金液。

优选的，所述除氢的方法为：

向金属液中通入氩气；

所述通入氩气的时间为20～40秒。

优选的，所述熔剂包括：

54～56wt％的KCl；

14～16wt％的BaCl₂；

1.5～2.5wt％的NaCl；

27～29wt％的CaCl₂。

优选的，所述熔剂的用量为金属液质量的1～1.5％。

与现有技术相比，本发明提供的铸造镁合金中Zn质量含量控制在2％以下不仅能够降低成本，而且大部分Zn基本能够完全融入基质，能够起到良好的固溶强化效果。而且，本发明中Zn能够降低Mg的层错能。

Zr元素的加入，作为异质形核剂，起到细化晶粒的作用，能够产生晶界强化的效果。

本发明采用重稀土元素中原子半径较大的Yb或Y对Mg-Zn-Zr铸造镁合金进行改性，固溶原子与基体原子半径差越大，引起的晶格畸变越明显，形成的应力场越强，固溶强化效果越好。Y或Yb元素在重稀土之中都属于原子半径比较大的一类重稀土，微量的Yb或Y的加入不仅使合金的成本降低，还能产生强大的固溶强化效果，而且溶质原子与溶剂原子的半径差越大，越有利于降低合金的层错能。层错能的降低有益于降低孪晶形成能，进而促进孪晶的发生，层错能越低，扩展位错越宽，束集越困难，交错滑移越不容易且层错易形成。高密度的孪晶界和层错成为位错运动的阻碍，从而产生强的加工硬化效果。

因此，本发明在各种成分以及成分含量的综合作用下得到的铸造镁合金具有较好的塑性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例3制备的铸态镁合金的金相组织图；

图2为本发明实施例3制备的铸造镁合金拉伸断口处金相组织图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明提供了一种铸造镁合金，成分为：

0.8～2wt％的Zn；

0.2～0.6wt％的Zr；

0.05～0.55wt％的RE，所述RE为Yb或Y；

余量为Mg及不可避免的杂质。

本发明采用重稀土元素中原子半径较大的Yb或Y对Mg-Zn-Zr铸造镁合金进行改性，微量的Yb或Y的添加不仅产生较大的固溶强化效果，而且还能降低镁合金的层错能；层错能的降低有利于激活非基面滑移、促进孪晶和层错形成，进而提高镁合金的塑性和加工硬化能力。因此，本发明在各种成分以及成分含量的综合作用下得到的铸造镁合金具有较好的塑性。

在本发明中，Zn在铸造镁合金中的质量含量优选为1～1.8％，更优选为1.2～1.5％，最优选为1.3～1.4％，最最优选为1％。

本发明提供的铸造镁合金中Zn质量含量控制在2％以下不仅能够降低成本，而且大部分Zn基本能够完全融入基质，能够起到良好的固溶强化效果。而且，本发明中Zn能够降低Mg的层错能。

在本发明中，Zr在铸造镁合金中的质量含量优选为0.3～0.5％，更优选为0.4％。

Zr元素的加入，作为异质形核剂，起到细化晶粒的作用，能够产生晶界强化的效果。

在本发明中，RE表示稀土元素，其在铸造镁合金中的质量含量优选为0.1～0.5％，更优选为0.2～0.4％，最优选为0.3％，最最优选为0.2％。

在本发明中，所述RE为镱(Yb)或钇(Y)。固溶原子与基体原子半径差越大，引起的晶格畸变越明显，形成的应力场越强，固溶强化效果越好。Y或Yb元素在重稀土之中都属于原子半径比较大的一类重稀土，微量的Yb或Y的加入不仅使合金的成本降低，还能产生强大的固溶强化效果，而且溶质原子与溶剂原子的半径差越大，越有利于降低合金的层错能。层错能的降低有益于降低孪晶形成能，进而促进孪晶的发生，层错能越低，扩展位错越宽，束集越困难，交错滑移越不容易且层错易形成。高密度的孪晶界和层错成为位错运动的阻碍，从而产生强的加工硬化效果。

本发明提供的铸造镁合金中除Zn、Zr和RE外，剩余的成分为Mg和不可避免的杂质。

本发明提供了一种上述技术方案所述铸造镁合金的制备方法，包括：

将镁源、锌源、锆源和稀土源混合、熔炼，得到合金液；

将合金液进行浇铸，得到铸造镁合金。

将镁源、锌源、锆源和稀土源混合之前优选将其表面氧化皮除去后预热至200～250℃。

在本发明中，所述混合的方法优选为：

先加入镁源待镁源熔化后依次加入锌源和稀土源，最后加入锆源，得到金属液。

本发明优选将坩埚预热至500～600℃加入镁源后升温至730～740℃；更优选将坩埚预热至520～580℃，更优选为540～560℃，最优选为550℃。本发明在加入镁源的过程中优选通入保护气体；所述保护气体优选为SF₆和CO₂的混合气；所述SF₆和CO₂的体积比优选为1:(180～220)，更优选为1:(190～210)，最优选为1:200。

