CN107447152B

CN107447152B - 一种高强高韧的镁合金板材及其制备方法

Info

Publication number: CN107447152B
Application number: CN201710463171.1A
Authority: CN
Inventors: 纪大伟; 肖阳; 解海涛; 王军武; 郭晓光; 王松森
Original assignee: Zhengzhou Light Alloy Technology Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Light Alloy Technology Co Ltd
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2019-01-29
Anticipated expiration: 2037-06-19
Also published as: CN107447152A

Abstract

本发明公开了一种高强高韧的镁合金板材，由以下质量百分比的组分制成：锂：7~12%、铝：1~6%、银：0.05~2.0%、0＜锡≤1.2%、钙：0.03~3%、锶：0.05~1.5%，余量为镁；本发明还公开了上述高强高韧的镁合金板材的制备方法。本发明通过添加铝提高镁合金的强度，还改善了合金的铸造性能；银可产生固溶强化，也可推迟镁过时效问题，提高组织和性能稳定性；锡可提高镁合金的塑性水平；钙具有熔体阻燃作用，还改善了材料高温蠕变性能，锶改善合金的蠕变性能和耐蚀性，并且钙和锶作为晶粒细化剂，有效提高了镁合金的强度，同时也改善了镁合金的韧性。本发明通过成分设计降低镁合金的加工成本，扩大镁合金的应用。

Description

一种高强高韧的镁合金板材及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属技术领域，具体涉及一种高强高韧的镁合金板材及其制备方法。

背景技术

镁合金具有很多优点，如高比强度和比刚度，尺寸稳定性好，导热性好，良好的电磁屏蔽特性和抗振能力，容易回收等，正因为此，镁合金被广泛应用于航空航天、国防军工、交通运输和3C产品产业，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料。此外，镁具有高度超国家的可获得性（地壳：2 wt.%或排第6位；海水：1.1 kg/m³或在溶解的矿物质中排第3位），随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富而日益受到重视。

然而，在材料领域中还没有任何材料像镁这样，潜力和现实有如此大的颠倒，例如：所生产镁的约70%作为功能性应用（钢铁脱硫、合金元素添加、金属还原、烟花用镁粉、牺牲阳极），约13%用作铸造合金，只有约3%用作更有前途的变形制品，全世界产量也不足5万吨，特别是代表产业成熟度的镁合金板带材，2015年全中国产量不足400吨，预计全球也不足1000吨。这与长期以来镁合金强度低、塑性差的问题研究一直得不到令人满意的结果有直接关系，限制了镁合金在工程领域的广泛应用，使得镁合金的优良性能得不到充分发挥，“强度低、塑性差”是一百多年来制约镁合金发展的世界性难题。

Li元素可以降低镁合金的c/a值和相组成，改善镁合金的塑性。当Li含量低于5.7%时，其基体为Li固溶于Mg中形成密排六方的α-Mg固溶体；当Li含量高于10.3%时，其基体为Mg固溶于Li中形成体心立方β-Li固溶体；当Li含量介于两者之间，为α-Mg+β-Li固溶体双相结构。此外，Li可以进一步降低镁合金的密度，镁锂合金是最轻的金属结构材料，不仅具有普通镁合金的优点，而且改善了普通镁合金不能冷加工成型的缺点，是航空航天及武器装备上理想的减重材料，可使航天器和武器装备的机动性、准确性、安全性和舒适性得到大幅度提高。镁锂合金是最轻的金属结构材料，其密度比普通镁合金还小20-30%，具有良好的导热性能、减震性能以及电磁屏蔽性能，同时其还具有可回收的特点。在对重量敏感的航空航天、武器装备、交通运输以及3C产业等领域，具有巨大的应用潜力。其中发展最快的是电子信息和仪器仪表行业，在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁锂合金是厂家最佳选择，另外，镁锂合金外壳可使产品更豪华、美观、轻便。

文献研究结果表明，一方面，现有牌号镁锂合金，如MA18、MA21、LA141等，要么是强度很低，要么是塑性较差，强度和塑性的均衡性限制了其广泛应用；另一方面，一些发明专利中提出了锂含量较低的镁锂合金材料，如CN201310177285.1（一种高强度镁锂合金及其制备方法）、CN200710144339.9（一种高强度的镁锂合金），这些合金材料强度较高，但含有较多含量的稀土元素，不仅增加了材料的成本，而且不利于材料的成型加工。

目前为止，镁合金材料存在高强度与高韧性不能兼顾，并且成本较高的问题，还没有一种具有低成本、高强高韧的镁合金，通过合金化获得一种高强高韧镁合金对扩大镁合金的应用具有非常重要的现实意义。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种高强高韧的镁合金板材。

本发明还提供了该高强高韧的镁合金板材的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高强高韧的镁合金板材，由以下质量百分比的组分制成：锂（Li）：7~12%、铝（Al）：1~6%、银（Ag）：0.05~2.0%、0＜锡（Sn）≤1.2%、钙（Ca）：0.03~3%、锶（Sr）：0.05~1.5%，余量为镁（Mg）。