待镁源完全熔化后，本发明优选向镁源中加入上述预热至200～300℃的锌源和稀土源，并搅拌均匀；所述搅拌的时间优选为10～15min，更优选为12～13min。

搅拌完成后，本发明优选将炉温升至760～800℃，更优选为770～790℃，最优选为780℃；并加入上述预热至200～250℃的锆源，并搅拌均匀；所述搅拌的时间优选为10～15min，更优选为12～13min。

在本发明中，所述熔炼的方法优选为：

将金属液除氢后进行精炼，得到合金液。

本发明优选将炉温降至740～760℃向金属液中通入氩气除氢，优选为745～755℃，更优选为750℃；所述氩气的通入时间优选为20～40秒，更优选为25～35秒，最优选为30秒。

除氢后，本发明优选向金属液中加入熔剂进行精炼，然后静置40～60min，得到合金液。

本发明优选在搅拌的条件下加入熔剂。

本发明对所述熔剂的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的镁合金熔炼时采用的熔剂即可，可由市场购买获得。在本发明中，所述熔剂优选为6号熔剂，所述熔剂的成分优选包括：

54～56wt％的KCl；

14～16wt％的BaCl₂；

1.5～2.5wt％的NaCl；

27～29wt％的CaCl₂。

在本发明中，所述熔剂的用量优选为金属液质量的1～1.5％，更优选为1.2～1.3％。

在本发明中，所述浇铸的方法优选为：

将炉温设置为720～740℃，将合金液保温10～15min后进行浇铸。

在本发明中，所述浇铸的模具优选为钢制水冷模具。

本发明对所述镁源、锌源和锆源的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的镁锭、锌锭即可，可由市场购买获得。

在本发明中，所述锆源优选为锆质量含量为30％的镁锆中间合金。

在本发明中，所稀土源为镱源或钇源；所述镱源优选为镱质量含量为15％的镁镱中间合金；钇源优选为钇质量含量为25％的镁钇中间合金。

在本发明中，所述镁源、锌源、稀土源和锆源的用量使得到的铸造镁合金的成分为上述技术方案所述的成分即可。

实验结果表明，本发明提供的铸造镁合金晶粒细小、组织均匀、基本无偏析；优化组分后的镁合金的平均晶粒度可达35微米；铸态镁合金的抗拉强度可达187MPa，断后延伸率为38.5％，加工硬化能力为3.56，加工硬化指数为0.39。相比传统铸造镁合金，本发明的铸造镁合金成本低，且具有良好的塑性，既可用于铸造成型，也可用于挤压、轧制、锻造等变形加工。本发明的铸造镁合金获得了与变形镁合金相当的塑性，室温塑性远远超过传统的铸造镁合金。

本发明以下实施例所用到的原料均为市售商品，所用镁源为镁锭，锌源为锌锭，锆源为锆质量含量为30％的镁锆中间合金，镱源为镱质量含量为15％的镁镱中间合金，钇源为钇质量含量为25％的镁钇中间合金；所用6号熔剂的成分为：KCl：55wt％，BaCl₂：15wt％，NaCl：2wt％，CaCl₂：28wt％。

实施例1

按各组分的质量配比镁源、锌源、锆源和镱源，并除去各原料表面的氧化皮，并将各原料预热至200℃。

将坩埚预热至550℃，加入镁源炉温升至730℃，并通入体积比为1:200的SF₆和CO₂的混合气作为保护气体。

待镁源完全熔化后，加入上述预热至200℃的锌源和镱源，并搅拌均匀。

上述搅拌完成后，炉温升至780℃加入上述预热至200℃的锆源，并搅拌均匀，得到金属液。

将金属液降温至740℃，向其中通入30s的氩气进行除氢。

将除氢后的金属液加入6号熔剂进行精炼后静置40min，得到合金液，6号熔剂的用量为金属液质量的1％。

炉温设置为740℃，将合金液保温10min，然后将合金液浇铸到钢制水冷模具中，得到铸造镁合金。

本发明实施例1制备得到的铸造镁合金的成分为：0.8wt％的Zn，0.2wt％的Zr，0.05wt％的Yb，余量为镁及不可避免的杂质。

按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》采用国产DDL-100电子万能试验机，测试本发明实施例1制备得到的铸态镁合金的力学性能，测试结果为，本发明实施例1制备得到的铸造镁合金的抗拉强度为165～180MPa，断后延伸率为22～30％。

实施例2

按各组分的质量配比镁源、锌源、锆源和镱源，并除去各原料表面的氧化皮，并将各原料预热至300℃。

将坩埚预热至550℃，加入镁源炉温升至740℃，并通入体积比为1:200的SF₆和CO₂的混合气作为保护气体。

待镁源完全熔化后，加入上述预热至300℃的锌源和镱源，并搅拌均匀。

上述搅拌完成后，炉温升至780℃加入上述预热至300℃的锆源，并搅拌均匀，得到金属液。

将金属液降温至750℃，向其中通入30s的氩气进行除氢。

将除氢后的金属液加入6号熔剂进行精炼后静置60min，得到合金液，6号熔剂的用量为金属液质量的1.5％。

炉温设置为720℃，将合金液保温15min，然后将合金液浇铸到钢制水冷模具中，得到铸造镁合金。

本发明实施例2制备得到的铸造镁合金的成分为：2wt％的Zn，0.6wt％的Zr，0.55wt％的Yb，余量为镁及不可避免的杂质。

按照实施例1的方法测试本发明实施例2制备得到的铸态镁合金的力学性能，测试结果为，本发明实施例2制备得到的铸造镁合金的抗拉强度为175～185MPa，断后延伸率为20～25％。

实施例3

按各组分的质量配比镁源、锌源、锆源和镱源，并除去各原料表面的氧化皮，并将各原料预热至300℃。

将坩埚预热至550℃，加入镁源炉温升至740℃，并通入体积比为1:200的SF₆和CO₂的混合气作为保护气体。

待镁源完全熔化后，加入上述预热至300℃的锌源和镱源，并搅拌均匀。

上述搅拌完成后，炉温升至780℃加入上述预热至300℃的锆源，并搅拌均匀，得到金属液。

将金属液降温至750℃，向其中通入30s的氩气进行除氢。

将除氢后的金属液加入6号熔剂进行精炼后静置60min，得到合金液，6号熔剂的用量为金属液质量的1.2％。

炉温设置为720℃，将合金液保温15min，然后将合金液浇铸到钢制水冷模具中，得到铸造镁合金。

本发明实施例3制备得到的铸造镁合金的成分为：1.0wt％的Zn，0.4wt％的Zr，0.2wt％的Yb，余量为镁及不可避免的杂质。

按照实施例1的方法测试本发明实施例3制备得到的铸态镁合金的力学性能，测试结果为，本发明实施例3制备得到的铸造镁合金的抗拉强度为180～187MPa，断后延伸率为35.5～38.5％。

按照GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》采用日本奥林巴斯GX71倒置金相显微镜对本发明实施例3制备得到的铸态镁合金进行金相组织观察，检测结果如图1所示，图1为本发明实施例3制备的铸态镁合金的金相组织图。由图1可知看出，本发明实施例3制备得到的铸态镁合金组织均匀，平均晶粒度为35微米左右，看不到明显的第二相，说明该合金在铸造过程中合金元素全部固溶到基质中，从侧面证明本发明实施例3制备得到的铸造镁合金具有良好的塑性。

按照上述方法对本发明实施例3制备得到的铸造镁合金拉伸试样断口处进行金相组织观察，检测结果如图2所示，图2为本发明实施例3制备的铸造镁合金拉伸断口处金相组织图，由图2可以看出，断口处组织中存在大量的孪晶组织。对于具有密排六方结构的镁合金而言，室温塑性变形时滑移系较少，不能满足Von Mises屈服准则，无法均匀塑性变形；孪生作为另一中塑性变形方式，在镁合金变形中具有重要作用，其一，孪晶界可以起到Hall-Petch硬化效果，减少位错有效滑移距离，对合金起到强化作用；其二，改变晶粒取向，协调变形；其三，孪晶界可作为位错运动的有效障碍来塞集位错，提高合金加工硬化能力，从而提高合金的强度和塑性。