优选地，一种高强高韧的镁合金板材，由以下重量百分比的组分组成：Li：8~11%、Al：2~3%、Ag：0.2~1.2%、Sn：0.2~1.0%、Ca：0.3~1.2%、Sr：0.25~0.75%，余量为Mg。

优选地，一种高强高韧的镁合金板材，由以下重量百分比的组分组成：Li：10.5%、Al：2%、Ag：0.5%、Sn：0.8%、Ca：0.5%、Sr：0.5%，余量为Mg。

上述高强高韧的镁合金板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，将所配原料于680~800℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；

（2）将步骤（1）所得金属液浇铸成型，得到铸锭；再将铸锭于300~360℃氩气气氛下保温8~12 h，得到经均匀化处理的铸锭；

（3）将步骤（2）所得经均匀化处理的铸锭去掉表面氧化皮后，于360℃以下的温度经挤压或者一次轧制开坯，得到板坯；

（4）将步骤（3）所得板坯于350~420℃保温5~10 min后淬火，再于60~80℃时效处理3~8 h；于250℃以下的温度经二次轧制成型，即得。

优选地，当步骤（3）采用挤压开坯时，挤压比为8~40；当步骤（3）采用一次轧制开坯时，控制每道次的压下量为8~35%。

优选地，步骤（4）所述二次轧制时控制每道次的压下量为8~35%。

本发明在优化合金元素成分的基础上，协调合金的强度和塑性之间的关系，实现镁合金的高强度和高韧性。经试验发现，铝可以通过固溶强化、析出强化提高镁合金的强度；银在镁中具有较大的固溶度，可产生固溶强化作用，推迟镁锂合金的过时效问题，提高其组织和性能稳定性；锡可以提高镁锂合金的塑性水平，此外拥有一定的固溶强化效应；钙和锶是良好的镁合金晶粒细化剂，镁合金的Hall-Petch系数较高，细化晶粒可有效提高镁合金的强度，同时也可大幅改善镁合金的塑性。

本发明采用无溶剂真空熔炼，提高了镁合金的韧性水平，锂的添加可以进一步降低镁合金的密度；通过添加铝，固溶强化和析出强化，从而提高镁合金的强度，还改善了合金的铸造性能；银一方面可产生固溶强化作用，另一方面可推迟过时效问题，提高其组织和性能稳定性；锡可提高镁合金的塑性水平；钙的添加具有熔体阻燃的作用，还改善了材料高温蠕变性能，锶的添加改善合金的蠕变性能和耐蚀性，并且钙和锶作为晶粒细化剂，有效提高了镁合金的强度，同时也大幅改善了镁合金的韧性。本发明通过成分设计，获得一种高强高韧的镁合金，其综合性能优于现有国际工业应用的镁合金，有效提高了镁合金推广应用的竞争力；本发明所述高强高韧的镁合金板材，降低了加工成本，提高了镁合金相对于铝合金的竞争力，扩大镁合金的应用。

附图说明

图1是实施例1制得的高强高韧的镁合金板材的拉伸应力—应变曲线。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

下述实施例采用的原料为高纯镁锭、高纯锂锭、纯铝、纯锡、纯银、镁钙（Mg-20%Ca）中间合金、镁锶（Mg-10%Sr）中间合金，均为普通市售产品，其中纯镁、纯铝、纯锡、纯银的纯度均在99.95%以上。

实施例1

一种高强高韧的镁合金板材，由以下重量百分比的组分制成：Li：10.5%、Al：2%、Ag：0.5%、Sn：0.8%、Ca：0.5%、Sr：0.5%，余量为Mg。

上述高强高韧的镁合金板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，将所配原料于750℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；

（2）将步骤（1）所得金属液浇铸成型，得到铸锭；再将铸锭于350℃氩气气氛下保温10 h，得到经均匀化处理的铸锭；

（3）将步骤（2）所得经均匀化处理的铸锭去掉表面氧化皮（扒皮、抛光）后，经一次轧制开坯，得到板坯；

（4）将步骤（3）所得板坯于385℃保温8 min后淬火，再于70℃时效处理4 h；经二次轧制成型，即得。

其中，步骤（3）所述一次轧制在室温下进行，控制每道次的压下量为8~10%，所得板坯的厚度为14 mm；步骤（4）所述二次轧制在室温下进行，控制每道次的压下量为8~10%，得到厚度为0.7 mm的镁合金板材。

实施例2

一种高强高韧的镁合金板材，由以下重量百分比的组分制成：Li：8%、Al：5%、Ag：1.5%、Sn：0.8%、Ca：2%、Sr：1.2%，余量为Mg。

上述高强高韧的镁合金板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，将所配原料于680℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；