实施例4

按各组分的质量配比镁源、锌源、锆源和钇源，并除去各原料表面的氧化皮，并将各原料预热至250℃。

将坩埚预热至550℃，加入镁源炉温升至740℃，并通入体积比为1:200的SF₆和CO₂的混合气作为保护气体。

待镁源完全熔化后，加入上述预热至250℃的锌源和钇源，并搅拌均匀。

上述搅拌完成后，炉温升至780℃加入上述预热至250℃的锆源，并搅拌均匀，得到金属液。

将金属液降温至740℃，向其中通入30s的氩气进行除氢。

将除氢后的金属液加入6号熔剂进行精炼后静置50min，得到合金液，6号熔剂的用量为金属液质量的1％。

炉温设置为740℃，将合金液保温10min，然后将合金液浇铸到钢制水冷模具中，得到铸造镁合金。

本发明实施例4制备得到的铸造镁合金的成分为：0.8wt％的Zn，0.2wt％的Zr，0.2wt％的Y，余量为镁及不可避免的杂质。

按照实施例1的方法测试本发明实施例4制备得到的铸态镁合金的力学性能，测试结果为，本发明实施例4制备得到的铸造镁合金的抗拉强度为160～170MPa，断后延伸率为20～30％。

实施例5

按各组分的质量配比镁源、锌源、锆源和钇源，并除去各原料表面的氧化皮，并将各原料预热至200℃。

将坩埚预热至550℃，加入镁源炉温升至730℃，并通入体积比为1:200的SF₆和CO₂的混合气作为保护气体。

待镁源完全熔化后，加入上述预热至200℃的锌源和钇源，并搅拌均匀。

上述搅拌完成后，炉温升至780℃加入上述预热至200℃的锆源，并搅拌均匀，得到金属液。

将金属液降温至750℃，向其中通入30s的氩气进行除氢。

将除氢后的金属液加入6号熔剂进行精炼后静置60min，得到合金液，6号熔剂的用量为金属液质量的1.5％。

炉温设置为730℃，将合金液保温15min，然后将合金液浇铸到钢制水冷模具中，得到铸造镁合金。

本发明实施例5制备得到的铸造镁合金的成分为：2wt％的Zn，0.6wt％的Zr，0.55wt％的Y，余量为镁及不可避免的杂质。

按照实施例1的方法测试本发明实施例5制备得到的铸态镁合金的力学性能，测试结果为，本发明实施例4制备得到的铸造镁合金的抗拉强度为175～183MPa，断后延伸率为30～35％。

比较例1

按照实施例1的方法制备得到铸造镁合金，与实施例1不同的是，铸造镁合金成分为：10wt％的Y，5wt％的Zn，0.6wt％的Zr，余量为Mg。

按照实施例1所述的方法测试比较例1制备得到的铸态镁合金的力学性能，测试结果为，本发明比较例1制备得到的铸造镁合金的抗拉强度为181MPa，断后延伸率为3.4％。

比较例2

按照实施例1的方法制备得到铸造镁合金，与实施例1不同的是，铸造镁合金的成分为：6.0wt％的Zn，1wt％的Yb，0.5wt％的Zr，余量为Mg。

按照实施例1所述的方法测试比较例2制备得到的铸态镁合金的力学性能，测试结果为，本发明比较例2制备得到的铸造镁合金的抗拉强度为110～180MPa，断后延伸率为3.8～11.5％。

Claims (10)

1.一种铸造镁合金，成分为：

0.8～2wt％的Zn；

0.2～0.6wt％的Zr；

0.05～0.55wt％的RE，所述RE为Yb或Y；

余量为Mg及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铸造镁合金，其特征在于，所述铸造镁合金的成分为：

1～1.5wt％的Zn；

0.3～0.5wt％的Zr；

0.1～0.3wt％的RE，所述RE为Yb或Y；

余量为Mg及不可避免的杂质。

3.一种权利要求1所述的铸造镁合金的制备方法，包括：

将镁源、锌源、锆源和稀土源混合、熔炼，得到合金液；

将合金液进行浇铸，得到铸造镁合金；

所述稀土源为镱源或钇源。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述混合之前还包括：

将镁源、锌源、锆源和稀土源预热；

所述预热的温度为200～250℃。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述混合的方法为：

先加入镁源；

待镁源熔化后依次加入锌源和稀土源；

最后加入锆源，得到金属液。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在保护性气体的存在下加入镁源；

所述保护性气体包括SF₆和CO₂。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述熔炼的方法为：

将金属液除氢后加入熔剂进行精炼，得到合金液。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述除氢的方法为：

向金属液中通入氩气；

所述通入氩气的时间为20～40秒。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述熔剂包括：

54～56wt％的KCl；

14～16wt％的BaCl₂；

1.5～2.5wt％的NaCl；

27～29wt％的CaCl₂。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述熔剂的用量为金属液质量的1～1.5％。