（2）将步骤（1）所得金属液浇铸成型，得到铸锭；再将铸锭于340℃氩气气氛下保温12 h，得到经均匀化处理的铸锭；

（3）将步骤（2）所得经均匀化处理的铸锭去掉表面氧化皮（扒皮、抛光）后，经一次轧制，得到板坯；

（4）将步骤（3）所得板坯于360℃保温10 min后淬火，再于60℃时效处理5 h；经二次轧制成型，即得。

其中，步骤（3）所述一次轧制在室温下进行，控制每道次的压下量为13~15%，所得板坯的厚度为14 mm；步骤（4）所述二次轧制在室温下进行，控制每道次的压下量为13~15%，得到厚度为2 mm的镁合金板材。

实施例3

一种高强高韧的镁合金板材，由以下重量百分比的组分制成：Li：11%、Al：2%、Ag：1.2%、Sn：1.0%、Ca：1.2%、Sr：0.75%，余量为Mg。

上述高强高韧的镁合金板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，将所配原料于800℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；

（2）将步骤（1）所得金属液浇铸成型，得到铸锭；再将铸锭于360℃氩气气氛下保温8 h，得到经均匀化处理的铸锭；

（3）将步骤（2）所得经均匀化处理的铸锭去掉表面氧化皮（扒皮、抛光）后，经挤压开坯，得到板坯；

（4）将步骤（3）所得板坯于410℃保温5 min后淬火，再于80℃时效处理3 h；经二次轧制成型，即得。

其中，步骤（3）所述挤压开坯采用挤压机进行挤压变形，挤压筒的温度为250℃，控制挤压比为10，所得挤压坯的厚度为14 mm；步骤（4）所述二次轧制在室温下进行，控制每道次的压下量为20~22%，得到厚度为1 mm的镁合金板材。

实施例4

一种高强高韧的镁合金板材，由以下重量百分比的组分制成：Li：7%、Al：3%、Ag：0.2%、Sn：1.2%、Ca：0.3%、Sr：1.5%，余量为Mg。

上述高强高韧的镁合金板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，将所配原料于760℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；

（2）将步骤（1）所得金属液浇铸成型，得到铸锭；再将铸锭于345℃氩气气氛下保温11 h，得到经均匀化处理的铸锭；

（4）将步骤（3）所得板坯于380℃保温8 min后淬火，再于65℃时效处理4.5 h；经二次轧制成型，即得。

其中，步骤（3）所述一次轧制在室温下进行，控制每道次的压下量为28~30%，所得板坯的厚度为14 mm；步骤（4）所述二次轧制在室温下进行，控制每道次的压下量为28~30%，得到厚度为0.6 mm的镁合金板材。

实施例5

一种高强高韧的镁合金板材，由以下重量百分比的组分制成：Li：12%、Al：6%、Ag：0.05%、Sn：0.2%、Ca：0.05%、Sr：0.25%，余量为Mg。

上述高强高韧的镁合金板材的制备方法，包括以下步骤：

（2）将步骤（1）所得金属液浇铸成型，得到铸锭；再将铸锭于355℃氩气气氛下保温9 h，得到经均匀化处理的铸锭；

（4）将步骤（3）所得板坯于400℃保温6 min后淬火，再于75℃时效处理3.5 h；经二次轧制成型，即得。

其中，步骤（3）所述一次轧制在室温下进行，控制每道次的压下量为33~35%，所得板坯的厚度为14 mm；步骤（4）所述二次轧制在室温下进行，控制每道次的压下量为33~35%，得到厚度为1.5 mm的镁合金板材。

将实施例1~5制得的高强高韧的镁合金板材用线切割加工成拉伸试样，用电子万能拉伸机进行力学性能测试，结果如表1所示。实施例1制得的高强高韧的镁合金板材的拉伸应力—应变曲线如图1所示。

表1 高强高韧镁合金板材的力学性能结果

由表1可见，本发明制得的高强高韧的镁合金板材抗拉强度为260 MPa（平均值），屈服强度为210 MPa（平均值），伸长率约26%（平均值）。

Claims

1.一种高强高韧镁合金，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：锂：7~12%、铝：1~6%、银：0.05~2.0%、0＜锡≤1.2%、钙：0.03~3%、锶：0.05~1.5%，余量为镁。

2.根据权利要求1所述的高强高韧镁合金，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：锂：8~11%、铝：2~3%、银：0.2~1.2%、锡：0.2~1.0%、钙：0.3~1.2%、锶：0.25~0.75%，余量为镁。

3.根据权利要求1所述的高强高韧镁合金，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：锂：10.5%、铝：2%、银：0.5%、锡：0.8%、钙：0.5%、锶：0.5%，余量为镁。

4.权利要求1至3任一所述的高强高韧镁合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（4）将步骤（3）所得板坯于350~420℃保温5~10 min后淬火，再于60~80℃时效处理3~8h；于250℃以下的温度经二次轧制成型，即得。

5.根据权利要求4所述高强高韧镁合金板材的制备方法，其特征在于：当步骤（3）采用挤压开坯时，挤压比为8~40；当步骤（3）采用一次轧制开坯时，控制每道次的压下量为8~35%。

6.根据权利要求4所述高强高韧镁合金板材的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述二次轧制时控制每道次的压下量为8~35%。